Ultraljud

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 7 oktober 2021; kontroller kräver 13 redigeringar .

Ultraljud  - ljudvågor som har en högre frekvens än de som uppfattas av det mänskliga örat , vanligtvis betyder ultraljud frekvenser över 20 000 hertz .

Även om förekomsten av ultraljud har varit känd under lång tid, började dess praktiska användning ganska nyligen. Nuförtiden används ultraljud i stor utsträckning i olika fysiska och tekniska metoder. Så, enligt hastigheten för ljudutbredning i ett medium, bedöms dess fysiska egenskaper. Hastighetsmätningar vid ultraljudsfrekvenser gör det möjligt att, med mycket små fel, bestämma till exempel de adiabatiska egenskaperna för snabba processer, värdena på gasernas specifika värmekapacitet och de elastiska konstanterna för fasta ämnen.

Källor för ultraljud

Frekvensen av ultraljudsvibrationer som används inom industri och biologi ligger i intervallet från flera tiotals kHz till enheter av MHz . Högfrekventa svängningar skapas vanligtvis med piezokeramiska radiatorer , till exempel från bariumtitanit. I de fall då kraften hos ultraljudsvibrationer är av primär betydelse, används vanligtvis mekaniska ultraljudskällor. Inledningsvis togs alla ultraljudsvågor emot mekaniskt (stämgafflar, visselpipor, sirener).

I naturen finns ultraljud både som komponenter i många naturliga ljud (i bruset från vind, vattenfall, regn, i bruset från småsten som rullas av havets bränningar, i ljuden som åtföljer blixtljud, etc.), och bland ljuden av djurvärlden . Vissa djur använder ultraljudsvågor för att upptäcka hinder, navigera i rymden och kommunicera ( valar , delfiner , fladdermöss , gnagare , tarsers ).

Ultraljudssändare kan delas in i två stora grupper. Den första inkluderar emittergeneratorer ; svängningar i dem är upphetsade på grund av närvaron av hinder i vägen för ett konstant flöde - en stråle av gas eller vätska. Den andra gruppen av sändare är elektroakustiska givare; de omvandlar de redan givna fluktuationerna av elektrisk spänning eller ström till en mekanisk vibration av en fast kropp, som utstrålar akustiska vågor i omgivningen.

Whistle of Galton

Den första ultraljudsvisslan gjordes 1883 av engelsmannen Francis Galton .

Ultraljud skapas här som ett högt ljud på kanten av en kniv när en luftström träffar den. Rollen för en sådan spets i Galton-visseln spelas av en "läpp" i en liten cylindrisk resonanshålighet. Högtrycksgas som passerar genom en ihålig cylinder träffar denna "läpp"; svängningar uppstår, vars frekvens (cirka 170 kHz) bestäms av storleken på munstycket och läppen. Kraften i Galton-visslan är låg. Den används främst för att ge kommandon vid träning av hundar och katter.

Flytande ultraljudsvissla

De flesta ultraljudsvisslor kan anpassas för att fungera i ett flytande medium. Jämfört med elektriska ultraljudskällor har flytande ultraljudsvisslor låg effekt, men ibland, till exempel för ultraljudshomogenisering, har de en betydande fördel. Eftersom ultraljudsvågor uppstår direkt i ett flytande medium, sker ingen energiförlust för ultraljudsvågor under övergången från ett medium till ett annat. Den kanske mest framgångsrika är designen av en flytande ultraljudsvisselpipa, gjord av de engelska forskarna Kottel och Goodman i början av 1950-talet. I den kommer en högtrycksvätskeström ut från ett elliptiskt munstycke och riktas mot en stålplåt.

Olika modifieringar av denna design har blivit ganska utbredda för att erhålla homogena medier. På grund av enkelheten och stabiliteten i deras design (endast den oscillerande plattan förstörs) är sådana system hållbara och billiga.

Siren

En siren  är en mekanisk källa till elastiska vibrationer, inklusive ultraljud. Deras frekvensområde kan vara upp till 100 kHz , men sirener är kända för att fungera upp till 600 kHz. Effekten av sirener når tiotals kW .

Luftdynamiska sirener används för signalering och tekniska ändamål ( koagulering av fina aerosoler ( dimma ), skumdestruktion , acceleration av mass- och värmeöverföringsprocesser, etc.).

