Источники ультразвука в природе. Ультразвук и его применение

Метод ультразвуковой дефектоскопии металлов и других материалов впервые был разработан и практически осуществлен в Советском Союзе в 1928-1930 гг. проф. С. Я. Соколовым.

Ультразвуковые волны представляют собой упругие колебания материальной среды, частота которых лежит за пределами слышимости в диапазоне от 20 кгц (волны низкой частоты) до 500 Мгц (волны высокой частоты).

Ультразвуковые колебания бывают продольные и поперечные. Если частицы среды перемещаются параллельно направлению распространения волны, то такая волна является продольной, если перпендикулярно-поперечной. Для отыскания дефектов в сварных швах используют в основном поперечные волны, направленные под углом к поверхности свариваемых деталей.

Ультразвуковые волны способны проникать в материальные среды на большую глубину, преломляясь и отражаясь при попадании на границу двух материалов с различной звуковой проницаемостью. Именно эта способность ультразвуковых волн используется в ультразвуковой дефектоскопии сварных соединений.

Ультразвуковые колебания могут распространяться в самых различных средах - воздухе, газах, дереве, металле, жидкостях.

Скорость распространения ультразвуковых волн C определяют по формуле:

где f - частота колебаний, гц; λ - длина волны, см.

Для выявления мелких дефектов в сварных швах следует пользоваться коротковолновыми ультразвуковыми колебаниями, так как волна, длина которой больше размера дефекта, может не выявить его.

Получение ультразвуковых волн

Ультразвуковые волны получают механическим, термическим, магнитострикционным (Магнитострикция - изменение размеров тела при намагничивании) и пьезоэлектрическим (Приставка «пьезо» означает «давить») способами.

Наиболее распространенным является последний способ, основанный на пьезоэлектрическом эффекте некоторых кристаллов (кварца, сегнетовой соли, титаната бария): если противоположные грани пластинки, вырезанной из кристалла, заряжать разноименным электричеством с частотой выше 20 000 гц, то в такт изменениям знаков зарядов пластинка будет вибрировать, передавая механические колебания в окружающую среду в виде ультразвуковой волны. Таким образом электрические колебания преобразовываются в механические.

В различных системах ультразвуковых дефектоскопов применяют генераторы высокой частоты, задающие на пьезоэлектрические пластинки электрические колебания от сотен тысяч до нескольких миллионов герц.

Пьезоэлектрические пластинки могут служить не только излучателями, но и приемниками ультразвука. В этом случае под действием ультразвуковых волн на гранях кристаллов-приемников возникают электрические заряды малой величины, которые регистрируются специальными усилительными устройствами.

Методы выявления дефектов ультразвуком

Существуют в основном два метода ультразвуковой дефектоскопии: теневой и эхо-импульсный (метод отраженных колебаний.)

Рис. 41. Схемы проведения ультразвуковой дефектоскопии а - теневым; б - эхо импульсным методом; 1 - щуп-излучатель; 2 - исследуемая деталь; 3 - щуп приемник; 4 - дефект

При теневом методе (рис. 41, а) ультразвуковые волны, идущие через сварной шов от источника ультразвуковых колебаний (щупа-излучателя), при встрече с дефектом не проникают через него, так как граница дефекта является границей двух разнородных сред (металл - шлак или металл - газ). За дефектом образуется область так называемой «звуковой тени». Интенсивность ультразвуковых колебаний, принятых щупом-приемником, резко падает, а изменение величины импульсов на экране электронно-лучевой трубки дефектоскопа указывает на наличие дефектов. Этот метод имеет ограниченное применение, так как необходим двусторонний доступ к шву, а в ряде случаев требуется снимать усиление шва.

При эхо-импульсном методе (рис. 41,6) щуп-излучатель посылает через сварной шов импульсы ультразвуковых волн, которые при встрече с дефектом отражаются от него и улавливаются щупом-приемником. Эти импульсы фиксируются на экране электроннолучевой трубки дефектоскопа в виде пиков, свидетельствующих о наличии дефекта. Измеряя время от момента посылки импульса до приема обратного сигнала, можно определить и глубину залегания дефектов. Основное достоинство этого метода состоит в том, что контроль можно проводить при одностороннем доступе к сварному шву без снятия усиления или предварительной обработки шва. Этот метод получил наибольшее применение при ультразвуковой дефектоскопии сварных швов.

21-й век - век радиоэлектроники, атома, покорения космоса и ультразвука. Сравнительно молода в наши дни наука об ультразвуке. В конце 19 века П. Н. Лебедев, русский ученый-физиолог, провел первые его исследования. После этого ультразвуком начали заниматься многие выдающиеся ученые.

Что такое ультразвук?

Ультразвук - это распространяющееся волнообразно которое совершают частицы среды. Он имеет свои особенности, по которым отличается от звуков слышимого диапазона. Сравнительно легко в ультразвуковом диапазоне получить направленное излучение. К тому же он хорошо фокусируется, и в результате этого повышается интенсивность совершаемых колебаний. При распространении в твердых телах, жидкостях и газах ультразвук рождает интересные явления, нашедшие практическое применение во многих областях техники и науки. Вот что такое ультразвук, роль которого в различных сферах жизни сегодня очень велика.

Роль ультразвука в науке и практике

Ультразвук в последние годы стал играть в научных исследованиях все большую роль. Были успешно проведены экспериментальные и теоретические изыскания в области акустических течений и ультразвуковой кавитации, что позволило ученым разработать технологические процессы, которые протекают при воздействии в жидкой фазе ультразвука. Он является мощным методом исследования разнообразных явлений и в такой области знания, как физика. Ультразвук применяется, например, в физике полупроводников и твердого тела. Сегодня формируется отдельное направление химии, получившее название "ультразвуковая химия". Ее применение позволяет ускорить множество химико-технологических процессов. Зародилась также молекулярная акустика - новый раздел акустики, который изучает молекулярное взаимодействие с веществом Появились новые сферы применения ультразвука: голография, интроскопия, акустоэлектроника, ультразвуковая фазомерия, квантовая акустика.

