Ecografie

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 7 octombrie 2021; verificările necesită 13 modificări .

Ultrasunete  - unde sonore care au o frecvență mai mare decât cele percepute de urechea umană , de obicei, ultrasunetele înseamnă frecvențe peste 20.000 de herți .

Deși existența ultrasunetelor este cunoscută de mult timp, utilizarea sa practică a început destul de recent. În zilele noastre, ultrasunetele sunt utilizate pe scară largă în diverse metode fizice și tehnologice. Deci, în funcție de viteza de propagare a sunetului într-un mediu, sunt judecate caracteristicile fizice ale acestuia. Măsurătorile vitezei la frecvențe ultrasonice fac posibilă, cu erori foarte mici, determinarea, de exemplu, a caracteristicilor adiabatice ale proceselor rapide, a valorilor capacității termice specifice a gazelor și a constantelor elastice ale solidelor.

Surse de ultrasunete

Frecvența vibrațiilor ultrasonice utilizate în industrie și biologie se află în intervalul de la câteva zeci de kHz la unități de MHz . Oscilațiile de înaltă frecvență sunt de obicei create folosind radiatoare piezoceramice , de exemplu, din titanit de bariu. În cazurile în care puterea vibrațiilor ultrasonice este de importanță primordială, se folosesc de obicei surse mecanice de ultrasunete. Inițial, toate undele ultrasonice au fost recepționate mecanic (diapazon, fluiere, sirene).

În natură, ultrasunetele se găsesc atât ca componente ale multor zgomote naturale (în zgomotul vântului, al cascadei, al ploii, în zgomotul pietricelelor rostogolite de fluviul mării, în sunetele care însoțesc descărcările fulgerelor etc.), cât și printre sunete. a lumii animale . Unele animale folosesc unde ultrasonice pentru a detecta obstacolele, a naviga în spațiu și a comunica ( balene , delfini , lilieci , rozătoare , tarsii ).

Emițătorii de ultrasunete pot fi împărțiți în două grupuri mari. Primul include emițători- generatoare ; oscilațiile din ele sunt excitate din cauza prezenței obstacolelor pe calea unui flux constant - un jet de gaz sau lichid. Al doilea grup de emițători este traductoarele electro -acustice ; ele convertesc fluctuațiile deja date ale tensiunii sau curentului electric într-o vibrație mecanică a unui corp solid, care radiază unde acustice în mediu.

Fluierul lui Galton

Primul fluier cu ultrasunete a fost realizat în 1883 de englezul Francis Galton .

Ultrasunetele sunt create aici ca un sunet ascuțit pe marginea unui cuțit când un flux de aer îl lovește. Rolul unui astfel de vârf în fluierul Galton este jucat de o „buză” într-o cavitate rezonantă cilindrică mică. Gazul de înaltă presiune care trece printr-un cilindru gol lovește această „buză”; apar oscilații, a căror frecvență (aproximativ 170 kHz) este determinată de dimensiunea duzei și a buzei. Puterea fluierului Galton este scăzută. Este folosit în principal pentru a da comenzi atunci când dresează câini și pisici.

Fluier ultrasonic lichid

Majoritatea fluierelor cu ultrasunete pot fi adaptate pentru a funcționa într-un mediu lichid. În comparație cu sursele electrice de ultrasunete, fluierele cu ultrasunete lichide au o putere redusă, dar uneori, de exemplu, pentru omogenizarea cu ultrasunete, au un avantaj semnificativ. Deoarece undele ultrasonice apar direct într-un mediu lichid, nu există nicio pierdere de energie a undelor ultrasonice în timpul tranziției de la un mediu la altul. Poate cel mai de succes este proiectarea unui fluier ultrasonic lichid, realizat de oamenii de știință englezi Kottel și Goodman la începutul anilor 1950. În ea, un flux de fluid de înaltă presiune iese dintr-o duză eliptică și este direcționat pe o placă de oțel.