Alla rotationssirener består av en kammare som är stängd uppifrån av en skiva (stator) i vilken ett stort antal hål görs. Det finns samma antal hål på skivan som roterar inuti kammaren - rotorn. När rotorn roterar, sammanfaller läget för hålen i den periodiskt med hålens läge på statorn. Tryckluft tillförs kontinuerligt kammaren, som kommer ut ur den i de korta ögonblicken när hålen på rotorn och statorn sammanfaller.

Frekvensen av ljud i sirener beror på antalet hål och deras geometriska form, och rotorns rotationshastighet.

Ultraljud i naturen

Fladdermöss , som använder ekolokalisering för nattorientering , avger signaler med extremt hög intensitet genom sina munnar (läder - Vespertilionidae) eller en parabolisk spegelformad näsöppning (hästskor - Rhinolophidae). På ett avstånd av 1-5 cm från djurets huvud når ultraljudstrycket 60 mbar , det vill säga det motsvarar i frekvensområdet som vi hör ljudtrycket som skapas av en jackhammer. Fladdermöss kan uppfatta ekot av sina signaler vid ett tryck på endast 0,001 mbar, det vill säga 10 000 gånger mindre än det av de utsända signalerna. Samtidigt kan fladdermöss kringgå hinder under flygning även när ultraljudsstörningar med ett tryck på 20 mbar överlagras på ekolokaliseringssignalerna. Mekanismen för denna höga brusimmunitet är ännu inte känd. När fladdermöss lokaliserar föremål, till exempel, spelar vertikalt utsträckta trådar med en diameter på endast 0,005 - 0,008 mm på ett avstånd av 20 cm (halva vingspannet), tidsförskjutningen och skillnaden i intensitet mellan de utsända och reflekterade signalerna en avgörande roll . Hästskofladdermöss kan också navigera med endast ett öra (monoaural), vilket i hög grad underlättas av stora kontinuerligt rörliga öron. De kan till och med kompensera för frekvensförskjutningen mellan emitterade och reflekterade signaler på grund av Dopplereffekten (när man närmar sig ett objekt är ekot högre i frekvens än signalen som skickas). Genom att sänka ekolokaliseringsfrekvensen under flygning så att frekvensen av det reflekterade ultraljudet förblir i området för maximal känslighet för deras "hörselcentra", kan de bestämma hastigheten på sin egen rörelse.

Fjärilar från björnfamiljen har utvecklat en ultraljudsljudgenerator som "slår av spåren" av fladdermöss som jagar dessa insekter.

Ekolokalisering används också för navigering av fåglar - feta nattskärror, eller guajaros. De bor i bergsgrottorna i Latinamerika - från Panama i nordväst till Peru i söder och Surinam i öster. När de lever i beckmörker har feta nattskärror dock anpassat sig för att mästerligt flyga genom grottorna. De avger mjuka klickljud som också uppfattas av det mänskliga örat (deras frekvens är cirka 7 kHz). Varje klick varar en till två millisekunder. Klickljudet reflekteras från fängelsehålans väggar, olika avsatser och hinder och uppfattas av fågelns känsliga hörsel.

Valar använder ultraljudsekolokalisering i vatten .

Egenskaper

Förökning av ultraljud

Utbredning av ultraljud är processen för rörelse i rum och tid av störningar som äger rum i en ljudvåg.

En ljudvåg fortplantar sig i ett ämne som är i gasformigt, flytande eller fast tillstånd i samma riktning som partiklarna av detta ämne förskjuts, det vill säga den orsakar deformation av mediet. Deformationen består i det faktum att det sker en successiv sällsynthet och komprimering av vissa volymer av mediet, och avståndet mellan två angränsande områden motsvarar längden på ultraljudsvågen. Ju större det specifika akustiska motståndet hos mediet är, desto större är graden av kompression och sällsynthet hos mediet vid en given oscillationsamplitud.

Partiklarna i mediet som är involverade i överföringen av vågenergi svänger runt sin jämviktsposition. Hastigheten med vilken partiklarna svänger runt sin genomsnittliga jämviktsposition kallas vibrationshastigheten. Partiklarnas vibrationshastighet ändras enligt ekvationen:

,

där V är storleken på vibrationshastigheten;

Vibrationshastighetens amplitud kännetecknar den maximala hastighet med vilken mediets partiklar rör sig i svängningsprocessen, och bestäms av frekvensen av svängningar och amplituden för förskjutningen av partiklarna i mediet.