Помимо экспериментальных и теоретических работ в этой области, сегодня было выполнено множество практических. Разработаны специальные и универсальные ультразвуковые станки, установки, которые работают под повышенным статическим давлением и др. Внедрены в производство ультразвуковые автоматические установки, включенные в поточные линии, что позволяет существенно повысить производительность труда.

Подробнее об ультразвуке

Расскажем подробнее о том, что такое ультразвук. Мы уже говорили о том, что это упругие волны и ультразвука составляет более 15-20 кГц. Субъективными свойствами нашего слуха определяется нижняя граница ультразвуковых частот, которая отделяет ее от частоты слышимого звука. Эта граница, таким образом, является условной, и каждый из нас по-разному определяет, что такое ультразвук. Верхняя граница обозначена упругими волнами, их физической природой. Они распространяются только в материальной среде, то есть длина волны должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега имеющихся в газе молекул или же межатомных расстояний в твердых телах и жидкостях. При нормальном давлении в газах верхняя граница частот УЗ - 10 9 Гц, а твердых телах и жидкостях - 10 12 -10 13 Гц.

Источники ультразвука

Ультразвук в природе встречается и как компонент множества естественных шумов (водопада, ветра, дождя, гальки, перекатываемой прибоем, а также в сопровождающих разряды грозы звуках и т. д.), и как неотъемлемая часть животного мира. Им некоторые виды животных пользуются для ориентировки в пространстве, обнаружения препятствий. Известно, кроме того, что ультразвук в природе используют дельфины (в основном частоты от 80 до 100 кГц). Очень большой при этом может быть мощность излучаемых ими локационных сигналов. Известно, что дельфины способны обнаруживать находящиеся на расстоянии до километра от них.

Излучатели (источники) ультразвука делятся на 2 большие группы. Первая - это генераторы, в которых колебания возбуждаются из-за наличия в них препятствий, установленных на пути движения постоянного потока - струи жидкости или газа. Вторая группа, в которую можно объединить источники ультразвука, - электроакустические преобразователи, которые превращают заданные колебания тока или электрического напряжения в механическое колебание, совершаемое твердым телом, излучающее акустические волны в окружающую среду.

Приемники ультразвука

На средних и приемниками ультразвука выступают чаще всего пьезоэлектрического типа электроакустические преобразователи. Они могут воспроизводить форму полученного акустического сигнала, представленную как временная зависимость звукового давления. Приборы могут быть либо широкополосными, либо резонансными - в зависимости от того, для каких условий применения они предназначены. Термические приемники используют для получения характеристик звукового поля, усредненных по времени. Они представляют собой покрытые звукопоглощающим веществом термисторы или термопары. Звуковое давление и интенсивность можно оценивать также оптическими методами, такими как дифракция света на УЗ.

Где применяется ультразвук?

Существует множество сфер его применения, при этом используются различные особенности ультразвука. Эти сферы можно разбить условно на три направления. Первое из них связано с получением посредством УЗ-волн различной информации. Второе направление - активное воздействие его на вещество. А третье связано с передачей и обработкой сигналов. УЗ определенного используется в каждом конкретном случае. Мы расскажем только о некоторых из множества областей, в которых он нашел свое применение.

Очистка с помощью ультразвука

Качество такой очистки нельзя сравнить с другими способами. При полоскании деталей, к примеру, на поверхности их сохраняется до 80% загрязнений, около 55 % - при вибрационной очистке, около 20 % - при ручной, а при ультразвуковой остается не более 0,5 % загрязнений. Детали, которые имеют сложную форму, возможно хорошо очистить лишь с помощью ультразвука. Важным преимуществом его использования является высокая производительность, а также малые затраты физического труда. Более того, можно заменить дорогостоящие и огнеопасные органические растворители дешевыми и безопасными водными растворами, применять жидкий фреон и др.

Серьезная проблема - загрязнение воздуха копотью, дымом, пылью, окислами металлов и т. д. Можно использовать ультразвуковой способ очистки воздуха и газа в газоотводах независимо от влажности среды и температуры. Если УЗ-излучатель поместить в пылеосадочную камеру, в сотни раз увеличится эффективность ее действия. В чем же заключается сущность такой очистки? Беспорядочно движущиеся в воздухе пылинки сильнее и чаще ударяются друг о друга под действием ультразвуковых колебаний. При этом размер их увеличивается за счет того, что они сливаются. Коагуляцией называется процесс укрупнения частиц. Специальными фильтрами улавливаются утяжеленные и укрупненные их скопления.

Механическая обработка хрупких и сверхтвердых материалов

Если ввести между обрабатываемой деталью и рабочей поверхностью инструмента, использующего ультразвук, то частицы абразива при работе излучателя станут воздействовать на поверхность этой детали. При этом разрушается материал и удаляется, подвергаясь обработке под действием множества направленных микроударов. Кинематика обработки складывается из основного движения - резания, то есть совершаемых инструментом продольных колебаний, и вспомогательного - движения подачи, которые осуществляет аппарат.

Ультразвук может проделывать различные работы. Для абразивных зерен источником энергии являются продольные колебания. Они и разрушают обрабатываемый материал. Движение подачи (вспомогательное) может быть круговым, поперечным и продольным. Обработка с помощью ультразвука имеет большую точность. В зависимости от того, какую зернистость имеет абразив, она составляет от 50 до 1 мк. Используя инструменты разной формы, можно делать не только отверстия, но также и сложные вырезы, криволинейные оси, гравировать, шлифовать, изготовлять матрицы и даже сверлить алмаз. Используемые как абразив материалы - корунд, алмаз, кварцевый песок, кремень.

Ультразвук в радиоэлектронике

Ультразвук в технике часто используется в области радиоэлектроники. В этой сфере часто появляется необходимость задержать электрический сигнал относительно какого-то другого. Ученые нашли удачное решение, предложив использовать ультразвуковые линии задержки (сокращенно - ЛЗ). Их действие основано на том, что электрические импульсы преобразуются в ультразвуковые Как же это происходит? Дело в том, что скорость ультразвука существенно меньше, чем та, которую развивают электромагнитные колебания. Импульс напряжения после обратного преобразования в электрические механических колебаний будет задержан на выходе линии относительно импульса входного.

Пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи используют для преобразования колебаний электрических в механические и обратно. ЛЗ соответственно этому делятся на пьезоэлектрические и магнитострикционные.