Diverse modificări ale acestui design au devenit destul de răspândite pentru a obține medii omogene. Datorită simplității și stabilității designului lor (doar placa oscilantă este distrusă), astfel de sisteme sunt durabile și ieftine.

Sirena

O sirena  este o sursă mecanică de vibrații elastice, inclusiv ultrasunete. Gama lor de frecvență poate fi de până la 100 kHz , dar se știe că sirenele funcționează până la 600 kHz. Puterea sirenelor ajunge la zeci de kW .

Sirenele dinamice ale aerului sunt utilizate în scopuri de semnalizare și tehnologice ( coagularea aerosolilor fini ( depunerea de ceață ), distrugerea spumei, accelerarea proceselor de transfer de masă și căldură etc.).

Toate sirenele rotative constau dintr-o camera inchisa de sus de un disc (stator) in care se fac un numar mare de gauri. Există același număr de găuri pe discul care se rotește în interiorul camerei - rotorul. Când rotorul se rotește, poziția găurilor din el coincide periodic cu poziția găurilor de pe stator. Aer comprimat este alimentat continuu in camera, care iese din aceasta in acele momente scurte in care gaurile de pe rotor si stator coincid.

Frecvența sunetului în sirene depinde de numărul de găuri și de forma geometrică a acestora și de viteza de rotație a rotorului.

Ultrasunetele în natură

Liliecii , folosind ecolocația pentru orientarea pe timp de noapte , emit semnale de intensitate extrem de mare prin gura lor (piele - Vespertilionidae) sau printr-o deschidere nazală parabolică în formă de oglindă (potcoave - Rhinolophidae). La o distanță de 1-5 cm de capul animalului, presiunea ultrasunetelor ajunge la 60 mbar , adică corespunde în regiunea de frecvență pe care o auzim cu presiunea sonoră creată de un ciocan pneumatic. Liliecii pot percepe ecoul semnalelor lor la o presiune de doar 0,001 mbar, adică de 10.000 de ori mai mică decât cea a semnalelor emise. În același timp, liliecii pot ocoli obstacolele în zbor chiar și atunci când interferența ultrasonică cu o presiune de 20 mbar este suprapusă semnalelor de ecolocație. Mecanismul pentru această imunitate ridicată la zgomot nu este încă cunoscut. Când liliecii localizează obiecte, de exemplu, fire întinse pe verticală cu un diametru de numai 0,005 - 0,008 mm la o distanță de 20 cm (jumătate din anvergura aripilor), deplasarea în timp și diferența de intensitate dintre semnalele emise și reflectate joacă un rol decisiv. . Liliecii potcoavă pot naviga, de asemenea, folosind o singură ureche (monoaural), care este foarte facilitat de auriculele mari în mișcare continuă. Ele sunt capabile să compenseze chiar și schimbarea de frecvență dintre semnalele emise și cele reflectate datorită efectului Doppler (când se apropie de un obiect, ecoul este mai mare ca frecvență decât semnalul trimis). Prin scăderea frecvenței de ecolocație în timpul zborului, astfel încât frecvența ultrasunetelor reflectate să rămână în regiunea de sensibilitate maximă a centrilor lor de „auzire”, aceștia pot determina viteza propriei mișcări.

Fluturii din familia urșilor au dezvoltat un generator de zgomot cu ultrasunete care „elimină de pe urma” liliecilor care urmăresc aceste insecte.

Ecolocația este, de asemenea, folosită pentru navigarea păsărilor - coșcașuri grase sau guajaros. Ei locuiesc în peșterile muntoase din America Latină - de la Panama în nord-vest până în Peru în sud și Surinam în est. Trăind într-un întuneric total, nopteranele grase, totuși, s-au adaptat să zboare cu măiestrie prin peșteri. Ei emit sunete ușoare de clicuri care sunt percepute și de urechea umană (frecvența lor este de aproximativ 7 kHz). Fiecare clic durează una până la două milisecunde. Sunetul de clic este reflectat de pereții temniței, de diverse margini și obstacole și este perceput de auzul sensibil al păsării.