.

Trycket som utövas på mediets partiklar under vågutbredning är resultatet av verkan av elastiska och tröghetskrafter. De senare orsakas av accelerationer , vars storlek också växer över en period från noll till ett maximum (accelerationens amplitudvärde). Dessutom ändrar accelerationen under perioden sitt tecken.

De maximala värdena för acceleration och tryck, som uppstår i mediet under passagen av ultraljudsvågor i det, sammanfaller inte i tid för en given partikel. I det ögonblick när accelerationsskillnaden når sitt maximum blir tryckskillnaden lika med noll. Amplitudvärdet för acceleration (a) bestäms av uttrycket:

Om färdande ultraljudsvågor kolliderar med ett hinder upplever det inte bara ett variabelt tryck utan också ett konstant. De områden med förtjockning och sällsynthet av mediet som uppstår under passagen av ultraljudsvågor skapar ytterligare tryckförändringar i mediet i förhållande till det yttre trycket som omger det. Detta extra yttre tryck kallas strålningstryck (strålningstryck). Det är anledningen till att när ultraljudsvågor passerar genom gränsen för en vätska med luft, bildas fontäner av vätska och individuella droppar lossnar från ytan. Denna mekanism har funnit tillämpning vid bildandet av aerosoler av medicinska substanser. Strålningstryck används ofta vid mätning av kraften hos ultraljudsvibrationer i speciella mätare - ultraljudsvågar .

Absorption av ultraljudsvågor

Eftersom mediet i vilket ultraljud fortplantar sig har viskositet, värmeledningsförmåga och andra orsaker till intern friktion, sker absorption under vågutbredning, det vill säga när avståndet från källan ökar, blir amplituden och energin hos ultraljudsvibrationer mindre. Mediet i vilket ultraljud fortplantas interagerar med energin som passerar genom det och absorberar en del av det. Den övervägande delen av den absorberade energin omvandlas till värme, en mindre del orsakar irreversibla strukturella förändringar i det överförande ämnet. Absorption är resultatet av friktionen av partiklar mot varandra, i olika medier är det olika. Absorptionen beror också på frekvensen av ultraljudsvibrationer. Teoretiskt är absorptionen proportionell mot kvadraten på frekvensen.

Absorptionsvärdet kan karakteriseras av absorptionskoefficienten , som visar hur intensiteten av ultraljud förändras i det bestrålade mediet. Det ökar med frekvensen. Intensiteten hos ultraljudsvibrationer i ett medium minskar exponentiellt . Denna process beror på intern friktion, värmeledningsförmåga hos det absorberande mediet och dess struktur. Det kännetecknas preliminärt av storleken på det halvabsorberande skiktet, som visar på vilket djup intensiteten av svängningar minskar med hälften (mer exakt, med 2,718 gånger eller med 63%). Enligt Palman, vid en frekvens lika med 0,8 MHz, är medelvärdena för det halvabsorberande skiktet för vissa vävnader följande: fettvävnad - 6,8 cm; muskulös - 3,6 cm; fett- och muskelvävnader tillsammans - 4,9 cm Med en ökning av frekvensen av ultraljud minskar värdet på det semi-absorberande lagret. Så, vid en frekvens på 2,4 MHz, minskar intensiteten av ultraljud som passerar genom fett- och muskelvävnad med hälften på ett djup av 1,5 cm.

Dessutom är onormal absorption av energin från ultraljudsvibrationer i vissa frekvensområden möjlig - detta beror på egenskaperna hos den molekylära strukturen hos en given vävnad. Det är känt att 2/3 av ultraljudsenergin är dämpad på molekylnivå och 1/3 på nivå med mikroskopiska vävnadsstrukturer.

Penetrationsdjup för ultraljudsvågor

Under djupet av penetration av ultraljud förstå djupet där intensiteten halveras. Detta värde är omvänt proportionellt mot absorptionen: ju starkare mediet absorberar ultraljud, desto mindre är avståndet vid vilket ultraljudsintensiteten dämpas med hälften.

Spridning av ultraljudsvågor

Om det finns inhomogeniteter i mediet uppstår ljudspridning , vilket avsevärt kan förändra den enkla bilden av ultraljudsutbredning och i slutändan också få vågen att dämpas i den ursprungliga utbredningsriktningen.