Ультразвук в медицине

Различные виды ультразвука применяются для воздействия на живые организмы. В медицинской практике его использование сейчас очень популярно. Оно основывается на эффектах, которые возникают в биологических тканях тогда, когда через них проходит ультразвук. Волны вызывают колебания частиц среды, что создает своеобразный микромассаж тканей. А поглощение ультразвука ведет к их локальному нагреванию. Вместе с тем в биологических средах происходят определенные физико-химические превращения. Эти явления в случае умеренной необратимых повреждений не вызывают. Они только улучшают обмен веществ, а значит и способствуют жизнедеятельности подверженного им организма. Такие явления применяются в УЗ-вой терапии.

Ультразвук в хирургии

Кавитация и сильное нагревание при больших интенсивностях приводят к разрушению тканей. Данный эффект применяется сегодня в хирургии. Фокусный ультразвук используют для хирургических операций, что позволяет осуществлять локальные разрушения в самых глубинных структурах (к примеру, мозга), не повреждая при этом окружающие. В хирургии также используются ультразвуковые инструменты, в которых рабочий конец имеет вид пилки, скальпеля, иглы. Колебания, накладываемые на них, придают новые качества этим приборам. Требуемое усилие значительно снижается, следовательно, уменьшается травматизм операции. К тому же проявляется обезболивающий и кровоостанавливающий эффект. Воздействие тупым инструментом с применением ультразвука используется для разрушения появившихся в организме некоторых видов новообразований.

Воздействие на биологические ткани осуществляется для разрушения микроорганизмов и используется в процессах стерилизации лекарственных средств и медицинских инструментов.

Исследование внутренних органов

В основном речь идет об исследовании брюшной полости. Для этой цели используется специальный может применяться для нахождения и распознавания различных аномалий тканей и анатомических структур. Задача зачастую такова: существует подозрение на наличие злокачественного образования и требуется отличить его от образования доброкачественного или инфекционного.

Ультразвук полезен при исследовании печени и для решения других задач, к которым относится обнаружение непроходимости и заболеваний желчных протоков, а также исследование желчного пузыря для выявления наличия в нем камней и других патологий. Кроме того, может применяться исследование цирроза и других диффузных доброкачественных заболеваний печени.

В области гинекологии, главным образом при анализе яичников и матки, применение ультразвука является в течение длительного времени главным направлением, в котором оно осуществляется особенно успешно. Зачастую здесь также нужна дифференциация доброкачественных и злокачественных образований, что требует обычно наилучшего контрастного и пространственного разрешения. Подобные заключения могут быть полезны и при исследовании множества других внутренних органов.

Применение ультразвука в стоматологии

Ультразвук также нашел свое применение и в стоматологии, где он используется для удаления зубного камня. Он позволяет быстро, бескровно и безболезненно снять налет и камень. При этом слизистая полость рта не травмируется, а "карманы" полости обеззараживаются. Вместо боли пациент испытывает ощущение теплоты.

Ультразвуком принято называть упругие колебания и волны, частоты которых превышают частоты звука, воспринимаемого человеческим ухом. Такое определение сложилось исторически, однако нижняя граница ультразвука, связанная с субъективными ощущениями человека, не может быть четкой, поскольку некоторые люди не могут слышать звуки с частотами в 10 кГц, а есть люди, воспринимающие частоты в 25 кГц. Для внесения четкости в определение нижней границы ультразвука с 1983 г. установлено считать ее равной 11,12 кГц (ГОСТ 12.1.001–83).

Верхняя граница ультразвука обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться в среде лишь при условии, что длина волны больше средней длины свободного пробега молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. Поэтому в газах верхнюю границу ультразвуковых волн (УЗ) определяют из приблизительного равенства длины звуковой волны и средней длины свободного пробега молекул газа (~10 –6 м), что дает частоту порядка 1 ГГц (10 9 Гц). Расстояние между атомами и молекулами в кристаллической решетке твердого тела примерно равно 10 –10 м. Считая, что и длина волны ультразвука такого же порядка величины, получаем частоту 10 13 Гц. Упругие волны с частотами более 1 ГГц называют гиперзвуком.

Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона или инфразвука, и распространение ультразвука подчиняется законам, общим для всех акустических волн (законы отражения, преломления, рассеяния и т. п.). Скорости распространения УЗ волн примерно такие же, как и скорости слышимого звука (см. табл. 4), а поэтому длины ультразвуковых волн значительно меньше. Так, при распространении в воде (с = 1500 м/с) ультразвука с частотой 1 МГц длина волны l = 1500/10 6 = 1,5·10 –3 м = 1,5 мм. Благодаря малой длине волны дифракция ультразвука происходит на объектах меньших размеров, чем для слышимого звука. Поэтому во многих случаях к ультразвуку можно применять законы геометрической оптики и изготавливать ультразвуковые фокусирующие системы: выпуклые и вогнутые зеркала и линзы, которые используют для получения звуковых изображений в системах звукозаписи и акустической голографии. Помимо этого, фокусировка ультразвука позволяет концентрировать звуковую энергию, получая при этом большие интенсивности.

Поглощение ультразвука в веществе, даже в воздухе, весьма значительно, что обусловлено его малой длиной волны. Однако, как и для обычного звука, затухание ультразвука определяется не только его поглощением, но и отражением на границах раздела сред, отличающихся своими акустическими сопротивлениями. Этот фактор имеет большое значение при распространении ультразвука в живых организмах, ткани которых обладают самыми различными акустическими сопротивлениями (например, на границах мышца – надкостница – кость, на поверхностях полых органов и т. п.). Так как акустическое сопротивление биологических тканей в среднем в сотни раз превышает акустическое сопротивление воздуха, то на границе воздух – ткань происходит практически полное отражение ультразвука. Это создает определенные трудности при ультразвуковой терапии, так как слой воздуха всего в 0,01 мм между вибратором и кожей является непреодолимым препятствием для ультразвука. Поскольку избежать прослоек воздуха между кожей и излучателем невозможно, для заполнения имеющихся между ними неровностей используют специальные контактные вещества, которые должны удовлетворять определенным требованиям: иметь акустическое сопротивление, близкое к акустическим сопротивлениям кожи и излучателя, обладать малым коэффициентом поглощения ультразвука, иметь значительную вязкость и хорошо смачивать кожу, быть нетоксичными для организма. В качестве контактных веществ обычно используют вазелиновое масло, глицерин, ланолин и даже воду.