Cetaceele folosesc ecolocarea ultrasonică în apă .

Proprietăți

Propagarea ultrasunetelor

Propagarea ultrasunetelor este procesul de mișcare în spațiu și timp a perturbațiilor care au loc într-o undă sonoră.

O undă sonoră se propagă într-o substanță aflată în stare gazoasă, lichidă sau solidă în aceeași direcție în care sunt deplasate particulele acestei substanțe, adică provoacă deformarea mediului. Deformarea constă în faptul că are loc o rarefacție și o comprimare succesivă a anumitor volume ale mediului, iar distanța dintre două zone adiacente corespunde lungimii undei ultrasonice. Cu cât este mai mare rezistența acustică specifică a mediului, cu atât este mai mare gradul de compresie și rarefiere a mediului la o anumită amplitudine de oscilație.

Particulele mediului implicate în transferul energiei valurilor oscilează în jurul poziției lor de echilibru. Viteza cu care particulele oscilează în jurul poziției lor medii de echilibru se numește viteza de vibrație. Viteza de vibrație a particulelor se modifică conform ecuației:

,

unde V este mărimea vitezei de vibrație;

Amplitudinea vitezei de vibrație caracterizează viteza maximă cu care particulele mediului se mișcă în procesul de oscilații și este determinată de frecvența oscilațiilor și de amplitudinea deplasării particulelor mediului.

.

Presiunea exercitată asupra particulelor mediului în timpul propagării undelor este rezultatul acțiunii forțelor elastice și inerțiale. Acestea din urmă sunt cauzate de accelerații , a căror magnitudine crește și pe o perioadă de la zero la un maxim (valoarea amplitudinii accelerației). În plus, în timpul perioadei, accelerația își schimbă semnul.

Valorile maxime ale accelerației și presiunii, care apar în mediu în timpul trecerii undelor ultrasonice în acesta, nu coincid în timp pentru o anumită particulă. În momentul în care diferența de accelerație atinge maximul, diferența de presiune devine egală cu zero. Valoarea amplitudinii accelerației (a) este determinată de expresia:

Dacă undele ultrasonice care călătoresc se ciocnesc de un obstacol, acesta experimentează nu numai o presiune variabilă, ci și una constantă. Zonele de îngroșare și rarefiere a mediului care apar în timpul trecerii undelor ultrasonice creează modificări suplimentare de presiune în mediu în raport cu presiunea externă din jurul acestuia. Această presiune externă suplimentară se numește presiune de radiație (presiune de radiație). Acesta este motivul pentru care, atunci când undele ultrasonice trec prin limita unui lichid cu aer, se formează fântâni de lichid și se desprind picături individuale de la suprafață. Acest mecanism și-a găsit aplicație în formarea de aerosoli de substanțe medicinale. Presiunea de radiație este adesea folosită atunci când se măsoară puterea vibrațiilor ultrasonice în contoare speciale - scale ultrasonice .

Absorbția undelor ultrasonice

Deoarece mediul în care se propagă ultrasunetele are vâscozitate, conductivitate termică și alte cauze ale frecării interne, absorbția are loc în timpul propagării undelor, adică pe măsură ce distanța de la sursă crește, amplitudinea și energia vibrațiilor ultrasonice devin mai mici. Mediul în care se propagă ultrasunetele interacționează cu energia care trece prin el și absoarbe o parte din acesta. Partea predominantă a energiei absorbite este transformată în căldură, o parte mai mică provoacă modificări structurale ireversibile ale substanței transmițătoare. Absorbția este rezultatul frecării particulelor între ele, în diferite medii este diferit. Absorbția depinde și de frecvența vibrațiilor ultrasonice. Teoretic, absorbția este proporțională cu pătratul frecvenței.