Refraktion av ultraljudsvågor

Eftersom det akustiska motståndet hos mänskliga mjuka vävnader inte skiljer sig mycket från motståndet hos vatten, kan det antas att brytning av ultraljudsvågor kommer att observeras vid gränsytan mellan media (epidermis - dermis - fascia - muskel).

Reflektion av ultraljudsvågor

Ultraljudsdiagnostik bygger på fenomenet reflektion . Reflektion sker i gränsområdena av hud och fett, fett och muskler, muskler och ben. Om ultraljudet stöter på ett hinder under fortplantningen, uppstår reflektion, om hindret är litet, så flyter ultraljudet runt det, som det var. Organismens heterogeniteter orsakar inte signifikanta avvikelser, eftersom deras dimensioner (0,1-0,2 mm) kan försummas jämfört med våglängden (2 mm). Om ultraljud på väg stöter på organ som är större än våglängden, så uppstår brytning och reflektion av ultraljud. Den starkaste reflektionen observeras vid benets gränser - omgivande vävnader och vävnader - luft. Luft har en låg densitet och nästan fullständig reflektion av ultraljud observeras. Reflektion av ultraljudsvågor observeras vid gränsen av muskeln - periosteum - ben, på ytan av ihåliga organ.

Resande och stående ultraljudsvågor

Om de under utbredningen av ultraljudsvågor i mediet inte reflekteras, bildas resande vågor . Som ett resultat av energiförluster avtar de oscillerande rörelserna hos partiklarna i mediet gradvis, och ju längre partiklarna är placerade från den utstrålande ytan, desto mindre är amplituden för deras svängningar.

Om det på vägen för utbredning av ultraljudsvågor finns vävnader med olika specifika akustiska motstånd, reflekteras ultraljudsvågor i viss utsträckning från gränssektionen. Överlagring av infallande och reflekterade ultraljudsvågor kan leda till stående vågor . För att stående vågor ska uppstå måste avståndet från emitterytan till den reflekterande ytan vara en multipel av halva våglängden.

Tillämpningar av ultraljud

Diagnostiska tillämpningar inom medicin ( ultraljud )

På grund av den goda utbredningen av ultraljud i mänskliga mjukdelar, dess relativa ofarlighet jämfört med röntgenstrålning och användarvänlighet jämfört med magnetisk resonanstomografi , används ultraljud i stor utsträckning för att visualisera tillståndet hos mänskliga inre organ, särskilt i bukhålan och bäckenhålan .

Terapeutiska tillämpningar inom medicin

Förutom att vara flitigt använt för diagnostiska ändamål (se ultraljud ), har ultraljud tillämpningar inom medicin (inklusive regenerativ medicin) som behandlingsverktyg .

Ultraljud har följande effekter :

Fonofores  är en kombinerad behandlingsmetod där en terapeutisk substans (både läkemedel och substanser av naturligt ursprung) appliceras på vävnaden istället för den vanliga gelen för ultraljudsutsläpp (används till exempel vid ultraljud). Det antas att ultraljud hjälper det terapeutiska ämnet att tränga djupare in i vävnaderna.

Applikationer i produktion

På konventionella metallskärmaskiner är det omöjligt att borra ett smalt hål av komplex form i en metalldel, till exempel i form av en femuddig stjärna. Med hjälp av ultraljud är detta möjligt: ​​en magnetostriktiv vibrator kan borra hål av vilken form som helst. En ultraljudsmejsel ersätter helt en fräsmaskin. Samtidigt är en sådan mejsel mycket enklare än en fräs och det är billigare och snabbare att bearbeta metalldelar med den än med en fräs.

Ultraljud kan till och med göra spiralskärning i metalldelar, i glas, i rubin, i diamant. Vanligtvis görs tråden först i mjuk metall, och sedan härdas delen. På en ultraljudsmaskin kan trådar tillverkas i redan härdad metall och i de hårdaste legeringarna. Samma sak med stämplar. Normalt är stämpeln härdad efter att den har blivit noggrant färdig. På en ultraljudsmaskin utförs den mest komplexa behandlingen av ett slipmedel (smargel, korundpulver) i området för en ultraljudsvåg. Kontinuerligt oscillerande inom ultraljudsområdet skär fasta pulverpartiklar in i legeringen som bearbetas och skär ett hål av samma form som mejseln.

