Физические свойства ультразвука - Студенческий научный форум

XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Физические свойства ультразвука

 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Рассмотрены особенности звуковых колебаний ультразвукового диапазона частот. Описаны генераторы и приемники ультразвуковых колебаний в воздухе и в воде (гидрофон), эхолокаторы, дефектоскопы. Приводится описание ультразвуковых приборов: ультразвуковое диспергирование, ультразвуковая сварка. Показано эффективное применение ультразвука в медицине: противовоспалительное, рассасывающее действие, спазмолитическое и анальгезирующее действие, усиление проницаемости лекарств в кожу, сканирование, ультразвуковое изображение.

Ключевые слова: ультразвук, эхолокаторы, дефектоскопы, сварка, сканирование

The features of sound vibrations of the ultrasonic frequency range are considered. Described are generators and receivers of ultrasonic vibrations in air and in water (hydrophone), sonars, flaw detectors. The description of ultrasonic devices is given: ultrasonic dispersion, ultrasonic welding. The effective use of ultrasound in medicine has been shown: anti-inflammatory, resorption effect, antispasmodic and analgesic effect, increased permeability of drugs into the skin, scanning, ultrasound image.

Key words: ultrasound, sonar, flaw detectors, welding, scanning

Ультразвук - звуковая волна, частота которой выше 20 кГц (выше, чем воспринимает человеческое ухо). Так же, как и привычный человеку звук, он представляет собой упругие колеблющиеся волны, из-за чего границы разделения обычного и ультразвука весьма условны. Данной границей служит диапазон восприятия звуков человеческим ухом.

Ультразвук имеет ряд некоторых особенностей:

-малая волновая длина позволяет получить сфокусированный пучок большой энергии

-способность к отчётливой акустической тени.

-способность отражаться, поглощаться и преломляться при прохождении через границу раздела двух сред.

-фактическое отсутствие распространения в воздухе.

-измерение скорости с помощью ультразвука позволяет с очень малой погрешностью вычислить значение удельной теплоёмкости газов, упругие постоянных твёрдых тел, а также адиабатические характеристики быстропротекающих процессов.

Ультразвуковые частоты делятся на три типа:

-УНЧ-ультразвук низких частот(20-100 кГц).

-УСЧ-ультразвук средних частот(0,1-10 мГц).

-УВЧ-ультразвук высоких частот(10-1000 мГц).

Ультразвук встречается повсеместно. Его источником могут быть как спонтанные природные явления, например, шум ветра, водопада, дождя; стук гальки в море; гроза; так и животные, например, благодаря ультразвуку ориентируются в пространстве летучие мыши и многие морские обитатели, такие как дельфины и киты.

Также ультразвук можно получить искусственным путём, например, с помощью электро- и магнитострикционных, а также пьезокерамических преобразователей или же механическим путём. Данные излучатели стоит разделить на две группы:

-излучатели-генераторы: устройства, возбуждающие ультразвуковые колебания путём препятствия прохождению потока волн струями жидкостей или газов. Сюда также относятся механические источники, например, свистки или сирены.

-электроакустические преобразователи: устройства, преобразующие заранее заданные звуковые колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твёрдого тела.

Приёмниками ультразвука являются приборы с одноимённым названием, показанные ниже (рис.1):

Рис.1. Схема приемника УЗИ

Данные приёмники используют явление пьезоэлектрического эффекта (возникновение поляризации диэлектрика под действием механического движения). Далее возникают колебания кристаллической пластины (1), вследствие чего на электродах (2) возникает напряжение, фиксируемое регистрирующей системой (3).

Типичным УЗИ-приёмником является гидрофон-прибор для приёма звуков и ультразвуков в воде. Используется как для прослушивания звуков, так и для изучения подводного дна и прочих измерительных целей. Первые модели гидрофонов не были электрическими ипредставляли собой колоколообразную трубу. Нынешние же модели основаны на вышеописанном пьезоэлектрическом эффекте, некоторые из которых способны не только принимать, но и передавать сигнал [1].