Valoarea de absorbție poate fi caracterizată prin coeficientul de absorbție , care arată cum se modifică intensitatea ultrasunetelor în mediul iradiat. Creste cu frecventa. Intensitatea vibrațiilor ultrasonice într-un mediu scade exponențial . Acest proces se datorează frecării interne, conductivității termice a mediului absorbant și structurii acestuia. Se caracterizează provizoriu prin dimensiunea stratului semiabsorbant, care arată la ce adâncime intensitatea oscilațiilor scade la jumătate (mai precis, de 2.718 ori sau cu 63%). Potrivit lui Palman, la o frecvență egală cu 0,8 MHz, valorile medii ale stratului semiabsorbant pentru unele țesuturi sunt următoarele: țesut adipos - 6,8 cm; muscular - 3,6 cm; țesuturile adipoase și musculare împreună - 4,9 cm.Odată cu creșterea frecvenței ultrasunetelor, valoarea stratului semiabsorbant scade. Deci, la o frecvență de 2,4 MHz, intensitatea ultrasunetelor care trece prin țesutul adipos și muscular scade la jumătate la o adâncime de 1,5 cm.

În plus, este posibilă absorbția anormală a energiei vibrațiilor ultrasonice în anumite intervale de frecvență - aceasta depinde de caracteristicile structurii moleculare a unui țesut dat. Se știe că 2/3 din energia ultrasunetelor este atenuată la nivel molecular și 1/3 la nivelul structurilor microscopice de țesut.

Adâncimea de penetrare a undelor ultrasonice

Sub adâncimea de penetrare a ultrasunetelor înțelegeți adâncimea la care intensitatea este redusă la jumătate. Această valoare este invers proporțională cu absorbția: cu cât mediul absoarbe mai puternic ultrasunetele, cu atât distanța la care intensitatea ultrasunetelor este atenuată la jumătate este mai mică.

Imprăștirea undelor ultrasonice

Dacă există neomogenități în mediu, atunci are loc împrăștierea sunetului , care poate schimba în mod semnificativ imaginea simplă a propagării ultrasunetelor și, în cele din urmă, poate determina, de asemenea, atenuarea undei în direcția inițială de propagare.

Refracția undelor ultrasonice

Deoarece rezistența acustică a țesuturilor moi umane nu este mult diferită de rezistența apei, se poate presupune că refracția undelor ultrasonice va fi observată la interfața dintre medii (epidermă - derm - fascia - mușchi).

Reflectarea undelor ultrasonice

Diagnosticul cu ultrasunete se bazează pe fenomenul de reflexie . Reflecția are loc în zonele de frontieră ale pielii și grăsimilor, grăsimilor și mușchilor, mușchilor și oaselor. Dacă ultrasunetele întâlnește un obstacol în timpul propagării, atunci are loc reflexia, dacă obstacolul este mic, atunci ultrasunetele curge în jurul lui, așa cum ar fi. Eterogeneitățile organismului nu provoacă abateri semnificative, deoarece, în comparație cu lungimea de undă (2 mm), dimensiunile lor (0,1-0,2 mm) pot fi neglijate. Dacă ultrasunetele întâlnesc organe care sunt mai mari decât lungimea de undă, atunci are loc refracția și reflectarea ultrasunetelor. Cea mai puternică reflexie se observă la limitele osului - țesuturile și țesuturile din jur - aer. Aerul are o densitate scăzută și se observă reflexia aproape completă a ultrasunetelor. Reflectarea undelor ultrasonice se observă la marginea mușchiului - periost - os, pe suprafața organelor goale.

Unde ultrasonice calatorii si stationare

Dacă în timpul propagării undelor ultrasonice în mediu acestea nu sunt reflectate, se formează unde de călătorie . Ca urmare a pierderilor de energie, mișcările oscilatorii ale particulelor mediului se degradează treptat, iar cu cât particulele sunt mai departe de suprafața radiantă, cu atât amplitudinea oscilațiilor lor este mai mică.