Beredning av blandningar med hjälp av ultraljud

Ultraljud används ofta för framställning av homogena blandningar ( homogenisering ). De resulterande emulsionerna spelar en viktig roll i modern industri, dessa är: lacker, färger, farmaceutiska produkter, kosmetika.

1927 upptäckte amerikanska forskare Limus och Wood att om två oblandbara vätskor (till exempel olja och vatten) hälls i en bägare och utsätts för ultraljudsstrålning, så bildas en emulsion i bägaren , det vill säga en fin suspension av olja i vatten. Denna process uppstår på grund av fenomenet kavitation , som börjar när vissa tröskelvärden för strålningsintensitet överskrids (vatten - 1 W / cm 2 , olja - 4 W / cm 2 ). Med en förändring i tryck, temperatur och exponeringstid kan kavitation börja med lägre effekt [1] .

Tillämpningar i biologi

Ultraljuds förmåga att bryta cellmembran har funnits användbar inom biologisk forskning, till exempel för att separera en cell från enzymer vid behov . Ultraljud används också för att förstöra intracellulära strukturer som mitokondrier och kloroplaster för att studera sambandet mellan deras struktur och funktion.

En annan tillämpning av ultraljud inom biologi är relaterad till dess förmåga att inducera mutationer . Studier gjorda i Oxford har visat att även lågintensivt ultraljud kan skada DNA- molekylen. . Artificiellt målmedvetet skapande av mutationer spelar en viktig roll i växtförädlingen . Den största fördelen med ultraljud framför andra mutagener (röntgenstrålar, ultravioletta strålar) är att det är extremt lätt att arbeta med.

Ansökan om rengöring

Användningen av ultraljud för mekanisk rengöring är baserad på förekomsten av olika olinjära effekter i en vätska under dess påverkan. Dessa inkluderar kavitation , akustiska strömmar , ljudtryck . Huvudrollen spelas av kavitation. Dess bubblor, som uppstår och kollapsar nära föroreningar, förstör dem. Denna effekt är känd som kavitationserosion . Ultraljudet som används för dessa ändamål har en låg frekvens och ökad effekt.

Under laboratorie- och produktionsförhållanden används ultraljudsbad fyllda med ett lösningsmedel (vatten, alkohol, etc.) för att tvätta små delar och redskap. Ibland tvättas även rotfrukter för att rengöra dem från marken (potatis, morötter, rödbetor, etc.).

I vardagen, för att tvätta textilier , används speciella ultraljudsavgivande enheter, placerade i en separat behållare.

Applikationer i ekolokalisering

Fiskeindustrin använder ultraljudsekolokalisering för att upptäcka fiskstim . Ultraljudsvågor reflekteras från fiskstim och anländer till ultraljudsmottagaren tidigare än ultraljudsvågen som reflekteras från botten.

Ultraljudsparkeringssensorer används i bilar .

Applikationer inom flödesmätning

Sedan 1960-talet har ultraljudsflödesmätare använts inom industrin för att kontrollera flödet och ta hänsyn till vatten och kylvätska .

Applikation i feldetektering

Ultraljud fortplantar sig bra i vissa material, vilket gör det möjligt att använda det för ultraljudsfelsökning av produkter gjorda av dessa material. Nyligen har riktningen för ultraljudsmikroskopi utvecklats, vilket gör det möjligt att studera underytan hos ett material med god upplösning.

Ultraljudssvetsning

Ultraljudssvetsning  - trycksvetsning, utförd under påverkan av ultraljudsvibrationer. Denna typ av svetsning används för att ansluta delar vars uppvärmning är svår; vid sammanfogning av olika metaller, metaller med starka oxidfilmer (aluminium, rostfritt stål, permalloy magnetiska kärnor, etc.), vid produktion av integrerade kretsar.

Tillämpningar inom elektroplätering

Vid elektroplätering används ultraljud för att intensifiera galvaniska processer och förbättra kvaliteten på beläggningar som produceras med en elektrokemisk metod.

Informationssäkerhet

Ultraljud används i den sk. akustiska kassaskåp för att blockera mikrofonerna på mobiltelefoner och ljudinspelningsenheter.

Se även

Länkar

Anteckningar

  1. ↑ Zarembo L.K., Krasilnikov V.A. Introduktion till icke-linjär akustik. Ljud och ultraljudsvågor med stor intensitet. - 1966. - 519 sid. - ISBN 978-5-458-49876-0 .