ПОЛУЧЕНИЕ И РЕГИСТРАЦИЯ УЛЬТРАЗВУКА

Для получения ультразвука используют механические и электромеханические генераторы.

К механическим генераторам относят газоструйные излучатели и сирены. В газоструйных излучателях (свистках и мембранных генераторах) источником энергии ультразвука служит кинетическая энергия газовой струи. Первым УЗ генератором был свисток Гальтона – короткая, закрытая с одного конца трубка с острыми краями, на которые направляется воздушная струя из кольцеобразного сопла. Срывы струи на острых концах трубки вызывают колебания воздуха, частота которых определяется длиной трубки. Свистки Гальтона позволяют получать ультразвук с частотой до 50 кГц. Интересно, что подобными свистками еще в прошлом веке пользовались браконьеры, подзывая охотничьих собак сигналами, не слышными для человека.

Сирены позволяют получать ультразвук с частотой до 500 кГц. Газоструйные излучатели и сирены служат почти единственными источниками мощных акустических колебаний в газовых средах, в которые из-за малого акустического сопротивления излучатели с твердой колеблющейся поверхностью не могут передать ультразвук большой интенсивности. Недостатком механических генераторов является широкий диапазон излучаемых ими частот, что ограничивает область их применения в биологии.

Электромеханические источники ультразвука преобразуют подводимую к ним электрическую энергию в энергию акустических колебаний. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические и магнитострикционные излучатели.

В 1880 г. французские ученые Пьер и Жак Кюри открыли явление, получившее название пьезоэлектрического эффекта (греч. пьезо – давлю). Если вырезать определенным образом из кристаллов некоторых веществ (кварца, сегнетовой соли) ; пластинку и сжать ее, то на ее гранях появятся разноименные электрические заряды. При замене сжатия растяжением знаки зарядов меняются. Пьезоэлектрический эффект обратим. Это означает, что если кристалл поместить в электрическое поле, то он будет растягиваться или сжиматься в зависимости от направления вектора напряженности электрического поля. В переменном электрическом поле кристалл будет деформироваться в такт с изменениями направлениям вектора напряженности и действовать на окружающее вещество как поршень, создавая сжатия и разрежения, т. е. продольную акустическую волну.

Прямой пьезоэлектрический эффект используют в приемниках ультразвука, в которых акустические колебания преобразуются в электрические. Но если к такому приемнику приложить, переменное напряжение соответствующей частоты, то оно преобразуется в ультразвуковые колебания и приемник работает как излучатель. Следовательно, один и тот же кристалл может служить и приемником, и излучателем ультразвука поочередно. Такой прибор называют ультразвуковым акустическим преобразователем (рис.). В связи с тем что применение ультразвука в различных областях науки, техники, медицины и ветеринарии с каждым годом возрастает, требуется все большее количество ультразвуковых преобразователей, однако запасы природного кварца не могут удовлетворить возрастающие в нем потребности. Наиболее подходящим заменителем кварца оказался титанат бария, представляющий собой аморфную смесь двух минеральных веществ – углекислого бария и двуокиси титана. Для придания ей нужных свойств аморфную массу нагревают до высокой температуры, при которой она размягчается, и помещают ее в электрическое поле. При этом происходит поляризация дипольных молекул. После охлаждения вещества в электрическом поле молекулы фиксируются в ориентировочном положении и вещество приобретает определенный электрический дипольный момент. У титаната бария пьезоэлектрический эффект в 50 раз сильнее, чем у кварца, а стоимость его невысока.

Преобразователи другого типа основаны на явлении магни-тострикции (лат. strictura–сжимание). Это явление заключается в том, что при намагничивании ферромагнитный стержень сжимается или растягивается в зависимости от направления намагничивания. Если стержень поместить в переменное магнитное поле, то его длина будет меняться в такт с изменениями электрического тока, создающего магнитное поле. Деформация стержня создает акустическую волну в окружающей среде.

Для изготовления магнитострикционных преобразователей применяют пермендюр, никель, железоалюминиевые сплавы – альсифёры. У них большие величины относительных деформаций, большая механическая плотность и меньшая чувствительность к температурным воздействиям.

В современной ультразвуковой аппаратуре используют оба вида преобразователей. Пьезоэлектрические применяют для получения ультразвука высоких частот (выше 100 кГц), магни-тострикционные– для получения ультразвука меньших частот. Для медицинских и ветеринарных целей обычно используют генераторы небольшой мощности (10–20 Вт) (рис.).

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА С ВЕЩЕСТВОМ

Рассмотрим, с какими параметрами колебательного движения приходится иметь дело при распространении ультразвука в веществе. Пусть излучатель создает волну с интенсивностью I =10 5 Вт/м 2 и частотой 10 5 Гц. I = 0,5rcA 2 w 2 = 2cA 2 rp 2 n 2 . Отсюда

Подставляя в формулу значения входящих в нее величин, получим, что амплитуда смещения частиц воды при данных условиях А = 0,6 мкм. Амплитудное значение ускорения частиц воды а м = Аw 2 = 2·4·10 5 м/с 2 , что в 24 000 раз превышает ускорение силы тяжести. Амплитудное значение акустического давления р а = rсАw = 5,6·10 5 Па @ 6 атм. При фокусировании ультразвука получаются еще большие давления.