Несмотря на то, что уже в 1830 году стало известно о том, что существуют звуки, которые не входят в подходящий для человеческого уха диапазон, только спустя век началось более глубокое изучение ультразвука, преимущественно в области физики. Лишь в 20-х годах XX века изучение дало свои плоды:

-В 1925 г. Г.В. Пирс изготовил акустический интерферометр, что позволило с большой точностью измерить скорость ультразвука.

-В 1937 г. К. Дуссик предпринял попытку обнаружения головной опухоли с помощью ультразвуковой диагностики. Хотя этот эксперимент не дал ожидаемых результатов, полученные результаты позволили в будущем осуществить успешно реализовать данную идею.

Особенно полезным ультразвук оказался в медицине:

-Благодаря хорошему распространению ультразвука в мягких тканях человека, а также его относительной, по сравнению с рентгеновскими лучами, безопасности для организма, очень точно и успешно проводится УЗИ (ультразвуковое исследование), которое позволяет визуализировать человеческие органы, особенно в брюшной полости и области таза [2].

-Помимо использования в диагностических целях, уз также используется как средство лечения, ведь он обладает следующими эффектами:

- противовоспалительными, рассасывающими действиями.

- спазмолитическим и анальгезирующем действием.

-усилением проницаемости лекарств в кожу.

Наряду с медициной, уз широко используется и в других сферах жизнедеятельности человека:

-эхолокация: в рыбной промышленности применяют эхолокаторы и эхолоты, которые позволяют увидеть косяки рыб, с целью упростить работу и уменьшить время поиска. Эхолот состоит из 4 элементов: излучателя, датчика, преобразователя и дисплея. С помощью излучателя вырабатываются особые высокочастотные импульсы частотой от 50 до 200 кГц. Выработанные им волны распространяются в толще воды со скоростью до 5,5 км/ч и отражаются от встретившихся им на пути препятствий, начиная от рыб и заканчивая морским рельефом. Отражённые от объектов сигналы усиливаются в преобразователе и поступают в дисплей, на экране которого они отображаются в удобной для восприятия форме [7].

-дефектоскопия: в связи с тем, что ультразвук хорошо распространяется в некоторых материалах, специальные приборы позволяют с высокой точностью «просканировать» объект и выявить какие-либо проблемы [3].

-ультразвуковое диспергирование: диспергирование- размельчение жидкостей или твёрдых веществ, или, иным словами, переход в дисперсное состояние под действием ультразвуковых волн. Оно позволяет получать высокодисперсные части веществ, средних размер которых едва достигает мкм, а иногда и доли мкм

-ультразвуковая сварка: сварка, источником энергии которой являются ультразвуковые колебания. Применяется точечной и шовной сварке металлов, а также тканей, полупроводниковых материалов и т.д. Она осуществляется при помощи генерирования непрерывных, воздействующих на объект, волн ультразвука частотой от 18 до 180 кГц. Происходит при воздействии на свариваемые поверхности ВЧ колебаний и внешнего давления (рис.2). При воздействии ВЧ колебаний проявляется сухое трение, за счёт чего разрушаются поверхностные плёнки. Впоследствии сухое трение заменяется чистым, и в этот момент образуются узлы сцепления, из-за которых и образуется общая граница.

Рис.2. Схема УЗИ сварки

Такой метод имеет ряд преимуществ, среди которых [1]:

-отсутствие вредных выделений

-возможность сварки крайне тонких материалов (до 0,0001 мм)

-необязательна чистка поверхности - только обезжиривание.

Также есть и ряд недостатков:

- необходимо использовать дорогие генераторы ультразвука,

-крайне малый диапазон толщин свариваемых материалов.

Акустоэлектроника: область сфера физики, изучающая взаимодействие акустических волн, частота которых превышает 20 кГц, с электрическим полем в твёрдых телах. Есть три основных направления изучения акустоэлектроники: электронное поглощение и изменение скорости электрических волн, акустоэлектрический эффект. Акустические волны используются в кварцевых резонаторах и линиях задержки [4].

