21. stoletje je stoletje radijske elektronike, atoma, raziskovanja vesolja in ultrazvoka. Znanost o ultrazvoku je danes relativno mlada. Konec 19. stoletja je svoje prve študije opravil P. N. Lebedev, ruski fiziolog. Po tem so številni ugledni znanstveniki začeli preučevati ultrazvok.
Kaj je ultrazvok?
Ultrazvok je razširjajoče se valovito nihajoče gibanje, ki ga delajo delci medija. Ima svoje značilnosti, po katerih se razlikuje od zvokov zvočnega obsega. Relativno enostavno je pridobiti usmerjeno sevanje v ultrazvočnem območju. Poleg tega se dobro osredotoča in posledično se poveča intenzivnost nihanj. Pri širjenju v trdnih snoveh, tekočinah in plinih ultrazvok povzroči zanimive pojave, ki so našli praktično uporabo na številnih področjih tehnologije in znanosti. To je ultrazvok, katerega vloga na različnih področjih življenja je danes zelo velika.
Vloga ultrazvoka v znanosti in praksi
Ultrazvok se je v zadnjih letih začel igrati v znanstvenih raziskavahvedno pomembnejšo vlogo. Uspešno so bile izvedene eksperimentalne in teoretične študije na področju akustičnih tokov in ultrazvočne kavitacije, ki so znanstvenikom omogočile razvoj tehnoloških procesov, ki nastanejo ob izpostavljenosti ultrazvoku v tekoči fazi. Je močna metoda za preučevanje različnih pojavov na področju znanja, kot je fizika. Ultrazvok se uporablja na primer v fiziki polprevodnikov in trdnih snovi. Danes se oblikuje ločena veja kemije, imenovana "ultrazvočna kemija". Njegova uporaba omogoča pospeševanje številnih kemijsko-tehnoloških procesov. Rodila se je tudi molekularna akustika – nova veja akustike, ki proučuje molekularno interakcijo zvočnih valov s snovjo. Pojavila so se nova področja uporabe ultrazvoka: holografija, introskopija, akustoelektronika, ultrazvočno fazno merjenje, kvantna akustika.
Poleg eksperimentalnega in teoretičnega dela na tem področju je bilo danes opravljenega veliko praktičnega dela. Razviti so bili posebni in univerzalni ultrazvočni stroji, inštalacije, ki delujejo pod povišanim statičnim tlakom itd. V proizvodnjo so uvedene avtomatske ultrazvočne naprave, vključene v proizvodne linije, ki lahko znatno povečajo produktivnost dela.
Več o ultrazvoku
Pogovorimo se več o tem, kaj je ultrazvok. Rekli smo že, da so to elastični valovi in nihanja. Frekvenca ultrazvoka je več kot 15-20 kHz. Subjektivne lastnosti našega sluha določajo spodnjo mejo ultrazvočnih frekvenc, kiloči od frekvence slišnega zvoka. Ta meja je torej pogojna in vsak od nas drugače definira, kaj je ultrazvok. Zgornjo mejo označujejo elastični valovi, njihova fizična narava. Razširjajo se le v materialnem mediju, to pomeni, da mora biti valovna dolžina bistveno večja od povprečne proste poti molekul, prisotnih v plinu, ali medatomskih razdalj v trdnih snoveh in tekočinah. Pri normalnem tlaku v plinih je zgornja meja ultrazvočnih frekvenc 109 Hz, v trdnih snoveh in tekočinah - 1012-10 13 Hz.
Ultrazvočni viri
Ultrazvok se v naravi nahaja tako kot sestavni del številnih naravnih zvokov (slap, veter, dež, kamenčki, ki jih vali surf, kot tudi v zvokih, ki spremljajo nevihte, itd.) in kot sestavni del živalski svet. Nekatere vrste živali ga uporabljajo za orientacijo v prostoru, odkrivanje ovir. Znano je tudi, da delfini v naravi uporabljajo ultrazvok (predvsem frekvence od 80 do 100 kHz). V tem primeru je moč lokacijskih signalov, ki jih oddajajo, lahko zelo velika. Znano je, da lahko delfini zaznajo jate rib do kilometer stran.
Oddajniki (viri) ultrazvoka so razdeljeni v 2 veliki skupini. Prvi so generatorji, pri katerih se nihanja vzbujajo zaradi prisotnosti ovir v njih, nameščenih na poti stalnega toka - curka tekočine ali plina. Druga skupina, v katero lahko združimo ultrazvočne vire, jeelektroakustični pretvorniki, ki pretvarjajo dana nihanja toka ali električne napetosti v mehanske vibracije, ki jih ustvari trdno telo, ki oddaja akustične valove v okolje.
