Ултразвук - Физика
Милкин А. С. 9 в
УЛТРАЗВУК - еластични вълни с висока честота. Човешкото ухо възприема еластични вълни, разпространяващи се в средата с честота до приблизително 16 000 трептения в секунда (Hz); вибрации с по-висока честота представляват ултразвук (отвъд слуха). Обикновено ултразвуковият диапазон се счита за честотна лента от 20 000 до няколко милиарда херца. Въпреки че учените знаят за съществуването на ултразвук от дълго време, практическото му използване в науката, технологиите и индустрията започна сравнително наскоро. Сега ултразвукът се използва широко в различни физически и технологични методи.
Сонар. В края на Първата световна война се появява една от първите практически ултразвукови системи, предназначени за откриване на подводници. Лъчът на ултразвуковото излъчване може да се направи рязко насочен и посоката към тази цел може да се определи от сигнала (ехо), отразен от целта. Чрез измерване на времето, необходимо на сигнала за пътуване до и от целта, се определя разстоянието до нея. Към днешна дата система, наречена сонар или сонар, се превърна в неразделно средство за навигация. Ако насочите импулсно ултразвуково лъчение към дъното и измерите времето между изпращането на импулса и връщането му, можете да определите разстоянието между излъчвателя и приемника (), т.е. дълбочина. Сложни системи за автоматично регистриране, базирани на това, се използват за картографиране на дъното на моретата и океаните, както и речните корита. Подходящите навигационни системи на атомните подводници им позволяват да преминават безопасно дори под полярен лед.
Дефектоскопия. Сондирането с ултразвукови импулси се използва и за изследване на свойствата на различни материали и изделия от тях. Прониквайки в твърдтела, такива импулси се отразяват от техните граници, както и от различни чужди образувания в дебелината на изследваната среда, като кухини, пукнатини и др., което показва тяхното местоположение. Ултразвукът "тества" материала, без да го уврежда. Такива методи за безразрушителен контрол проверяват качеството на масивни стоманени изковки, алуминиеви блокове, железопътни релси, машинни заварки.
Ултразвуков разходомер. Принципът на работа на такова устройство се основава на ефекта на Доплер. Ултразвуковите импулси се насочват последователно надолу и срещу него. В този случай скоростта на преминаване на сигнала е или сумата от скоростта на разпространение на ултразвука в средата и скоростта на потока, или тези стойности се изваждат. Получената разлика във фазите на импулсите в двата клона на измервателната верига се записва от електронно оборудване и в резултат на това се измерва скоростта на потока, а според нея и масовата скорост (дебит). Този измервателен уред не променя флуидния поток и може да се прилага както за поток със затворен цикъл, като изследвания на аортния кръвен поток или системи за охлаждане на ядрен реактор, така и за отворен поток, като река.
Ултразвуково запояване. Кавитацията, причинена от мощни ултразвукови вълни в метални стопилки и разрушаваща филма от алуминиев оксид, прави възможно запояването му с калаен припой без флюс. Продуктите, направени от ултразвуково запоени метали, са станали обичайни промишлени продукти.
Ултразвукова обработка. Енергията на ултразвука се използва успешно при обработката на детайли. Тъй като този метод позволява обработка на много твърди и крехки материали - стъкло, керамика, волфрамов карбид, закалена стомана. Индустрията също така използва много различни ултразвукови съоръжения за почистване на повърхностите на кварцови кристали.кристали и оптично стъкло, малки прецизни сачмени лагери, почистване на малки части.
Ултразвукът се използва широко за приготвяне на хомогенни смеси. Още през 1927 г. американски учени Лимус и Ууд откриват, че ако две несмесващи се течности (например масло и вода) се излеят в една чаша и се подложат на ултразвуково облъчване, тогава в чашата се образува емулсия, тоест фина суспензия от масло във вода. Такива емулсии играят важна роля в индустрията: това са лакове, бои, фармацевтични продукти и козметика.
Приложение в биологията и медицината. Фактът, че ултразвукът активно засяга биологични обекти (например убива бактерии), е известен от повече от 70 години. Ултразвуковите стерилизатори за хирургически инструменти се използват в болници и клиники. Електронното оборудване със сканиращ ултразвуков лъч служи за откриване на тумори в мозъка и поставяне на диагноза; използва се в неврохирургията за инактивиране на определени части на мозъка с мощен фокусиран високочестотен (около 1000 kHz) лъч. Но ултразвукът се използва най-широко в терапията - при лечение на лумбаго, миалгия и контузии, въпреки че все още няма консенсус сред лекарите относно конкретния механизъм на въздействие на ултразвука върху болните органи. Вибрациите с висока честота причиняват вътрешно нагряване на тъканите, вероятно придружено от микромасаж.
Откриване и измерване с ултразвук. Налягането на ултразвукова вълна надвишава налягането на обикновена звукова вълна хиляди пъти и лесно се открива с помощта на микрофони във въздуха и хидрофони във вода. Това позволява използването на ултразвук за откриване и измерване. Например ултразвуков интерферометър.
Генериране на ултразвукови вълни. Ултразвукът може да се получи отмеханични, електромагнитни и топлинни източници. Механичните излъчватели обикновено са различни видове прекъсващи сирени. Те излъчват във въздуха вибрации до няколко киловата с честоти до 40 kHz. Ултразвуковите вълни в течности и твърди тела обикновено се възбуждат от електроакустични, магнитострикционни и пиезоелектрични преобразуватели.
Сирената е една от разновидностите на механични източници на ултразвук. Има сравнително голяма мощност и се използва в полицейски и пожарни коли. Всички ротационни сирени се състоят от камера, затворена отгоре с диск (статор), в който са направени голям брой отвори. Има същия брой дупки на диска, въртящ се вътре в камерата - ротора. Когато роторът се върти, положението на отворите в него периодично съвпада с положението на отворите на статора. В камерата непрекъснато се подава сгъстен въздух, който излиза от нея в онези кратки моменти, когато отворите на ротора и статора съвпадат. Основната задача при производството на сирени е, първо, да се направят възможно най-много дупки в ротора и, второ, да се постигне висока скорост на въртене. На практика обаче е много трудно да се изпълнят и двете изисквания.
Подсвирни Галтън. Първата ултразвукова свирка е направена през 1883 г. от англичанина Галтън. В него се създава ултразвук като висок звук на острието на ножа, когато въздушна струя го удари. Ролята на такъв връх в свирката на Галтън се играе от "устна" в малка цилиндрична резонансна кухина. Газът, преминал под високо налягане през кухия цилиндър, удря тази "устна"; възникват трептения, чиято честота (тя е около 170 kHz) се определя от размера на дюзата и устните. Силата на свирката на Галтон е ниска. Използва се главно за издаване на команди по време на обучение.кучета.
1. Баулан И. Зад бариерата на слуха. М., 1971
2. Хорбенко И.Г. Звук, ултразвук, инфразвук. М., 1986
3. Агранат Б.А. и др.. Основи на физиката и технологията на ултразвука. М., 1987