2000-luku on radioelektroniikan, atomin, avaruustutkimuksen ja ultraäänen vuosisata. Ultraäänitiede on nykyään suhteellisen nuori. 1800-luvun lopulla venäläinen fysiologi P. N. Lebedev suoritti ensimmäiset tutkimuksensa. Sen jälkeen monet tunnetut tiedemiehet alkoivat tutkia ultraääntä.
Mikä on ultraääni?
Ultraääni on etenevä a altoileva värähtelevä liike, jonka väliaineen hiukkaset tekevät. Sillä on omat ominaisuutensa, joissa se eroaa kuuloalueen äänistä. Ultraäänialueella on suhteellisen helppoa saada suunnattua säteilyä. Lisäksi se keskittyy hyvin ja tämän seurauksena tehtyjen värähtelyjen voimakkuus kasvaa. Kiinteissä aineissa, nesteissä ja kaasuissa leviäessään ultraääni synnyttää mielenkiintoisia ilmiöitä, jotka ovat löytäneet käytännön käyttöä monilla tekniikan ja tieteen aloilla. Tätä on ultraääni, jonka rooli elämän eri aloilla on nykyään erittäin suuri.
Ultraäänen rooli tieteessä ja käytännössä
Ultraäänellä on viime vuosina ollut merkitystä tieteellisessä tutkimuksessayhä tärkeämpi rooli. Kokeelliset ja teoreettiset tutkimukset akustisten virtausten ja ultraäänikavitaation alalla suoritettiin onnistuneesti, mikä antoi tutkijoille mahdollisuuden kehittää teknologisia prosesseja, jotka tapahtuvat, kun ne altistetaan ultraäänelle nestefaasissa. Se on tehokas menetelmä tutkia erilaisia ilmiöitä sellaisella tiedon alalla kuin fysiikka. Ultraääntä käytetään esimerkiksi puolijohde- ja puolijohdefysiikassa. Nykyään muodostetaan erillinen kemian haara, jota kutsutaan "ultraäänikemiaksi". Sen käyttö mahdollistaa monien kemiallisteknologisten prosessien nopeuttamisen. Syntyi myös molekyyliakustiikka - uusi akustiikan haara, joka tutkii äänia altojen molekyylien vuorovaikutusta aineen kanssa. Ultraäänen uusia sovellusalueita on ilmaantunut: holografia, introskopia, akustoelektroniikka, ultraäänifaasimittaus, kvanttiakustiikka.
Kokeellisen ja teoreettisen työn lisäksi tällä alalla on tänään tehty paljon käytännön työtä. Erikois- ja universaaleja ultraäänikoneita, kohonneessa staattisessa paineessa toimivia asennuksia on kehitetty jne. Tuotantolinjoihin sisältyvät automaattiset ultraäänilaitteistot on otettu tuotantoon, mikä voi merkittävästi lisätä työn tuottavuutta.
Lisätietoja ultraäänestä
Puhutaanpa lisää siitä, mitä ultraääni on. Olemme jo sanoneet, että nämä ovat elastisia a altoja ja värähtelyjä. Ultraäänen taajuus on yli 15-20 kHz. Kuulomme subjektiiviset ominaisuudet määräävät ultraäänitaajuuksien alarajan, jokaerottaa sen kuuluvan äänen taajuudesta. Tämä raja on siis ehdollinen, ja jokainen meistä määrittelee eri tavalla, mitä ultraääni on. Yläraja ilmaistaan elastisilla aalloilla, niiden fyysisellä luonteella. Ne leviävät vain aineellisessa väliaineessa, eli aallonpituuden tulee olla huomattavasti suurempi kuin kaasussa olevien molekyylien keskimääräinen vapaa reitti tai atomien väliset etäisyydet kiinteissä aineissa ja nesteissä. Kaasujen normaalipaineessa ultraäänitaajuuksien yläraja on 109 Hz ja kiinteissä aineissa ja nesteissä - 1012-10 13 Hz.
Ultraäänilähteet
Ultraääntä esiintyy luonnossa sekä monien luonnonäänien osana (vesiputous, tuuli, sade, surffauksen pyörittämät kivet sekä ukkosmyrskyjen mukana tulevat äänet jne.) että olennainen osa eläinten maailma. Jotkut eläinlajit käyttävät sitä avaruudessa suuntautumiseen, esteiden havaitsemiseen. Tiedetään myös, että delfiinit käyttävät ultraääntä luonnossa (lähinnä taajuuksia 80-100 kHz). Tässä tapauksessa niiden lähettämien sijaintisignaalien teho voi olla hyvin suuri. Delfiinien tiedetään pystyvän havaitsemaan kalaparvia jopa kilometrin päästä.
Ultraäänen lähettäjät (lähteet) on jaettu 2 suureen ryhmään. Ensimmäinen on generaattorit, joissa värähtelyt kiihtyvät, koska niissä on esteitä, jotka on asennettu jatkuvan virtauksen tielle - neste- tai kaasusuihku. Toinen ryhmä, johon ultraäänilähteet voidaan yhdistää, onsähköakustiset muuntimet, jotka muuttavat tietyt virran tai sähköjännitteen vaihtelut kiinteän kappaleen aiheuttamaksi mekaaniseksi värähtelyksi, joka säteilee akustisia a altoja ympäristöön.