Гальванотехника: УЗИ применяются для интенсификации гальванических процессов и улучшения качеств покрытий, полученных электрохимическим способом. Специальное оборудование позволяет убрать загрязнения с труднодоступных мест, в особенности щелей и каких-либо отверстий. Это особенно важно в электротехнике и приборостроении. Вдобавок к этому, применение ультразвука делает процесс очистки загрязнений в несколько раз быстрее.

Радиоэлектроника: в радиоэлектронике часто возникает вопрос о задержке одного электрического сигнала относительно другого. Отличным решением вопроса послужило применение ультразвуковых линий задержки (ЛЗ). Суть их заключается в том, что электрические импульсы преобразуются в ультразвуковые, распространение которых во много раз меньше. После таких преобразований импульс напряжения будет задержан на некоторое время. Для таких преобразований используют магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи. Соответственно, и УЗИ бывают магнитострикционными и пьезоэлектрическими [6].

Магнитострикционная линия задержки состоит из магнитов звукопровода, поглотителей, а также входного и выходного преобразователей.

Пьезоэлектрическая линия задержки состоит из пьезоэлектрического преобразователя, звукопровода и ещё одного пьезоэлектрического преобразователя, а именно пластинки кварца.

Сельское хозяйство: уз обработка семян перед посадкой позволяет получить урожай на 20-30% больше, чем без таковой. Также, процесс прорастания позволяет получить урожай на несколько дней раньше.

Военное дело: огромное значение ультразвук играет в военной сфере. После второй мировой войны началась разработка подводных лодок - очень грозного оружия, способного нанести огромный ущерб. Но основная проблема заключалась в том, что они находились вдали от боевых действий под огромной толщей воды, и для точных нанесений ударов было необходимо координировать их действия. И тут пригодился ультразвук. Именно с его помощью происходит координация боевых действий. К слову, больше 60% всего веса подводной ложки приходится на ультразвуковое и гидроакустическое оборудование [5].

Как мы видим, ультразвук широко используется во всех сферах жизни человека - от сельского хозяйства, до координирования подводных лодок. Но это не значит, что на этом его применение заканчивается. Совсем наоборот, множество учёных всего мира работают надо его большим внедрением в нашу жизнь, и основной сферой внедрения является военная.

Человек не способен услышать ультразвук, что даёт большие перспективы в его использовании, как, например, ультразвуковое психотропное оружие.

На практике доказано, что при благоприятных условиях ультразвук определённой интенсивности способен нанести некоторый вред бойцам, вплоть до полной невозможности вести боевые действия, а именно ухудшение самочувствия, потеря координации и нарушениефункционирования некоторых органов чувств, так как хоть человек хоть и не способен услышать ультразвук, органы слуха всё равно способны его улавливать.

-Так, например, американская компания LRAD Corporation представила прототип оружия «directed stick radiator»-устройства в 1 метр длиной, способное стрелять акустической пулей на расстояние до 100 метров. Сама волна обладает мощностью в более чем 140 децибел, что превышает болевой порог человека. Для сравнения, шум вагона метро имеет мощность в 95 децибел. Такой импульс способен полностью обезоружить бойца, не имеющего специальное оборудование.

LRAD также в 2015 году представила миру свою разработку, имеющую одноимённое название – longrange acoustic device. Это устройство имеет широкий спектр выполнимых задач, одной из которых является ведение связи и координация действий отдельных групп бойцов, ведь оно имеет ряд преимуществ:

- очень небольшой размер

-всепогодность

- малая вероятность утечки информации из информационного канала.

Другой задачей LRAD является обезвреживание врагов. Настроив данную остановку определённым образом, волны ультразвука можно использовать в борьбе с преступниками. Действие происходит во многом так же, как dsr- волна ультразвука достигает органов слуха людей, выводя человека из равновесия, из-за чего нарушается координация действий и потеря ориентации в пространстве [5].

К тому же, LRAD обладает функцией массового оповещения. Такая возможность достигается путём передачи ультразвуковых импульсов до необходимого приёмника с невероятно большой скоростью, что увеличивает вероятность спасения человеческих жизней и различных сооружений[5].