При распространении ультразвуковой волны в жидкости во время полупериодов разрежения возникают растягивающие силы, которые могут привести к разрыву жидкости в данном месте и образованию пузырьков, заполненных паром этой жидкости. Это явление носит название кавитации (лат. cavum– пустота). Кавитационные пузырьки образуются, когда растягивающее напряжение в жидкости становится больше некоторого критического значения, называемого порогом кавитации. Для чистой воды теоретическое значение порога кавитации р к = 1,5·10 8 Па = 1500 атм. Реальные жидкости менее прочны в связи с тем, что в них всегда находятся зародыши кавитации – микроскопические газовые пузырьки, твердые частички с трещинами, заполненными газом, и т. п. Часто на поверхности пузырьков возникают электрические заряды. Захлопывание кавитационных пузырьков сопровождается сильным нагревом их содержимого, а также выделением газов, содержащих атомарный и ионизированный компоненты. В результате вещество в кавитационной области подвергается интенсивным воздействиям. Это проявляется в кавитационной эрозии, т. е. в разрушении поверхности твердых тел. Даже такие прочные вещества, как сталь и кварц, разрушаются под действием микроударных гидродинамических волн, возникающих при захлопывании пузырьков, не говоря уже о находящихся в жидкости биологических объектах, например микроорганизмах. Этим пользуются для очистки поверхности металлов от окалины, жировых пленок, а также для диспергирования твердых тел и получения эмульсий несмешивающихся жидкостей.

При интенсивности ультразвука менее 0,3-10 4 Вт/м 2 кавитация в тканях не происходит, и ультразвук вызывает ряд других эффектов. Так, в жидкости возникают акустические потоки, или «звуковой ветер», скорость которого достигает десятков сантиметров в секунду. Акустические потоки перемешивают облучаемые жидкости, изменяют физические свойства суспензий. Если в жидкости находятся частицы, обладающие противоположными электрическими зарядами и разными массами, то в ультразвуковой волне эти частицы будут отклоняться от положения равновесия на разные расстояния и в поле волны возникает переменная разность потенциалов (эффект Дебая). Такое явление происходит, например, в растворе поваренной соли, содержащей ионы Н + и в 35 раз более тяжелые ионы С1 – . При больших различиях в массах потенциал Дебая может достигать десятков и сотен мВ.

Поглощение ультразвука веществом сопровождается переходом механической энергии в тепловую. Тепло образуется в областях, примыкающих к границам раздела двух сред с различными акустическими сопротивлениями. При отражении ультразвука интенсивность волны вблизи границы увеличивается и соответственно возрастает количество поглощенной энергии. Легко убедиться в этом, прижав к влажной руке излучатель. Вскоре на противоположной стороне руки возникает болевое ощущение, похожее на боль от ожога, вызванное ультразвуком, отраженным на границе кожа – воздух. Однако тепловое действие ультразвука при интенсивностях, применяемых в терапии, очень незначительно.

В УЗ поле могут протекать как окислительные, так и восстановительные реакции, причем даже такие, которые в обычных условиях неосуществимы. Одной из характерных реакций является расщепление молекулы воды на радикалы Н + и ОН – с последующим образованием перекиси водорода Н 2 О 2 и некоторых жирных кислот. Значительное действие оказывает ультразвук на некоторые биохимические соединения: от белковых молекул отрываются молекулы аминокислот, происходит денатурация протеинов и т. п. Все эти реакции стимулируются, очевидно, колоссальными давлениями, возникающими в ударных кавитационных волнах, однако законченной теории звукохимических реакций в настоящее время еще не существует.

Ультразвук вызывает свечение воды и некоторых других жидкостей (УЗ люминесценция). Свечение это очень слабое, и его обычно регистрируют фотоумножителями. Причина свечения в основном заключается в том, что при захлопывании кавитационных пузырьков происходит сильное адиабатическое нагревание заключенного в них пара. Температура внутри пузырьков может достигать 10 4 К, что приводит к возбуждению атомов газа и излучению ими квантов света. Интенсивность УЗ люминесценции зависит от количества газа в пузырьке, от свойств жидкости и интенсивности ультразвука. Это явление несет с собой информацию о природе и кинетике процессов, происходящих при облучении жидкости ультразвуком. Как было показано В. Б. Акопяном и А. И. Журавлевым, при некоторых заболеваниях УЗ свечение ряда биологических жидкостей меняется, что может лечь в основу диагностики этих заболеваний.

ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ

На живые организмы ультразвук, как и другие физические факторы, оказывает возмущающее действие, следствием чего являются приспособительные реакции организма. Механизм возмущающего действия ультразвука изучен еще недостаточно, но можно утверждать, что он определяется совокупностью механического, термического и физико-химического действий. Эффективность этих факторов зависит от частоты и интенсивности ультразвука. Выше были вычислены амплитудные значения акустического давления и ускорения частиц среды в УЗ волне, которые оказались очень большими, однако они не дают представления о механических усилиях, приходящихся на одну клетку. Расчет сил, действующих на клетку в УЗ поле, был проведен В. Б. Акопяном, который показал, что если на клетку размером 5·10 – 5 м действует ультразвук с частотой 1 МГц и интенсивностью 10 4 Вт/м 2 , то максимальная разность растягивающих и сжимающих сил в противоположных концах клетки не превышает 10 –13 Н. Такие силы не могут оказывать на клетку заметного влияния, не говоря уже о ее разрушении. Поэтому растягивающие и сжимающие силы, действующие на клетку в УЗ волне, вряд ли могут приводить к ощутимым биологическим последствиям.

Более эффективны, по-видимому, акустические течения, приводящие к переносу вещества и перемешиванию жидкости. Внутри клетки, обладающей сложной внутренней структурой, микропотоки вполне могут менять взаимное расположение клеточных органелл, перемешивать цитоплазму и изменять ее вязкость, отрывать от клеточных мембран биологические макромолекулы (ферменты, гормоны, антигены), изменять поверхностный заряд, мембран и их проницаемость, оказывая влияние на жизнедеятельность клетки. Если мембраны не повреждены, то через некоторое время перешедшие во внеклеточную среду или в цитоплазму макромолекулы возвращаются обратно на поверхность мембран, хотя и неизвестно, попадают ли они именно на те места, с которых были вырваны, а если нет, то ведет ли это к каким-либо нарушениям физиологии клетки.

