Какво е ултразвук и с какво е полезен
Какво е ултразвук и защо е полезен
Ако едно тяло се колебае в еластична среда по-бързо, отколкото средата има време да го обтече, тогава с движението си то или компресира, или разрежда средата. Слоеве от високо и ниско налягане се разпръскват във всички посоки от осцилиращото тяло и образуват звукова вълна. Ако вибрациите на тялото, което създава вълната, се следват една след друга не по-малко от 16 пъти в секунда, не повече от 20 хиляди пъти в секунда, тогава човешкото ухо ги чува.
Честотите от 16 Hz-20 kHz, които човешкият слухов апарат е в състояние да възприеме, обикновено се наричат звукови или акустични, например писък на комар »10 kHz. Но въздухът, дълбините на моретата и недрата на земята са пълни със звуци, които са извън този диапазон - инфра и ултразвук. В природата ултразвукът се среща като компонент на много природни шумове, в шума на вятъра, водопада, дъжда, морските камъчета, прибоя, мълниите. Много бозайници, като котки и кучета, имат способността да възприемат ултразвук до 100 kHz, а способността за локализиране на прилепите, нощните насекоми и морските животни е добре известна на всички. Съществуването на такива звуци е открито с развитието на акустиката едва в края на 19 век. По същото време започват и първите изследвания на ултразвука, но основите за неговото приложение се поставят едва през първата третина на 20 век.
Ултразвуковите вълни (нечуваем звук) по своята природа не се различават от вълните на звуковия диапазон и се подчиняват на същите физични закони. Но
UУлтразвукът има специфични характеристики, които определят широкото му приложение в науката и технологиите. Ето основните от тях:
¨ Къса дължина на вълната. За най-ниския ултразвуков диапазон дължината на вълната не надвишава няколко сантиметра в повечето медии. Късата дължина на вълната причинявалъчев характер на разпространение на ултразвукови вълни. В близост до излъчвателя ултразвукът се разпространява под формата на лъчи, близки по размер до размера на излъчвателя. Удряйки нехомогенностите в средата, ултразвуковият лъч се държи като светлинен лъч, изпитвайки отражение, пречупване, разсейване, което прави възможно формирането на звукови изображения в оптично непрозрачна среда, използвайки чисто оптични ефекти (фокусиране, дифракция и др.)
¨Малък период на трептене, който дава възможност за излъчване на ултразвук под формата на импулси и извършване на прецизна времева селекция на разпространяващите се сигнали в средата.
¨ Възможността за получаване на високи стойности на интензитета на трептенията с малка амплитуда, т.к.енергията на вибрациите е пропорционална на квадрата на честотата. Това прави възможно създаването на ултразвукови лъчи и полета с високо енергийно ниво, без да е необходимо голямо оборудване.
¨ В ултразвуковото поле се развиват значителни акустични течения, така че въздействието на ултразвука върху околната среда генерира специфични физични, химични, биологични и медицински ефекти, като кавитация, капилярен ефект, дисперсия, емулгиране, дегазиране, дезинфекция, локално отопление и много други.
История на ултразвука
Вниманието към акустиката беше причинено от нуждите на флотовете на водещите сили - Англия и Франция, т.к. акустичен - единственият тип сигнал, който може да достигне далеч във вода. През 1826 г. френският учен Коладон определя скоростта на звука във водата. Експериментът на Colladon се счита за раждането на съвременната хидроакустика. Ударът върху подводната камбана в Женевското езеро е станал с едновременно запалване на барут. Светкавицата от барут е наблюдавана от Коладон на разстояние 10 мили. Той също чу звука на камбаната през подводна слухова тръба. Чрез измерване на интервала от време между тяхдве събития, Colladon изчислява скоростта на звука - 1435 m / s. Разликата със съвременните изчисления е само 3 m/s.