Electromagnetic personnel interdiction control - Электромагнитный контроль перехвата персонала, или сокращенно (E.P.I.C), разрабатывается Военно-морскими силами Соединённых Штатов Америки как нелетальное оружие. Эта установка пропускает интенсивные радиочастотные излучения, которые могут проникать сквозь стены и другие преграды и нарушать функции внутренних ушей цели, что влияет на её баланс и координацию и вызывает у неё дискомфорт и потерю самоконтроля. Это оружие предназначено для того, чтобы подавлять врага без особого ущерба для него.

Но дальнейшее применение ультразвука связано не только с целью ведения боевых действий.

Одна компания использует ультразвук с целью создания невидимых кнопок, «находящихся» в воздухе. Ультразвуковые сигналы посылают некий импульс к пальцам, за счёт чего они чувствуют некие тактильные ощущения, что позволяет не бездумно размахивать руками в воздухе или шарить ими по столу в надежде нащупать кнопки, а сразу понимать, где, в случае чего, «появится» такая своеобразная кнопка. Внедрение таких технологий позволит сделать наши гаджеты полностью водонепроницаемыми, ведь нам не понадобится прикасаться к телефону или планшету. Есть вероятность, что такие гаджеты смогут использовать ультразвук в качестве энергии и заряжаться от него, так как механическая энергия будет трансформировать в электрическую [6].

Мы уже прекрасно знаем, что ультразвук используется в медицине с целью «сканирования» человеческого организма, так почему бы не пофантазировать и не почувствовать себя в фантастическом фильме, увидев настоящую голограмму человека. Ведь, как говорилось ранее, некоторые компании работают над созданием ультразвуковых кнопок. Принцип создания голограммы схож: человек встаёт в определённое место перед специальным оборудованием, которое отправляет в сторону него ультразвуковые волны, которые будут отражаться от его тела и возвращаться назад, затем специальный датчик или преобразователь считывает информацию и посылает накопившиеся данные на другой конец, где очередной преобразователь или дисплей проецирует изображение. Либо же это можно представить по-другому: для облегчения работы данной схемы на другом конце можно установить резервуар с водой, или же какую-либо легко деформирующуюся поверхность, тогда проецируемый ультразвук будет ударяться о гладь воды или о какой-либо материал, что значительно облегчит создание голограммы.

Ещё одно изобретение, основанное на применении ультразвука - ультразвуковые очки. Принцип действия этого чуда техники был позаимствован у летучих мышей, которые ориентируются с помощью ультразвука в пространстве. Так же и эти специальные очки, в которые будет интегрирован специальный динамик, преобразователь, генератор волн и т.д., будут посылать импульсы, которые, после отражения от объектов, будут считываться этими очками и посылать какой-либо сигнал в организм с целью предупредить человека или помочь проложить маршрут [6].

Так мы приходим к выводу, что ультразвук повсеместно распространён в мире, очень хорошо исследован учёными, которые нашли ему применение, но и это не всё. Всё чаще в мире появляются новости о новых изобретениях, основанных на ультразвуке.

Список литературы.

1. Ультразвук // wikipedia URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/

2. Ультразвук и его применение // school-science.ru URL: https://school-science.ru/6/11/37948

3. Ультразвук и его источники // вторая индустриализация. рф URL: https://xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai/ultrazvuk-i-ego-istochniki/

4. https://cyberpedia.su/15xbe31.html

5. Звуковое оружие: его возможности и перспективы // topwar.ru URL: https://topwar.ru/97231-zvukovoe-oruzhie-ego-vozmozhnosti-i-perspektivy.html

6. Пять применений ультразвука, которые изменят мир // hi-news.ru URL: https://yandex.ru/turbo/hi-news.ru/s/technology/pyat-primenenij-ultrazvuka-kotorye-izmenyat-mir.html

7. Гидрофон//энциклопедия физики и техники URL:

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/0780.html

Просмотров работы: 21