Ultrazvočni sprejemniki
Pri srednjih in nizkih frekvencah so ultrazvočni sprejemniki najpogosteje piezoelektrični elektroakustični pretvorniki. Reproducirajo lahko obliko prejetega akustičnega signala, ki je predstavljena kot časovna odvisnost zvočnega tlaka. Naprave so lahko širokopasovne ali resonančne, odvisno od pogojev uporabe, za katere so namenjene. Toplotni sprejemniki se uporabljajo za pridobivanje časovno povprečnih značilnosti zvočnega polja. So termistorji ali termoelementi, prevlečeni s snovjo, ki absorbira zvok. Zvočni tlak in intenzivnost je mogoče oceniti tudi z optičnimi metodami, kot je difrakcija svetlobe z ultrazvokom.
Kje se uporablja ultrazvok?
Obstaja veliko področij njegove uporabe, medtem ko uporablja različne funkcije ultrazvoka. Ta področja lahko v grobem razdelimo na tri področja. Prvi od njih je povezan s pridobivanjem različnih informacij s pomočjo ultrazvočnih valov. Druga smer je njegov aktivni vpliv na snov. In tretji je povezan s prenosom in obdelavo signalov. V vsakem primeru se uporablja US določenega frekvenčnega območja. Pokrili bomo le nekaj od mnogih področij, na katerih je našla pot.
Ultrazvočno čiščenje
Kakovost tega čiščenja se ne more primerjati z drugimi metodami. Pri izpiranju delov, na primer, na njihovi površini ostane do 80 % onesnaževal, približno 55 % - pri čiščenju z vibracijami, približno 20 % - pri ročnem čiščenju, pri ultrazvočnem čiščenju pa ne ostane več kot 0,5 % onesnaževal. Podrobnosti, ki imajo zapleteno obliko, je mogoče dobro očistiti le s pomočjo ultrazvoka. Pomembna prednost njegove uporabe je visoka produktivnost, pa tudi nizki stroški fizičnega dela. Poleg tega lahko draga in vnetljiva organska topila zamenjate s poceni in varnimi vodnimi raztopinami, uporabite tekoči freon itd.
Resna težava je onesnaženost zraka s sajami, dimom, prahom, kovinskimi oksidi itd. Uporabite lahko ultrazvočno metodo čiščenja zraka in plina v izhodih za plin, ne glede na vlažnost in temperaturo okolice. Če je ultrazvočni oddajnik nameščen v komoro za usedanje prahu, se bo njegova učinkovitost več stokrat povečala. Kaj je bistvo takšnega čiščenja? Delci prahu, ki se naključno gibljejo v zraku, se med seboj udarijo močneje in pogosteje pod vplivom ultrazvočnih vibracij. Hkrati se njihova velikost poveča zaradi dejstva, da se združijo. Koagulacija je proces povečanja delcev. Posebni filtri lovijo njihove obtežene in povečane skupine.
Obdelava krhkih in super trdih materialov
Če vnesete med obdelovanec in delovno površino orodja z ultrazvokom, abrazivnim materialom, potem abrazivni delci med delovanjemoddajnik bo vplival na površino tega dela. V tem primeru se material uniči in odstrani, podvrže obdelavi pod delovanjem različnih usmerjenih mikro-udarkov. Kinematika obdelave je sestavljena iz glavnega gibanja - rezanja, to je vzdolžnih tresljajev, ki jih povzroča orodje, in pomožnega - pomika, ki ga stroj izvaja.
Ultrazvok lahko opravlja različna opravila. Za abrazivna zrna so vir energije vzdolžne vibracije. Uničijo predelani material. Gibanje podajanja (pomožno) je lahko krožno, prečno in vzdolžno. Ultrazvočna obdelava je bolj natančna. Odvisno od velikosti zrn abraziva se giblje od 50 do 1 mikrona. Z orodji različnih oblik lahko naredite ne le luknje, temveč tudi zapletene reze, ukrivljene osi, gravirate, brusite, izdelujete matrice in celo vrtate diamant. Materiali, ki se uporabljajo kot abrazivi - korund, diamant, kremenčev pesek, kremen.
