Ультразвук и его применение

Оглавление Оглавление 1 Вступление 7 Часть I. Теоретические основы акустики. 10 Глава 1. Немного истории. 1. Открытия в области звуковых колебаний. 2. Рождение ультразвука. 14 Глава 2. Волны и колебания. 1. Колебания. 1. Периодическое движение. 2. Свободные колебания. 3. Маятник; кинематика его колебаний.

4. Гармоническое колебание. Частота. 5. Динамика гармонических колебаний. 6. Период. 7. Сдвиг фаз. 8. Вынужденные колебания. 9. Резонанс 2. Волны. 1. Поперечные волны в шнуре 2. Продольные волны в столбе воздуха 3. Звуковые колебания 28 2.2.4.

Музыкальный тон. Громкость и высота тона 5. Акустический резонанс 6. Шумы 7. Волны на поверхности жидкости 8. Скорость распространения волн 9. Радиолокация, гидроакустическая локация и звукометрия 10. Отражение волн 11. Отражение плоских волн. 12. Перенос энергии волнами 3. Звук и его характеристики.

3.1 Звуковые колебания. 2. Высота звука. 3. Громкость звука. 4. Тембр звука. 5. Восприятие созвучий 6. Устройство уха. Резонансная теория Гельмгольца 64 Глава 3. Ультразвук и его свойства. 68 3.1. Что такое ультразвук. 1.1 Характеристика ультразвука.

2. Ультразвук как упругие волны. 3. Специфические особенности ультразвука 2. Скорость звука. 1. Измерение скорости звука. 2. Дисперсия. 3. Эффект Доплера в акустике. 3. Ослабление звука с расстоянием 1. Ослабление звука для сферических волн. 2. Поглощение звука.

3. Коэффициент поглощения звука. 4. Коэффициент поглощения ультразвука в воздухе. 5. Молекулярное поглощение и дисперсия ультразвука 6. Физический механизм молекулярного поглощения. 4. Дифракция и интерференция. 1. Понятие Дифракции.

2. Интерференция звука 3. Акустооптическая дифракция. 4. Дифракция света на ультразвуке в анизотропной среде. 5. Применение на практике акустооптической дифракции. 115 Часть II. Ультразвуковая аппаратура. 117 Глава 1. Введение в ультразвуковую аппаратуру. 1. Обзор мировой ситуации.

2. Действующие факторы и особенности ультразвукового воздействия 3. Общие требования к ультразвуковым аппаратам 124 Глава 2. Схемы и характеристики аппаратуры. 1. Ультразвуковые колебательные системы 1. Общая характеристика. 2. Ультразвуковые преобразователи 3. Согласование преобразователей со средой 145 2.1.4.

Конструкция колебательной системы 5. Рабочие инструменты, соединения и опоры 2. Генераторы ультразвуковых колебаний 1. Общая характеристика. 2. Ультразвуковые генераторы с независимым возбуждением 3. Генераторы с самовозбуждением 4. Генераторы с автоподстройкой частоты 3. Конструкции многофункциональных аппаратов 179 2.3.1.

Многофункциональный аппарат для индивидульного потребителя 2. Многофункциональный аппарат мощностью 40 вт (миксер "алёна"). 3. Многофункциональный ультразвуковой аппарат мощностью 160 вт. (электронный фитомиксер "алёна") 4. Многофункциональный аппарат мощностью 400 вт ("сонатор - 22/04 - 01") 187 Глава 3. Алгоритм обработки изображений при

УЗ-диагностике. 1. Общая характеристика. 1. История 2. Биофизика ультразвука. 3. Лучевая безопасность ультразвукового исследования 4. Общая схема ультразвукового аппарата. 2. Методы и алгоритмы обработки изображений 1. Принципы обработки. 2. Линейное контрастирование 196 3.2.3.

Пороговая обработка 4. Алгоритмы линейной фильтрации изображений 5. Медианный фильтр 6. Выделение контуров 7. Градиентный метод 8. Метод активных контуров 3. Пример ультразвуковой диагностики. 1. Методика ультразвуковой ангиографии печени. 2. Техника проведения ультразвуковой ангиографии печени.