Dacă pe calea de propagare a undelor ultrasonice există țesuturi cu diferite rezistențe acustice specifice, atunci undele ultrasonice sunt reflectate într-o oarecare măsură din secțiunea de limită. Suprapunerea undelor ultrasonice incidente și reflectate poate duce la unde staționare . Pentru ca undele staționare să apară, distanța de la suprafața emițătorului la suprafața reflectantă trebuie să fie un multiplu de jumătate din lungimea de undă.

Aplicatii ale ultrasunetelor

Aplicatii de diagnostic in medicina ( ecografie )

Datorită propagării bune a ultrasunetelor în țesuturile moi umane, inofensivității sale relative în comparație cu razele X și ușurinței de utilizare în comparație cu imagistica prin rezonanță magnetică , ultrasunetele sunt utilizate pe scară largă pentru a vizualiza starea organelor interne umane, în special în cavitatea abdominală și cavitatea pelviană .

Aplicații terapeutice în medicină

Pe lângă faptul că sunt utilizate pe scară largă în scopuri de diagnostic (vezi ultrasunetele ), ultrasunetele au aplicații în medicină (inclusiv medicina regenerativă) ca instrument de tratament .

Ecografia are următoarele efecte :

Fonoforeza  este o metodă combinată de tratament în care o substanță terapeutică (atât medicamente, cât și substanțe de origine naturală) este aplicată pe țesut în locul gelului obișnuit pentru emisia de ultrasunete (utilizat, de exemplu, în ultrasunete). Se presupune că ultrasunetele ajută substanța terapeutică să pătrundă mai adânc în țesuturi.

Aplicații în producție

La mașinile convenționale de tăiat metal , este imposibil să găuriți o gaură îngustă de formă complexă într-o piesă metalică, de exemplu, sub forma unei stele cu cinci colțuri. Cu ajutorul ultrasunetelor, acest lucru este posibil: un vibrator magnetostrictiv poate găuri găuri de orice formă. O daltă cu ultrasunete înlocuiește complet o mașină de frezat. În același timp, o astfel de daltă este mult mai simplă decât o mașină de frezat și este mai ieftin și mai rapid să procesezi piesele metalice cu ea decât cu o mașină de frezat.

Ultrasunetele pot face chiar și tăiere elicoidă în piese metalice, în sticlă, în rubin, în diamant. De obicei, firul este mai întâi realizat din metal moale, iar apoi piesa este călită. La o mașină cu ultrasunete, firele pot fi realizate din metal deja călit și din cele mai dure aliaje. La fel și cu timbrele. De obicei, ștampila este temperată după ce a fost finisată cu grijă. Pe o mașină cu ultrasunete, cea mai complexă prelucrare este efectuată de un abraziv (smirghel, pulbere de corindon) în câmpul unei unde ultrasonice. Oscilând continuu în domeniul ultrasunetelor, particulele solide de pulbere tăiate în aliajul care se prelucrează și decupează o gaură de aceeași formă cu cea a dalții.

Prepararea amestecurilor cu ajutorul ultrasunetelor

Ultrasunetele sunt utilizate pe scară largă pentru prepararea amestecurilor omogene ( omogenizare ). Emulsiile rezultate joacă un rol important în industria modernă, acestea sunt: ​​lacuri, vopsele, produse farmaceutice, cosmetice.

În 1927, oamenii de știință americani Limus și Wood au descoperit că, dacă două lichide nemiscibile (de exemplu, ulei și apă) sunt turnate într-un pahar și supuse iradierii cu ultrasunete, atunci se formează o emulsie în pahar , adică o suspensie fină de ulei. in apa. Acest proces are loc din cauza fenomenului de cavitație , care începe atunci când sunt depășite anumite praguri de intensitate a radiațiilor (apă - 1 W/cm2 , ulei - 4 W/cm2 ) . Odată cu schimbarea presiunii, temperaturii și timpului de expunere, cavitația poate începe la o putere mai mică [1] .