Ultrazvok v radijski elektroniki
Ultrazvok v tehnologiji se pogosto uporablja na področju radijske elektronike. Na tem področju je pogosto potrebno odložiti električni signal glede na drug. Znanstveniki so našli dobro rešitev tako, da so predlagali uporabo ultrazvočnih zakasnitvenih linij (na kratko LZ). Njihovo delovanje temelji na dejstvu, da se električni impulzi pretvorijo v ultrazvočne mehanske vibracije. Kako se to zgodi? Dejstvo je, da je hitrost ultrazvoka bistveno manjša od hitrosti, ki jo razvijejo elektromagnetna nihanja. Pulznapetost po povratni transformaciji v električne mehanske vibracije bo na izhodu linije zakasnjena glede na vhodni impulz.
Piezoelektrični in magnetostriktivni pretvorniki se uporabljajo za pretvorbo električnih vibracij v mehanske in obratno. LZ se delijo na piezoelektrične in magnetostriktivne.
Ultrazvok v medicini
Različne vrste ultrazvoka se uporabljajo za vplivanje na žive organizme. V medicinski praksi je njegova uporaba zdaj zelo priljubljena. Temelji na učinkih, ki se pojavijo v bioloških tkivih, ko ultrazvok prehaja skozi njih. Valovi povzročajo nihanja v delcih medija, kar ustvarja nekakšno mikromasažo tkiva. In absorpcija ultrazvoka vodi do njihovega lokalnega segrevanja. Hkrati se v bioloških medijih pojavljajo določene fizikalno-kemijske transformacije. Ti pojavi ne povzročajo nepopravljive škode v primeru zmerne jakosti zvoka. Izboljšujejo le presnovo in zato prispevajo k vitalni aktivnosti telesa, ki jim je izpostavljeno. Takšni pojavi se uporabljajo pri ultrazvočni terapiji.
Ultrazvok v kirurgiji
Kavitacija in močno segrevanje pri visoki intenzivnosti vodita do uničenja tkiva. Ta učinek se danes uporablja v kirurgiji. Pri kirurških posegih se uporablja fokusiran ultrazvok, ki omogoča lokalno uničenje najglobljih struktur (na primer možganov), ne da bi pri tem poškodoval okoliške. Ultrazvok se uporablja tudi v kirurgijiorodja, pri katerih delovni konec izgleda kot pila, skalpel, igla. Vibracije, ki jih vsiljujejo, dajejo tem instrumentom nove lastnosti. Zahtevana sila se znatno zmanjša, zato se zmanjša travmatizem operacije. Poleg tega se kaže analgetični in hemostatski učinek. Udar s topim instrumentom z ultrazvokom se uporablja za uničenje določenih vrst novotvorb, ki so se pojavile v telesu.
Vpliv na biološka tkiva se izvaja za uničenje mikroorganizmov in se uporablja v procesih sterilizacije zdravil in medicinskih instrumentov.
Raziskave notranjih organov
Predvsem govorimo o študiju trebušne votline. V ta namen se uporablja posebna naprava. Ultrazvok se lahko uporablja za iskanje in prepoznavanje različnih tkivnih in anatomskih anomalij. Izziv je pogosto naslednji: obstaja sum na malignost in jo je treba razlikovati od benigne ali nalezljive lezije.
Ultrazvok je uporaben pri pregledu jeter in pri drugih opravilih, ki vključujejo odkrivanje ovir in bolezni žolčevodov ter pregled žolčnika za odkrivanje prisotnosti kamnov in drugih patologij v njem. Poleg tega se lahko uporabi testiranje za cirozo in druge difuzne benigne bolezni jeter.
Na področju ginekologije, predvsem pri analizi jajčnikov in maternice, je uporaba ultrazvoka dolgotrajnaglavna smer, v kateri se izvaja še posebej uspešno. Pogosto je tu potrebna tudi diferenciacija benignih in malignih tvorb, kar običajno zahteva najboljši kontrast in prostorsko ločljivost. Podobni zaključki so lahko koristni pri preučevanju mnogih drugih notranjih organov.
Uporaba ultrazvoka v zobozdravstvu
Ultrazvok je našel pot tudi v zobozdravstvo, kjer se uporablja za odstranjevanje zobnega kamna. Omogoča vam hitro, nekrvno in neboleče odstranjevanje oblog in kamnov. Hkrati se ustna sluznica ne poškoduje, "žepi" votline pa so razkuženi. Namesto bolečine pacient doživi občutek toplote.