3. Ультразвуковая картина печени при гепатите 4. Ультразвуковая диагностика острого гепатита 5. Ультразвуковая диагностика хронического гепатита 216 Часть III. Применение ультразвука. 220 Глава 1. Применение ультразвука в промышленности. 1. Применение ультразвуковых аппаратов для обработки растворов.

1. Ультразвуковая обработка мяса и рыбопродуктов 2. Ультразвуковая обработка молока 3. Интенсификация процессов приготовления сыров 4. Применение ультразвука при приготовлении соков 5. Применение ультразвука в сельском хозяйстве 6. Ультразвуковое снятие заусенцев. 7. Ультразвуковая дегазация жидкостей 231 1.1.8.

Ультразвуковая мойка и очистка 2. Применение ультразвуковых многофункциональных аппаратов для обработки твердых тел 1. Общая характеристика. 1. Ультразвуковая размерная обработка 2. Соединение порлимерных материалов под действием ультразвука 242 Глава 2. Применение ультразвука в медицине. 248 2.1.

Диагностика. 1. Принципы УЗ-диагностики. 248 2.1.2. Эхо-имульсивные методы визуализациии измерений 3. Акушерство 4. Офтальмология 5. Исследование внутренних органов 6. Приповерхносные и наружные органы 7. Кардиология 8. Неврология 9. Использование эффекта Доплера в диагностике.

256 2.2. Применение ультразвука в терапии и хирургии 257 2.2.1. Принципы применения УЗ в терапии и хирургии 257 2.2.2. Нагрев 257 2.2.3. Увеличение растяжимости коллагенсодержащих тканей 258 2.2.4. Повышение подвижности суставов 258 2.2.5. Болеутоляющее действие 258 2.2.6. Изменения кровотока 258 2.2.7. Уменьшение мышечного спазма 259 2.2.8.

Хирургия с помощью фокусированного ультразвука. 259 2.2.9. Ускорение регенерации тканей. 260 2.2.10. Лечение трофических язв. 261 2.2.11. Ускорение рассасывания отеков. 261 2.2.12. Заживление переломов. 261 2.2.13. Ультразвук и косметика 262 2.3. Ультразвук в стоматологии. 262 2.3.1. История. 262 2.3.2.

Пародонтология. 263 2.3.3. Эндодонтия. 263 2.3.4. Хирургия. 263 2.3.5. Ультазвуковая терапия. 264 2.3.6. Профилактика и гигиена. 264 2.3.7. Дезинфекция и очистка. 264 Глава 3. Применение ультразвука в фармации. 265 3.1. Обработка растворов. 265 3.1.1. Ускорение процессов растворения 265 3.1.2. Приготовление эмульсий 268 3.1.3. Ультразвуковая стерилизация жидких сред 277 3.2.

Обработка природного сырья. 279 3.2.1. Ускорение процессов экстрагирования лекарственного сырья 279 3.2.2. Ультразвуковое диспергирование и приготовление суспензий 284 Заключение. 290 Список использованной литературы. 293 Вступление Понятие «ультразвук» приобрело в настоящее время более широкий смысл, чем просто обозначение высокочастотной части спектра акустических волн. С ним связаны целые области современной физики, промышленной

технологии, информационной и измерительной техники, медицины и биологии. Хотя первые ультразвуковые исследования были выполнены ещё в позапрошлом веке, основы широкого практического применения ультразвука были заложены позже, в 1-й трети 20 в. Как область науки и техники ультразвук получил особенно бурное развитие в последние три-четыре десятилетия. Это связано с общим прогрессом акустики как науки и, в частности, со становлением и развитием таких

её разделов, как нелинейная акустика и квантовая акустика, а также с развитием физики твёрдого тела, электроники и в особенности с рождением квантовой электроники. Широкое распространение ультразвуковых методов обусловлено появлением новых надёжных средств излучения и приёма акустических волн, с одной стороны, обеспечивших возможность существенного повышения излучаемой ультразвуковой мощности и увеличения чувствительности при приёме слабых сигналов, а с другой — позволивших