Aplicații în biologie

Capacitatea ultrasunetelor de a sparge membranele celulare și-a găsit utilizare în cercetarea biologică, de exemplu, pentru a separa o celulă de enzime atunci când este necesar . Ultrasunetele sunt, de asemenea, folosite pentru distrugerea structurilor intracelulare, cum ar fi mitocondriile și cloroplastele, pentru a studia relația dintre structura și funcția acestora.

O altă aplicație a ultrasunetelor în biologie este legată de capacitatea sa de a induce mutații . Studiile efectuate la Oxford au arătat că chiar și ultrasunetele de intensitate scăzută pot deteriora molecula de ADN . . Crearea artificială intenționată a mutațiilor joacă un rol important în ameliorarea plantelor . Principalul avantaj al ultrasunetelor față de alți mutageni (raze X, raze ultraviolete) este că este extrem de ușor de lucrat.

Aplicație pentru curățare

Utilizarea ultrasunetelor pentru curățarea mecanică se bazează pe apariția diferitelor efecte neliniare într-un lichid aflat sub influența acestuia. Acestea includ cavitația , curenții acustici , presiunea sonoră . Rolul principal este jucat de cavitație. Bulele sale, care apar și se prăbușesc în apropierea poluării, le distrug. Acest efect este cunoscut sub numele de eroziune prin cavitație . Ultrasunetele folosite în aceste scopuri au o frecvență scăzută și o putere crescută.

În condiții de laborator și de producție , băile cu ultrasunete umplute cu un solvent (apă, alcool etc.) sunt folosite pentru spălarea pieselor mici și a ustensilelor. Uneori chiar și rădăcinile sunt spălate pentru a le curăța de pământ (cartofi, morcovi, sfeclă etc.).

În viața de zi cu zi, pentru spălarea textilelor se folosesc dispozitive speciale care emit ultrasunete, plasate într-un recipient separat.

Aplicații în ecolocație

Industria pescuitului folosește ecolocația cu ultrasunete pentru a detecta bancurile de pești. Undele cu ultrasunete sunt reflectate din bancurile de pești și ajung la receptorul de ultrasunete mai devreme decât unda ultrasonică reflectată din fund.

Senzorii de parcare cu ultrasunete sunt utilizați în mașini .

Aplicații în măsurarea debitului

Începând cu anii 1960, debitmetrele cu ultrasunete au fost folosite în industrie pentru a controla debitul și a contabiliza apa și lichidul de răcire .

Aplicație în detectarea defectelor

Ultrasunetele se propagă bine în unele materiale, ceea ce face posibilă utilizarea acestuia pentru detectarea cu ultrasunete a defectelor produselor fabricate din aceste materiale. Recent, a fost dezvoltată direcția de microscopie cu ultrasunete, ceea ce face posibilă studierea stratului subteran al unui material cu o rezoluție bună.

Sudarea cu ultrasunete

Sudare cu ultrasunete  - sudare sub presiune, efectuată sub influența vibrațiilor ultrasonice. Acest tip de sudare este folosit pentru a conecta piese a căror încălzire este dificilă; la îmbinarea metalelor diferite, a metalelor cu pelicule puternice de oxid (aluminiu, oțeluri inoxidabile, miezuri magnetice permalloy etc.), în producția de circuite integrate.

Aplicații în galvanizare

În galvanizare , ultrasunetele sunt folosite pentru a intensifica procesele galvanice și pentru a îmbunătăți calitatea acoperirilor produse printr-o metodă electrochimică.

Securitatea informațiilor

Ultrasunetele sunt folosite în așa-numita. seifuri acustice pentru blocarea microfoanelor telefoanelor mobile și a dispozitivelor de înregistrare a sunetului.

Vezi și

Link -uri

Note

  1. ↑ Zarembo L.K., Krasilnikov V.A. Introducere în acustica neliniară. Unde sonore și ultrasonice de mare intensitate. - 1966. - 519 p. - ISBN 978-5-458-49876-0 .