Ultraäänivastaanottimet
Keski- ja matalilla taajuuksilla ultraäänivastaanottimet ovat useimmiten pietsosähköisiä sähköakustisia muuntajia. Ne voivat toistaa vastaanotetun akustisen signaalin muodon, joka esitetään äänenpaineen aikariippuvuutena. Laitteet voivat olla joko laajakaistaisia tai resonoivia riippuen käyttöolosuhteista, joihin ne on tarkoitettu. Lämpövastaanottimia käytetään äänikentän aikakeskiarvoisten ominaisuuksien saamiseksi. Ne ovat termistoreita tai termopareja, jotka on päällystetty ääntä vaimentavalla aineella. Äänenpainetta ja intensiteettiä voidaan arvioida myös optisilla menetelmillä, kuten valon diffraktiolla ultraäänellä.
Missä ultraääntä käytetään?
Sen käyttöalueita on monia, kun taas käytetään erilaisia ultraäänen ominaisuuksia. Nämä alueet voidaan karkeasti jakaa kolmeen alueeseen. Ensimmäinen niistä liittyy erilaisten tietojen hankkimiseen ultraäänia altojen avulla. Toinen suunta on sen aktiivinen vaikutus aineeseen. Ja kolmas liittyy signaalien siirtoon ja käsittelyyn. Kussakin tapauksessa käytetään tietyn taajuusalueen US:ta. Käsittelemme vain muutamia niistä monista alueista, joille se on löytänyt tiensä.
Ultraäänipuhdistus
Tämän puhdistuksen laatua ei voi verrata muihin menetelmiin. Esimerkiksi osien huuhtelun yhteydessä jopa 80% epäpuhtauksista jää niiden pinnalle, noin 55% - tärinäpuhdistuksessa, noin 20% - manuaalisessa puhdistuksessa ja ultraäänipuhdistuksessa ei jää enempää kuin 0,5% epäpuhtauksista. Monimutkaisen muotoiset yksityiskohdat voidaan puhdistaa hyvin vain ultraäänen avulla. Sen käytön tärkeä etu on korkea tuottavuus sekä alhaiset fyysisen työn kustannukset. Lisäksi voit korvata kalliit ja syttyvät orgaaniset liuottimet halvoilla ja turvallisilla vesiliuoksilla, käyttää nestemäistä freonia jne.
Vakava ongelma on ilmansaasteet noen, savun, pölyn, metallioksidien jne. kanssa. Voit käyttää ultraäänimenetelmää ilman ja kaasun puhdistamiseen kaasun ulostuloissa ympäristön kosteudesta ja lämpötilasta riippumatta. Jos ultraäänilähetin sijoitetaan pölynkerrostuskammioon, sen tehokkuus kasvaa satoja kertoja. Mikä on tällaisen puhdistuksen ydin? Ilmassa satunnaisesti liikkuvat pölyhiukkaset törmäävät toisiinsa voimakkaammin ja useammin ultraäänivärähtelyn vaikutuksesta. Samaan aikaan niiden koko kasvaa, koska ne sulautuvat yhteen. Koagulaatio on hiukkasten laajentumisprosessi. Erikoissuodattimet sieppaavat niiden painotetut ja suurennetut klusterit.
Hauraiden ja erittäin kovien materiaalien koneistus
Jos tunkeudut työkappaleen ja työkalun työpinnan väliin ultraäänellä, hiomamateriaalia, hankaavia hiukkasia käytön aikanaemitteri vaikuttaa tämän osan pintaan. Tässä tapauksessa materiaali tuhotaan ja poistetaan, ja se käsitellään useiden suunnattujen mikro-iskujen vaikutuksesta. Käsittelyn kinematiikka koostuu pääliikkeestä - leikkauksesta, eli työkalun aiheuttamista pitkittäisvärähtelyistä ja apu - syöttöliikkeestä, jonka kone suorittaa.
Ultraääni voi tehdä erilaisia töitä. Hiomarakeiden energianlähde on pitkittäisvärähtely. Ne tuhoavat käsitellyn materiaalin. Syöttöliike (apu) voi olla ympyrämäistä, poikittaista ja pitkittäistä. Ultraäänikäsittely on tarkempaa. Hioma-aineen raekoon mukaan se vaihtelee 50 - 1 mikroniin. Erimuotoisten työkalujen avulla voit tehdä paitsi reikiä myös monimutkaisia leikkauksia, kaarevia akseleita, kaivertaa, hioa, tehdä matriiseja ja jopa porata timanttia. Hioma-aineena käytetyt materiaalit - korundi, timantti, kvartsihiekka, piikivi.