продвинуть верхнюю границу диапазона излучаемых и принимаемых волн в область гиперзвуковых частот. Характерной особенностью современного состояния физики и техники ультразвука является чрезвычайное многообразие его применений, охватывающих частотный диапазон от слышимого звука до предельно достижимых высоких частот и область мощностей от долей милливатта до десятков киловатт. Ультразвук применяется в металлургии для воздействия на расплавленный металл и в микроэлектронике и

приборостроении для прецизионной обработки тончайших деталей. В качестве средства получения информации он служит как для измерения глубины, локации подводных препятствий в океане, так и для обнаружения микродефектов в ответственных деталях и изделиях. Ультразвуковые методы используются для фиксации малейших изменений химического состава веществ и для определения степени затвердевания бетона в теле плотины.

В области контрольно-измерительных применений ультразвука в самостоятельный, установившийся раздел выделилась ультразвуковая дефектоскопия, возможности которой и разнообразие решаемых ею задач существенно возросли. В самое последнее время сформировались как самостоятельные области акустоэлектроника и акустооптика. Первая из них связана с обработкой электрических сигналов, использующей преобразование их в ультразвуковые. Из устройств акустоэлектроники наиболее известными и давно используемыми являются линии задержки и

фильтры. Достижения в области изучения поверхностных волн, генерации и приёма гиперзвуковых волн, установление связи упругих волн с элементарными возбуждениями в твёрдом теле привели к существенному расширению возможностей этих устройств и к созданию новых приборов акустоэлектроники, обеспечивающих более сложную обработку сигналов. Акустооптика, связанная с обработкой световых сигналов посредством ультразвука, является одной из самых молодых и быстро развивающихся областей ультразвуковой техники.

К новейшим ультразвуковым методам принадлежит акустическая голография, перспективы которой весьма многообещающи, поскольку она создаёт возможность получения изображений предметов в непрозрачных для световых лучей средах. Рассматривая многообразие практических применений ультразвуковых колебаний и волн, нельзя не упомянуть об ультразвуковой медицинской диагностике, которая даёт в ряде случаев более детальную информацию и является более безопасной, чем другие методы диагностики.

Об ультразвуковой терапии, занявшей прочное положение среди современных физиотерапевтических методов, и, наконец, о новейшем направлении применения ультразвука в медицине — ультразвуковой хирургии. Наряду с применениями практического характера, ультразвук играет важную роль в научных исследованиях. Нельзя себе представить современную физику твёрдого тела без применения ультразвуковых и гиперзвуковых методов, без понятия о фотонах, их поведении и взаимодействиях с различными полями и возбуждениями в

твёрдом теле. В изучении жидкостей и газов широко используются методы молекулярной акустики; всё большую роль играют ультразвуковые методы в биологии. Интерес к ультразвуку, к ультразвуковой технике всё возрастает, благодаря его проникновению в самые различные области человеческой деятельности. Растёт число публикаций о нём в газетах и журналах, в популярных изданиях. Инженеры и научные работники, занятые в самых различных областях народного хозяйства и науки, оценивают

возможности использования ультразвуковых методов для своих конкретных задач и в связи с этим хотят получить представление о различных аспектах физики и техники ультразвука на современном уровне. Однако имеющаяся научно-техническая литература в настоящее время не в состоянии полностью удовлетворить такую потребность. Известные издания общего характера, посвящённые физике и технике ультразвука, зачастую не соответствуют современному состоянию науки. Опубликованные в последние годы специальные монографии

научного и прнкладного характера предназначены для подготовленных читателей, обладающих достаточным запасом знаний в области акустики и смежных разделов физики, например, физики твёрдого тела, или в какой-то определенной, связанной с ультразвуком отрасли техники. В данной работе я попытался обобщить собранные мною данные об ультразвуке, выделить наиболее современные и актуальные. Часть I. Теоретические основы акустики

Глава 1. Немного истории 1.1. Открытия в области звуковых колебаний Звуки начали изучать ещё в далёкой древности. Первые наблюдения по акустики были проведены в VI веке до нашей эры. Пифагор установил связь между высотой тона и длиной струны или трубы издавающей звук. В IV в. до н.э. Аристотель первый правильно представил, как распространяется звук в воздухе. Он сказал, что звучащее тело вызывает сжатие и разрежение воздуха и объяснил эхо отражением звука от