Разрушение мембран происходит при достаточно больших интенсивностях ультразвука, однако разные клетки обладают различной резистентностью: одни клетки разрушаются уже при интенсивностях порядка 0,1·10 4 Вт/м 2 , тогда как другие выдерживают интенсивность до 25·10 4 Вт/м 2 и выше. Как правило, более чувствительны клетки животных тканей и менее чувствительны растительные клетки, защищенные прочной оболочкой. О различной ультразвуковой резистентности эритроцитов говорилось в главе I. Облучение ультразвуком с интенсивностью более 0,3·10 4 Вт/м 2 (т.е. выше порога кавитации) используют для разрушения имеющихся в жидкости бактерий и вирусов. Так разрушают тифозные и туберкулезные палочки, стрептококки и пр. Следует отметить, что облучение ультразвуком с интенсивностью менее кавитационного порога может приводить к повышению жизнедеятельности клеток и к увеличению числа этих микроорганизмов, что вместо положительного эффекта приведет к отрицательному. Ультразвук, применяемый в терапии и диагностике, не вызывает кавитации в тканях. Это обусловлено либо заведомо низкими интенсивностями (от 0,05 до 0,1 Вт/см 2), либо использованием интенсивных (до 1 кВт/см 2), но коротких импульсов (от 1 до 10 мкс) при эхолокации внутренних органов. Усредненная по времени интенсивность ультразвука оказывается и в этом случае не выше 0,1-10 4 Вт/м 2 , что недостаточно для возникновения кавитации.

Нагревание тканей при их облучении терапевтическим ультразвуком весьма незначительно. Так, при облучении отдельных органов у коров в месте воздействия ультразвука температура кожи повышается не более чем на 1 °С при интенсивности 10 4 Вт/м 2 . При облучении ультразвуком теплота в основном выделяется не в объеме ткани, а на границах раздела тканей с разными акустическими сопротивлениями, или в одной и той же ткани на неоднородностях ее структуры. Возможно, что именно этим объясняется тот факт, что ткани со сложной структурой (легкие) более чувствительны к ультразвуку, чем однородные ткани (печень и др.). Сравнительно много тепла выделяется на границе мягких тканей и кости.

Не менее существенными могут оказаться и эффекты, связанные с потенциалом Дебая. Импульсы диагностического ультразвука способны обусловить в тканях потенциал Дебая до сотен мВ, что сравнимо по порядку величины с потенциалами клеточных мембран, а это может вызвать деполяризацию мембран и повышение их проницаемости по отношению к ионам, участвующим в клеточном метаболизме. Следует отметить, что изменение проницаемости клеточных мембран является универсальной реакцией на ультразвуковое воздействие, независимо от того, какой из факторов ультразвука, действующих на клетки, превалирует в том или ином случае.

Таким образом, биологическое действие ультразвука обусловлено многими связанными между собой процессами, некоторые из которых еще недостаточно исследованы до настоящего времени и описание которых не входит в задачу учебного пособия. Согласно В.Б. Акопяну, ультразвук вызывает в биологических объектах следующую цепочку превращений: ультразвуковое воздействие ® микропотоки в клетке ® повышение проницаемости клеточных мембран ® изменение состава внутриклеточной среды ® нарушение оптимальных условий для ферментативных процессов ® подавление ферментативных реакций в клетке ® синтез новых ферментов в клетке и т. д. Пороговым для биологического действия ультразвука будет такое значение его интенсивности, при котором не происходит нарушения проницаемости клеточных мембран, т. е. интенсивность не выше 0,01·10 4 Вт/м 2 .

Ультразвук, обладающий сильным биологическим свойством, можно применять в сельском хозяйстве. Опыты последних лет показали перспективность воздействия низкочастотным ультразвуком на семена злаковых и огородных культур, кормовых и декоративных растений.

УЛЬТРАЗВУК В МИРЕ ЖИВОТНЫХ

Некоторые птицы, ведущие ночной образ жизни, используют для эхолокации звуки слышимого диапазона (козодои, стрижи-саланганы). Козодои, например, издают резкие отрывистые крики с частой 7 кГц. После каждого крика птица улавливает звук, отраженный от препятствия, и узнает местоположение этого препятствия по направлению, откуда пришло эхо. Зная скорость распространения звука и время, прошедшее от его испускания до приема, можно вычислить расстояние до препятствия. Таких вычислений птица, конечно, не делает, но каким-то образом ее мозг позволяет хорошо ориентироваться в пространстве.

Наибольшего совершенства достигли ультразвуковые эхолокационные органы у летучих мышей. Поскольку пищей для них служат насекомые, т. е. предметы малых размеров, то для уменьшения дифракции на подобных объектах необходимо использовать колебания с малой длиной волны. В самом деле, если принять, что размер насекомого 3 мм, то дифракция на нем будет незначительной при длине волны такого же порядка величины, а для этого частота колебаний должна быть, по крайней мере, равной n = c /l = 340/3·10 –3 » 10 5 Гц = 100 кГц. Отсюда вытекает необходимость использования для эхолокации ультразвука, и, действительно, летучие мыши испускают сигналы с частотами порядка 100 кГц. Процесс эхолокации происходит следующим образом. Зверек испускает сигнал длительностью 1–2 мс, причем на это время его чувствительные ушки закрываются специальными мышцами. Затем сигнал прекращается, ушки открываются, и летучая мышь слышит отраженный сигнал. Во время охоты сигналы следуют один за другим до 250 раз в секунду.

Чувствительность эхолокационного аппарата летучих мышей очень высока. Так, например, Гриффин натягивал в темной комнате сетку из металлических проволок диаметром 0,12 мм с расстоянием между проволоками в 30 см, что лишь немного превышало размах крыльев летучих мышей. Тем не менее, зверьки свободно летали по комнате, не задевая за проволоки. Мощность воспринимаемого ими сигнала, отраженного от проволоки, была порядка 10 –17 Вт. Удивительна также способность летучих мышей выделять нужный сигнал из хаоса звуков. Во время охоты каждая летучая мышь воспринимает только те УЗ сигналы, которые она испускает сама. Очевидно, органы этих животных имеют строгую резонансную настройку на сигналы определенной частоты, и они не реагируют на сигналы, отличающиеся от собственных всего на долю герца. Такой избирательностью и чувствительностью не обладает пока ни одно локационное устройство, созданное человеком. Широко используют УЗ локацию дельфины. Чувствительность их локатора настолько велика, что они могут обнаруживать на расстоянии 20–30 м опущенную в воду дробинку. Диапазон частот, испускаемых дельфинами, составляет от нескольких десятков герц до 250 кГц, но максимум интенсивности приходится на 20–60 кГц. Для внутривидового общения дельфины используют звуки слышимого человеком диапазона, примерно до 400 Гц.