Ultraääni radioelektroniikassa
Teknologian ultraääntä käytetään usein radioelektroniikan alalla. Tällä alueella on usein tarpeen viivyttää sähköistä signaalia suhteessa johonkin toiseen. Tiedemiehet ovat löytäneet hyvän ratkaisun ehdottamalla ultraääniviivelinjojen (lyhyesti LZ) käyttöä. Niiden toiminta perustuu siihen, että sähköimpulssit muunnetaan mekaanisiksi ultraäänivärähtelyiksi. Miten se tapahtuu? Tosiasia on, että ultraäänen nopeus on huomattavasti pienempi kuin sähkömagneettisten värähtelyjen kehittämä. Pulssijännite käänteisen muuntamisen jälkeen sähkömekaanisiksi värähtelyiksi viivästyy linjan lähdössä suhteessa tulopulssiin.
Pietsosähköisiä ja magnetostriktiivisia muuntimia käytetään muuntamaan sähköinen värähtely mekaaniseksi ja päinvastoin. LZ on jaettu pietsosähköiseen ja magnetostriktiiviseen.
Ultraääni lääketieteessä
Erityyppisiä ultraääniä käytetään vaikuttamaan eläviin organismeihin. Lääketieteellisessä käytännössä sen käyttö on nyt erittäin suosittua. Se perustuu vaikutuksiin, joita esiintyy biologisissa kudoksissa, kun ultraääni kulkee niiden läpi. Aallot aiheuttavat vaihtelua väliaineen hiukkasissa, mikä saa aikaan eräänlaisen kudosmikrohieronnan. Ja ultraäänen absorptio johtaa niiden paikalliseen kuumenemiseen. Samaan aikaan biologisissa väliaineissa tapahtuu tiettyjä fysikaalis-kemiallisia muutoksia. Nämä ilmiöt eivät aiheuta peruuttamattomia vahinkoja kohtuullisen äänenvoimakkuuden tapauksessa. Ne parantavat vain aineenvaihduntaa ja edistävät siten niille altistetun kehon elintärkeää toimintaa. Tällaisia ilmiöitä käytetään ultraäänihoidossa.
Ultraääni leikkauksessa
Kavitaatio ja voimakas kuumennus korkealla intensiteetillä johtavat kudosten tuhoutumiseen. Tätä vaikutusta käytetään nykyään leikkauksessa. Kirurgisissa leikkauksissa käytetään fokusoitua ultraääntä, joka mahdollistaa paikallisen tuhoutumisen syvimmissä rakenteissa (esimerkiksi aivoissa) vahingoittamatta ympäröiviä rakenteita. Ultraääntä käytetään myös leikkauksessatyökaluja, joissa työpää näyttää viil alta, skalpellilta, neul alta. Niihin kohdistuva värähtely antaa näille soittimille uusia ominaisuuksia. Tarvittava voima vähenee merkittävästi, joten leikkauksen traumatismi vähenee. Lisäksi ilmenee analgeettinen ja hemostaattinen vaikutus. Tylsällä ultraäänellä tehdyllä instrumentilla iskua käytetään tuhoamaan tietyntyyppisiä kehoon ilmaantuneita kasvaimia.
Biologisiin kudoksiin kohdistuva vaikutus tapahtuu mikro-organismien tuhoamiseksi ja sitä käytetään lääkkeiden ja lääketieteellisten instrumenttien sterilointiprosesseissa.
Sisäelinten tutkimus
Puhumme pääasiassa vatsaontelon tutkimuksesta. Tätä tarkoitusta varten käytetään erityistä laitetta. Ultraäänellä voidaan löytää ja tunnistaa erilaisia kudos- ja anatomisia poikkeavuuksia. Haaste on usein seuraava: epäillään pahanlaatuista kasvainta ja se on erotettava hyvänlaatuisesta tai tarttuvasta vauriosta.
Ultraääni on hyödyllinen maksan tutkimuksessa ja muissa tehtävissä, joihin kuuluu sappitiehyiden tukosten ja sairauksien havaitseminen sekä sappirakon tutkiminen kivien ja muiden sairauksien havaitsemiseksi siinä. Lisäksi voidaan käyttää maksakirroosin ja muiden diffuusien hyvänlaatuisten maksasairauksien testausta.
Gynekologian alalla, lähinnä munasarjojen ja kohdun analyysissä, ultraäänen käyttö on pitkääpääsuunta, jossa se toteutetaan erityisen menestyksekkäästi. Usein tässä tarvitaan myös hyvänlaatuisten ja pahanlaatuisten muodostumien erottamista, mikä vaatii yleensä parhaan kontrastin ja tilaresoluution. Samanlaiset johtopäätökset voivat olla hyödyllisiä monien muiden sisäelinten tutkimuksessa.
Ultraäänen käyttö hammaslääketieteessä
Ultraääni on löytänyt tiensä myös hammaslääketieteessä, jossa sitä käytetään hammaskiven poistoon. Sen avulla voit poistaa plakin ja kivet nopeasti, verettömästi ja kivuttomasti. Samanaikaisesti suun limakalvo ei vahingoitu, ja ontelon "taskut" desinfioidaan. Kivun sijaan potilas kokee lämmön tunteen.