препятствий. В XV веке Леонардо да Винчи сформулировал принцип независимости звуковых волн от различных источников. В 1660 году в опытах Роберта Бойля было доказано, что воздух является проводником звука (в вакууме звук не распространяется). В 1700 - 1707 гг. вышли вышли мемуары Жозефа Савёра по акустике, опубликованные Парижской Академией наук. В этих мемуарах Савёр рассматривает явление, хорошо известное конструкторам органов:

если две трубы органа издают одновременно два звука, лишь немного отличающиеся по высоте, то слышны периодические усиления звука, подобные барабанной дроби. Савёр объяснил это явление периодическим совпадением колебаний обоих звуков. Если, например, один из двух звуков соответствует 32 колебаниям в секунду, а другой - 40 колебаниям , то конец четвёртого колебания первого звука совпадает с концом пятого колебания второго

звука и, таким образом происходит усиление звука. От органных труб Савёр перешёл к экcпирементальному исследованию колебаний струны, наблюдая узлы и пучности колебаний (эти названия, существующие и до сих пор в науке, введены им), а также заметил, что при возбуждении струны наряду с основной нотой звучат и другие ноты, длина волны которых составляет 1/2, 1/3, 1/4, от основной. Он назвал эти ноты высшими гармоническими тонами, и этому названию суждено было остаться в

науке. Наконец, Савёр первый пытался определить границу восприятия колебаний как звуков: для низких звуков он указал границу в 25 колебаний в секунду, а для высоких - 12 800. За тем, Ньютон, основываясь на этих экспериментальных работах Савёра, дал первый расчет длины волны звука и пришел к выводу, хорошо известному сейчас в физике, что для любой открытой трубы длина волны испускаемого звука равна удвоенной длине трубы. "

И в этом состоят главнейшие звуковые явления". После экспериментальных исследований Савёра к математическому рассмотрению задачи о колеблющейся струне в 1715 г. приступил английский математик Брук Тейлор, положив этим начало математической физике в собственном смысле слова. Ему удалось рассчитать зависимость числа колебаний струны от её длины, веса, натяжения и местного значения ускорения силы тяжести. Эта задача сразу же стала широко известна и привлекла внимание

почти всех математиков XVIII века, вызвав долгую и плодотворную дискуссию. Ею занимались среди прочих Иоганн Бернулли и его сын Даниил Бернулли, Риккати и Даламбер. Последний нашел уравнения в частных производных, определяющие малые колебания однородной струны, и проинтегрировал их методом, применяемым и поныне. Но наиболее существенный вклад внес Эйлер. Ему мы обязаны полной теорией колебаний струны, начало построению

которой было положено в 1739 году в его труде "Опыт новой теории музыки" и продолжалось в многочисленных последующих докладах. В частности, из теории Эйлера вытекало, что скорость распространения волны по струне не зависит от длины волны возбуждаемого звука. Эйлер производил также теоретические исследования колебаний стержней, колец, колоколов, но полученные результаты не совпали с результатами экспериментальной проверки, предпринятой

немецким физиком Эрнестом Флоресом Фридрихом Хладни, которого считают отцом экспериментальной акустики. Хладни первым точно исследовал колебания камертона и в 1796 году установил законы колебаний стержней. Фактическое объяснение эха, явления довольно капризного, также принадлежит Хладни, по крайней мере в существенных частях. Ему мы обязаны и новым экспериментальным определением верхней границы слышимости звука, соответствующей 20 000 колебаний в секунду.

Эти измерения, многократно повторяемые физиками до сих пор, весьма субъективны и зависят от интенсивности и характера звука. Но особенно известны опыты Хладни в 1787 году по исследованию колебаний пластин, при которых образуются красивые "акустические фигуры", носящие названия фигур Хладни и получающиеся, если посыпать колеблющуюся пластинку песком. Эти экспериментальные исследования поставили новую задачу математической физики - задачу о колебаниях

мембраны. Хладни начал исследования продольных волн в твердых телах и сопоставил продольные и поперечные колебания стержня при различных способах возбуждения (ударом, трением и др.). Исследование продольных волн были продолжены экспериментально Саваром, а теоретически - Лапласом и Пуассоном. В XVIII веке было исследовано много других акустических явлений (скорость распространения звука в твердых телах и в газах, резонанс, комбинационные тона и др.