Ультразвуком называют упругие волны (волны, распространяющиеся в жидких, твёрдых и газообразных средах за счёт действия упругих сил), частота которых лежит за пределами слышимого для человека диапазона - приблизительно от 20 кГц и выше.

Полезные особенности ультразвуковых волн

И хотя физически ультразвук имеет ту же природу, что и слышимый звук, отличаясь лишь условно (более высокой частотой), именно благодаря более высокой частоте ультразвук оказывается применим по ряду полезных направлений. Так, при измерении скорости ультразвука в твердом, жидком или газообразном веществе, получают очень незначительные погрешности при мониторинге быстропротекающих процессов, при определении удельной теплоемкости (газа), при измерении упругих постоянных твердых тел.

Высокая частота при малых амплитудах дает возможность достигать повышенных плотностей потоков энергии, ибо энергия упругой волны пропорциональна квадрату ее частоты. Кроме того ультразвуковые волны, используемые правильным образом позволяют получить ряд совершенно особенных акустических эффектов и явлений.

Одно из таких необычных явлений - акустическая кавитация, возникающая при направлении мощной ультразвуковой волны в жидкость. В жидкости, в поле действия ультразвука, крохотные пузырьки пара или газа (субмикроскопического размера) начинают расти до долей миллиметров в диаметре, при этом пульсируя с частотой волны и схлопываясь в положительной фазе давления.

Захлопывающийся пузырек порождает локально высокий импульс давления, измеряемый тысячами атмосфер, становясь источником ударных сферических волн. Акустические микропотоки, образующиеся возле таких пульсирующих пузырьков, возымели полезное применение для получения эмульсий, очистки деталей и т. д.

Фокусируя ультразвук, получают звуковые изображения в акустической голографии и в системах звуковидения, концентрируют звуковую энергию с целью формирования направленных излучений с заданными и управляемыми характеристиками направленности.

Используя ультразвуковую волну в качестве дифракционной решетки для света, можно для тех или иных целей изменять показатели преломления света, поскольку плотность в ультразвуковой волне, как и в упругой волне в принципе, периодически изменяется.

Наконец, особенности, связанные со скоростью распространения ультразвука. В неорганических средах ультразвук распространяется со скоростью, зависящей от упругости и плотности сред.

Что касается сред органических, то здесь на скорость влияют границы и их характер, то есть фазовая скорость зависит от частоты (дисперсия). Ультразвук затухает с удалением фронта волны от источника - фронт расходится, ультразвук рассеивается, поглощается.

Внутреннее трение среды (сдвиговая вязкость) приводит к классическому поглощению ультразвука, кроме того релаксационное поглощение для ультразвука превосходит классическое. В газе ультразвук затухает сильнее, в твердых и в жидких телах - гораздо слабее. В воде, например, затухает в 1000 раз медленнее чем в воздухе. Так, промышленные области применения ультразвука почти целиком связаны с твердыми и жидкими телами.

Ультразвук в эхолокации и гидролокации (пищевая, оборонная, добывающая промышленности)

Первый прообраз гидролокатора был создан для предотвращения столкновений судов со льдинами и айсбергами, русским инженером Шиловским вместе с французским физиком Ланжевеном в далеком 1912 году.

Прибор использовал принцип отражения и приема звуковой волны. Сигнал направлялся в определенную точку, а по задержке ответного сигнала (эхо), зная скорость звука, можно было судить о расстоянии до отразившего звук препятствия.

Шиловский и Ланжевен стали глубоко исследовать гидроакустику, и вскоре создали прибор, способный обнаруживать вражеские подводные лодки в Средиземном море на расстоянии до 2 километров. Все современные гидролокаторы, в том числе военные, - потомки того самого прибора.

Современные эхолоты для исследования рельефа дна состоят из четырех блоков: передатчика, приемника, преобразователя и экрана. Функция передатчика - отправлять вглубь воды ультразвуковые импульсы (50 кГц, 192 кГц или 200 кГц), которые распространяются в воде со скоростью 1,5 км/с, где отражаются от рыб, камней, других предметов и дна, затем эхо достигает приемника, обрабатывается преобразователем и результат отображается на дисплее в удобной для зрительного восприятия форме.

Ультразвук в электронной и электроэнергетической промышленности

Без ультразвука не обходятся многие области современной физики. Физика твердого тела и полупроводников, а также акустоэлектроника, во многом тесно сопряжены с ультразвуковыми методами исследований, - с воздействиями на частоте от 20 кГц и выше. Особенное место занимает здесь акустоэлектроника, где ультразвуковые волны взаимодействуют с электрическими полями и электронами внутри твердых тел.

Объемные ультразвуковые волны используются на линиях задержки и в кварцевых резонаторах с целью стабилизации частоты в современных радиоэлектронных системах обработки и передачи информации. Поверхностные акустические волны занимают особое место в полосовых фильтрах для телевидения, в синтезаторах частот, в устройствах переноса заряда акустической волной, в устройствах памяти и считывания изображений. Наконец, корреляторы и конвольверы - используют в своей работе поперечный акустоэлектрический эффект.

Радиоэлектроника и ультразвук

Для задержки одного электрического сигнала относительно другого полезны ультразвуковые линии задержки. Электрический импульс преобразуется в импульсное механическое колебание ультразвуковой частоты, которое распространяется многократно медленнее электромагнитного импульса; затем механическое колебание обратно преобразуется в электрический импульс, и получается сигнал, задержанный относительно подаваемого изначально.

Для такого преобразования обычно применяют пьезоэлектрические или магнитострикционные преобразователи, поэтому и линии задержки называются пьезоэлектрическими или магнитострикционными.

В пьезоэлектрической линии задержки электрический сигнал подается на кварцевую пластинку (пьезоэлектрический преобразователь), соединенную жестко с металлическим стрежнем.

К другому концу стержня присоединен второй пьезоэлектрический преобразователь. Входной преобразователь принимает сигнал, создает механические колебания, распространяющиеся по стрежню, и когда колебания достигают через стержень второго преобразователя, вновь получается электрический сигнал.