През 1838 г. в Съединените щати за първи път е използван звук за определяне на профила на морското дъно. Източникът на звук, както в опита на Colladon, беше камбана, която звучеше под вода, а приемникът бяха големи слухови тръби, които падаха зад борда. Резултатите от експеримента бяха разочароващи - звукът на камбаната, както и експлозията на барутни патрони във водата, дадоха много слабо ехо, почти нечуваемо сред другите звуци на морето. Беше необходимо да се отиде в областта на по-високи честоти, което би направило възможно създаването на насочени звукови лъчи.
Първият ултразвуков генератор е направен през 1883 г. от англичанина Галтън. Ултразвукът е създаден като висок звук на острието на нож, когато въздушна струя го удари. Ролята на такава точка в свирката на Галтън се играе от цилиндър с остри ръбове. Въздухът (или друг газ), излизащ под налягане през пръстеновидна дюза с диаметър, равен на ръба на цилиндъра, се сблъска с нея и възникнаха високочестотни трептения. Издухвайки свирката с водород, беше възможно да се получат трептения до 170 kHz.
През 1880 г. Пиер и Жак Кюри правят решаващо откритие за ултразвуковата технология. Братята Кюри забелязали, че когато се приложи натиск върху кварцови кристали, се генерира електрически заряд, който е право пропорционален на силата, приложена към кристала. Това явление е наречено"пиезоелектричество" от гръцката дума, означаваща "натискане". В допълнение, те демонстрираха обратен пиезоелектричен ефект, който възниква, когато бързо променящ се електрически потенциал се приложи към кристал, което го кара да вибрира. Отсега нататък стана технически възможно да се произвеждат малки излъчватели и приемници на ултразвук.
Смъртта на Титаник от сблъсък с айсберг,необходимостта да се справят с нови оръжия - подводниците изискват бързото развитие на ултразвуковата хидроакустика. През 1914 г. френският физик Пол Ланжевен, заедно с българския учен, живеещ в Швейцария, Константин Шиловски, за първи път разработват сонар, състоящ се от ултразвуков излъчвател и хидрофон - приемник на ултразвукови вибрации, базиран на пиезоелектричния ефект. Сонарът Langevin-Shilovsky е първият ултразвуков апарат, използван в практиката. Също в началото на века българският учен С.Я.Соколов разработи основите на ултразвуковата дефектоскопия в промишлеността. През 1937 г. немският психиатър Карл Дусик, заедно с брат си Фридрих, физик, първи използват ултразвук за откриване на мозъчни тумори, но получените резултати са ненадеждни. В медицинската диагностика ултразвукът започва да се използва едва през 50-те години на миналия век в САЩ.
Получаване на ултразвук
Ултразвуковите излъчватели могат да бъдат разделени на две големи групи.
1) Трептенията се възбуждат или от препятствия по пътя на струя газ или течност, или от прекъсване на струя газ или течност. Те се използват в ограничена степен, те се използват главно за получаване на мощен ултразвук в газова среда.
2) Трептенията се възбуждат чрез преобразуване в механични дадени трептения на ток или напрежение. Повечето ултразвукови устройства използват излъчватели от тази група: пиезоелектрични и магнитострикционни преобразуватели.
В допълнение към пиезоелектричните преобразуватели се използват и магнитострикционни преобразуватели за получаване на мощен ултразвуков лъч.Магнитострикцията е промяна в размера на телата, когато се промени тяхното магнитно състояние. Ядро, изработено от магнитостриктивен материал, поставено в проводима намотка, променя дължината си в съответствие с формата си.токов сигнал, преминаващ през намотката. Това явление, открито през 1842 г. от Джаул, е характерно за феромагнетиците и феритите. Най-често използваните магнитострикционни материали са сплави на базата на никел, кобалт, желязо и алуминий. Сплавта Permindur има най-висок интензитет на излъчване (49% Co, 2% V, останалото е Fe), който се използва за мощни излъчватели, по-специално вAPU "Acoustic-T".
Ултразвуково приложение
Различните приложения на ултразвука могат да бъдат разделени в три области:
1) получаване на информация чрез ултразвук
2) въздействие върху веществото
3) обработка и предаване на сигнали
Приложения на ултразвукова честота в kHz
11010010 3 10 4 10 5 10 6 10 7