). Все они объяснялись движением частей колеблющегося тела и частиц среды, в которой распространяется звук. Иными словами, все акустические явления объяснялись как механические процессы. В 1787 году Хладни, основоположник экспериментальной акустики открыл продольные колебания струн, пластин, камертонов и колоколов. Он первый достаточно точно измерил скорость распространения звуковых волн в различных газах. Доказал, что в твёрдых телах звук распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью,

и в 1796 году определил скорость звуковых волн в твёрдых телах по отношению звука в воздухе. Он изобрёл ряд музыкальных инструментов. В 1802 году вышел труд Эрнеста Хладни "Акустика", где он дал систематическое изложение акустики. После Хладни французский учёный Жан Батист Био в 1809 году измерял скорость звука в твёрдых телах. В 1800 году английский учёный Томас Юнг открыл явление интерференции звука и установил принцип суперпозиции

волн. В 1816 году французский физик Пьер Симон Лаплас вывел формулу для скорости звука в газах. В 1827 году Ж. Колладон и Я. Штурм провели опыт на Женевском озере по определению скорости звука в воде, получив значение 1435 м/с. В 1842 году австрийский физик Христиан Доплер предположил влияние относительного движения на высоту тона (эффект Доплера). А в 1845 году Х. Бейс-Баллот экспериментально обнаружил эффект

Допплера для акустических волн. В 1877 году американский учёный Томас Алва Эдисон изобрёл устройство для записи и воспроизведения звука, который потом сам же в 1889 году усовершенствовал. Изобретённый им способ звукозаписи получил название механического. В 1880 году французские учёные братья Пьер и Поль Кюри сделали открытие, которое оказалось очень важным для акустики.

Они обнаружили, что, если кристалл кварца сжать с двух сторон, то на гранях кристалла появляются электрические заряды. Это свойство - пьезоэлектрический эффект - для обнаружения не слышимого человеком ультразвука. И наоборот, Если к граням кристалла приложить переменное электрическое напряжение, то он начнёт колебаться, сжимаясь и разжимаясь. 1.2. Рождение ультразвука В 1880 году французские физики, братья Пьер и Поль Кюри, заметили, что при сжатии и растяжении кристалла кварца с двух сторон на его гранях,

перпендикулярных направлению сжатия, появляются электрические заряды. Это явление было названо пьезоэлектричеством (от греческого «пьезо» – «давлю»), а материалы с такими свойствами – пьезоэлектриками. Позже это явление объяснили анизотропией кристалла кварца – разные физические свойства вдоль разных граней. Во время первой мировой войны французский исследователь Поль Ланжевен предложил использовать пьезоэлектрический эффект для обнаружения подводных лодок.

Если пьезоэлектрик встречает на своем пути ультразвуковую волну от винта лодки, которая распространяется со скоростью 1460 км/с, то она сжимает его грани, и на них появляются электрические заряды. Сжимаясь и разжимаясь, кристалл как бы генерирует переменный электрический ток, который можно измерить чувствительными приборами. Если же к граням кристалла приложить переменное напряжение, он сам начнет колебаться, сжимаясь и разжимаясь с частотой переменного напряжения.

Эти колебания кристалла передаются среде, граничащей с кристаллом (воздуху, воде, твердому телу). Так возникает ультразвуковая волна. Ланжевен попробовал зарядить грани кварцевого кристалла электричеством от генератора переменного тока высокой частоты. При этом он заметил, что кристалл колеблется в такт изменению напряжения. Чтобы усилить эти колебания, ученый вложил между стальными листами-электродами не одну, а несколько пластинок и добился возникновения резонанса – резкого увеличения амплитуды колебаний.