Скорость распространения колебаний по стержню сильно меньше чем просто у электрического сигнала, поэтому сигнал, прошедший через стержень задерживается относительно подаваемого на величину, связанную с разностью скоростей электромагнитных и ультразвуковых колебаний.

Магнитострикционная линия задержки сдержит входной преобразователь, магниты, звукопровод, выходной преобразователь и поглотители. Входной сигнал подается на первую катушку, в стержневом звукопроводе из магнитострикционного материала начинаются колебания ультразвуковой частоты - механические колебания - магнит создает здесь постоянное подмагничивание в зоне преобразования и начальную магнитную индукцию.

Ультразвук в обрабатывающей промышленности (резка и сварка)

Между источником ультразвука и деталью располагают абразивный материал (кварцевый песок, алмаз, камень и т. д.). Ультразвук действует на частицы абразива, которые в свою очередь с частотой ультразвука ударяют о деталь. Материал детали под воздействием огромного количества крохотных ударов абразивных зерен разрушается, - так происходит обработка.

Резание складывается с движением подачи, при этом продольные колебания резания являются основными. Точность ультразвуковой обработки зависит от зернистости абразива, и достигает 1 мкм. Таким путем делают сложные вырезы, необходимые в изготовлении металлических деталей, шлифовке, гравировке и сверлении.

Если необходимо сварить разнородные металлы (или даже полимеры) или толстую деталь объединить с тонкой пластиной - на помощь опять же приходит ультразвук. Это так называемая . Под действием ультразвука в области сварки металл становится очень пластичным, детали можно очень легко вращать во время соединения под любыми углами. И стоит отключить ультразвук - детали мгновенно соединятся, схватятся.

Особенно примечательно, что сварка происходит при температуре ниже температуры плавления деталей, и соединение их происходит фактически в твердом состоянии. Но так сваривают и стали, и титан, и даже молибден. Тонкие листы свариваются проще всего. Данный метод сварки не предполагает особой подготовки поверхности деталей, это касается и металлов и полимеров.

Ультразвук в металлургии (ультразвуковая дефектоскопия)

Ультразвуковая дефектоскопия является одним из эффективнейших методов контроля качества металлических деталей без разрушения. В однородных средах ультразвук распространяется без быстрых затуханий направленно, и на границе сред ему свойственно отражение. Так металлические детали проверяют на наличие внутри них раковин и трещин (граница сред воздух-металл), выявляют повышенную усталость металла.

Ультразвук способен проникнуть в деталь на глубину до 10 метров, причем размеры выявляемых дефектов имеют порядок 5 мм. Существуют: теневой, импульсный, резонансный, структурного анализа, визуализации, - пять методов ультразвуковой дефектоскопии.

Простейший метод - теневая ультразвуковая дефектоскопия, данный метод строится на ослаблении ультразвуковой волны, когда она наталкивается на дефект при прохождении сквозь деталь, поскольку дефект создает ультразвуковую тень. Работают два преобразователя: первый излучает волну, второй - принимает.

Данный метод малочувствителен, дефект обнаруживается лишь в случае, если его влияние изменяет сигнал минимум на 15%, к тому же нельзя определить глубину, где в детали находится дефект. Более точные результаты дает импульсный ультразвуковой метод, он показывает еще и глубину.

Ультразвук – это область физики и техники, которая работает с высокочастотными звуковыми волнами. Главное условие, чтобы частота колебаний была выше 20 кГц, то есть 20 тысяч колебаний в секунду. Человеческий слух может воспринимать колебания максимум до 18 кГц, поэтому ультразвуковые волны не слышны для нас. Ультразвуковые волны имеют огромное количество медицинских и промышленных применений. Они используются в инструментах для резки, чистки, смешивания, проверки и пайки.

Ультразвуковые волны могут быть созданы тремя основными способами: путем подачи переменного тока через кристалл кварция; механическим способом – с помощью специальной сирены (рупора); с помощью воздействия магнитным полем на полый металлический стержень.

Еще в 1890 году Пьер Кюри обнаружил первый способ получения ультразвуковых колебаний. Во время второй мировой войны ультразвук нашел свое первое применение – для обнаружения субмарин под водой с помощью акустического сонара. В наши дни ультразвуковые волны нашли много важных применений.

В медицине ультразвук нашел очень широкое применение. Ультразвуковое обследование или УЗИ – это способ обследования внутренних органов пациента без операции и облучения рентгеновскими лучами. УЗИ предполагает исследование с помощью специального зонда, который помещается на поверхности кожи и излучает низкоэнергетические ультразвуковые волны внутрь организма. Отражаясь от разных тканей волны возвращаются к зонду, где преобразуются в электрический сигнал, который потом отображается на мониторе. УЗИ может быть использовано для выявления опухолей, диагностики заболеваний желчного пузыря, почек, печени и некоторых других органов. Кроме того, ультразвук используется для диагностирования состояния развития ребенка во время беременности.

Ультразвуковая энергия большей мощности может использоваться для разогрева тканей внутри организма. Этот метод может быть применен для лечения артрита, бурсита, мышечной дистрофии и других тканей. В стоматологии ультразвук применяется дл чистки зубов от зубного камня.

Другое важное свойство ультразвука, способность генерировать миллионы маленьких пузырьков в жидкости, позволяет использовать его для чистки деталей. Этот процесс называется кавитацией. Он используется для чистки лопастей винтов кораблей, хирургических инструментов и других объектов, где необходима высокая степень очистки.

Похожая с кавитацией техника позволяет использовать ультразвук для механической обработки различных твердых материалов, даже стали и бриллиантов. Жидкость и абразивный материал преобразуются ультразвуком в непрерывный поток, который способен резать материалы. Эта технология даже применяется для бурения горных пород.

Еще одно применение ультразвук нашел в области диагностирования металлических изделий на износ и брак. Посланный внутрь детали ультразвуковой поток волн, отражается от трещин и неоднородностей обратно к излучателю. Эта особенность позволяет обследовать детали транспортных средств, станков и сооружений на наличие скрытых и опасных дефектов.

Кроме вышеперечисленных применений, ультразвуковые волны также используются для окрашивания, смешивания жидкостей, пайки металлов, а также в средствах дистанционного управления и охранных сигнализациях.