Эти исследования Ланжевена позволили создавать ультразвуковые излучатели различной частоты. Позже появились излучатели на основе титаната бария, а также других кристаллов и керамики, которые могут быть любой формы и размеров. Ультразвук можно получить и другим способом. В 1847 году английский физик Джеймс Джоуль обнаружил, что при перемагничивании электрическим током железных и никелевых стержней они то уменьшаются, то увеличиваются в такт изменениям направления тока.

При этом в окружающей среде возбуждаются волны, частота которых зависит от колебаний стержня. Это явление назвали магнитострикцией (от латинского «стриктус» – «сжатие»). Ультразвук оказался просто находкой для решения технических, научных и медицинских задач. С помощью сфокусированного пучка ультразвуковых волн распыляют некоторые жидкости, например, ароматические вещества, лекарственные препараты. Получающийся «ультразвуковой туман», как правило, более качественный,

чем аэрозольный. И сам этот метод экологически более безопасный, так как можно отказаться от фторсодержащих газов, которые используются в аэрозольных баллончиках. Глава 2. Волны и колебания 2.1. Колебания 2.1.1. Периодическое движение Среди всевозможных совершающихся вокруг нас механических движений часто встречаются повторяющиеся движения. Любое равномерное вращение является повторяющимся движением: при каждом обороте всякая точка равномерно

вращающегося тела проходит те же положения, что и при предыдущем обороте, причем в такой же последовательности и с такой же скоростью. В действительности не всегда и не при всяких условиях повторение совершенно одинаково. В одних случаях каждый новый цикл очень точно повторяет предыдущий, в других случаях различие между следующими друг за другом циклами может быть заметным. Отклонения от совершенно точного повторения очень часто настолько малы, что ими можно пренебречь и

считать движение повторяющимся вполне точно, т.е. считать его периодическим. Периодическим называется повторяющееся движение, у которого каждый цикл в точности воспроизводит любой другой цикл. Продолжительность одного цикла называется периодом. Очевидно, период равномерного вращения равен продолжительности одного оборота. 2.1.2. Свободные колебания В природе, и особенно в технике, чрезвычайно большую роль играют колебательные

системы, т.е. те тела и устройства, которые сами по себе способны совершать периодические движения. «Сами по себе» - это значит не будучи принуждаемы к этому действием периодических внешних сил. Такие колебания называются поэтому свободными колебаниями в отличие от вынужденных, протекающих под действием периодически меняющихся внешних сил. Всем колебательным системам присущ ряд общих свойств: У каждой колебательной системы есть состояние устойчивого равновесия.

Если колебательную систему вывести из состояния устойчивого равновесия, то появляется сила, возвращающая систему в устойчивое положение. Возвратившись в устойчивое состояние, колеблющееся тело не может сразу остановиться. 2.1.3. Маятник; кинематика его колебаний Маятником является всякое тело, подвешенное так, что его центр тяжести находится ниже точки подвеса. Молоток, висящий на гвозде, весы, груз на веревке – все это колебательные системы, подобные маятнику

стенных часов. У всякой системы, способной совершать свободные колебания, имеется устойчивое положение равновесия. У маятника это положение, при котором центр тяжести находится на вертикали под точкой подвеса. Если мы выведем маятник из этого положения или толкнем его, то он начнет колебаться, отклоняясь то в одну сторону, то в другую сторону от положения равновесия. Наибольшее отклонение от положения равновесия, до которого доходит маятник, называется амплитудой колебаний.

Амплитуда определяется тем первоначальным отклонением или толчком, которым маятник был приведен в движение. Это свойство – зависимость амплитуды от условий в начале движения – характерно не только для свободных колебаний маятника , но и вообще для свободных колебаний очень многих колебательных систем. Прикрепим к маятнику волосок и будем двигать под этим волоском закопченную стеклянную пластинку. Если двигать пластинку с постоянной скоростью в направлении, перпендикулярном к плоскости колебаний,

то волосок прочертит на пластинки волнистую линию. Мы имеем в этом опыте простейший осциллограф – так называются приборы для записи колебаний. Таким образом волнистая линия представляет собой осциллограмму колебаний маятника.