21. století je stoletím rádiové elektroniky, atomů, vesmírného průzkumu a ultrazvuku. Věda o ultrazvuku je dnes relativně mladá. Na konci 19. století prováděl první studie ruský fyziolog P. N. Lebeděv. Poté začalo mnoho významných vědců studovat ultrazvuk.
Co je ultrazvuk?
Ultrazvuk je šířící se vlnitý kmitavý pohyb, který částice média dělají. Má své vlastní charakteristiky, kterými se liší od zvuků slyšitelného rozsahu. Je poměrně snadné získat směrované záření v ultrazvukové oblasti. Navíc dobře zaostřuje a v důsledku toho se zvyšuje intenzita prováděných kmitů. Při šíření v pevných látkách, kapalinách a plynech dává ultrazvuk vzniknout zajímavým jevům, které našly praktické uplatnění v mnoha oblastech techniky a vědy. To je to, co je ultrazvuk, jehož role v různých sférách dnešního života je velmi velká.
Role ultrazvuku ve vědě a praxi
Ultrazvuk v posledních letech začal hrát ve vědeckém výzkumustále důležitější roli. Úspěšně byly provedeny experimentální a teoretické studie v oblasti akustických proudění a ultrazvukové kavitace, což umožnilo vědcům vyvinout technologické procesy, ke kterým dochází při vystavení ultrazvuku v kapalné fázi. Je to výkonná metoda pro studium různých jevů v takové oblasti znalostí, jako je fyzika. Ultrazvuk se používá například ve fyzice polovodičů a pevných látek. Dnes se tvoří samostatný obor chemie, který se nazývá "ultrazvuková chemie". Jeho aplikace umožňuje urychlení mnoha chemicko-technologických procesů. Zrodila se také molekulární akustika – nové odvětví akustiky, které studuje molekulární interakci zvukových vln s hmotou. Objevily se nové oblasti použití ultrazvuku: holografie, introskopie, akustoelektronika, ultrazvukové měření fáze, kvantová akustika.
Kromě experimentální a teoretické práce v této oblasti bylo dnes vykonáno mnoho praktické práce. Byly vyvinuty speciální a univerzální ultrazvukové stroje, instalace pracující pod zvýšeným statickým tlakem apod. Do výroby byly zavedeny automatické ultrazvukové instalace zařazené do výrobních linek, které mohou výrazně zvýšit produktivitu práce.
Více o ultrazvuku
Promluvme si více o tom, co je ultrazvuk. Již jsme řekli, že se jedná o elastické vlny a oscilace. Frekvence ultrazvuku je více než 15-20 kHz. Subjektivní vlastnosti našeho sluchu určují spodní hranici ultrazvukových frekvencí, kteréodděluje jej od frekvence slyšitelného zvuku. Tato hranice je tedy podmíněná a každý z nás definuje, co je ultrazvuk, jinak. Horní hranici udávají elastické vlny, jejich fyzikální podstata. Šíří se pouze v hmotném prostředí, to znamená, že vlnová délka musí být výrazně větší než střední volná dráha molekul přítomných v plynu nebo meziatomové vzdálenosti v pevných látkách a kapalinách. Při normálním tlaku v plynech je horní hranice ultrazvukových frekvencí 109 Hz a v pevných látkách a kapalinách - 1012-10 13 Hz.
Ultrazvukové zdroje
Ultrazvuk se v přírodě vyskytuje jak jako součást mnoha přírodních zvuků (vodopád, vítr, déšť, oblázky válené příbojem, tak i ve zvucích doprovázejících bouřky atd.), a také jako nedílná součást zvířecí svět. Některé druhy zvířat jej využívají k orientaci v prostoru, detekci překážek. Je také známo, že delfíni v přírodě využívají ultrazvuk (hlavně frekvence od 80 do 100 kHz). V tomto případě může být síla jimi vysílaných lokalizačních signálů velmi velká. O delfínech je známo, že dokážou odhalit hejna ryb až na kilometr daleko.
Zářiče (zdroje) ultrazvuku se dělí do 2 velkých skupin. Prvním jsou generátory, ve kterých jsou oscilace buzeny kvůli přítomnosti překážek v nich instalovaných v dráze konstantního toku - proudu kapaliny nebo plynu. Druhou skupinou, do které lze zdroje ultrazvuku kombinovat, jeelektroakustické měniče, které převádějí dané kolísání proudu nebo elektrického napětí na mechanické vibrace vytvářené pevným tělesem, které vyzařuje akustické vlny do okolí.
Ultrazvukové přijímače
Na středních a nízkých frekvencích jsou ultrazvukové přijímače nejčastěji elektroakustické měniče piezoelektrického typu. Mohou reprodukovat podobu přijímaného akustického signálu, reprezentovanou jako časovou závislost akustického tlaku. Zařízení mohou být buď širokopásmová, nebo rezonanční, v závislosti na aplikačních podmínkách, pro které jsou určena. Tepelné přijímače se používají k získání časově zprůměrovaných charakteristik zvukového pole. Jsou to termistory nebo termočlánky potažené látkou pohlcující zvuk. Akustický tlak a intenzitu lze také odhadnout optickými metodami, jako je difrakce světla ultrazvukem.
Kde se používá ultrazvuk?
Existuje mnoho oblastí jeho použití při použití různých funkcí ultrazvuku. Tyto oblasti lze zhruba rozdělit do tří oblastí. První z nich je spojena se získáváním různých informací pomocí ultrazvukových vln. Druhým směrem je jeho aktivní vliv na látku. A třetí souvisí s přenosem a zpracováním signálů. V každém případě se používá US určitého frekvenčního rozsahu. Pokryjeme jen několik z mnoha oblastí, ve kterých si našla cestu.
Ultrazvukové čištění
Kvalitu tohoto čištění nelze srovnávat s jinými metodami. Například při oplachování dílů na jejich povrchu zůstává až 80 % nečistot, asi 55 % - při vibračním čištění, asi 20 % - při ručním čištění a při čištění ultrazvukem nezůstane více než 0,5 % nečistot. Detaily, které mají složitý tvar, lze dobře vyčistit pouze pomocí ultrazvuku. Důležitou výhodou jeho použití je vysoká produktivita a také nízké náklady na fyzickou práci. Navíc můžete nahradit drahá a hořlavá organická rozpouštědla levnými a bezpečnými vodnými roztoky, použít kapalný freon atd.
Vážným problémem je znečištění ovzduší sazemi, kouřem, prachem, oxidy kovů atd. Ultrazvukovou metodu čištění vzduchu a plynu ve výdechech plynu můžete použít bez ohledu na okolní vlhkost a teplotu. Pokud je ultrazvukový zářič umístěn v komoře pro usazování prachu, jeho účinnost se stonásobně zvýší. Co je podstatou takové očisty? Prachové částice pohybující se náhodně ve vzduchu na sebe narážejí silněji a častěji pod vlivem ultrazvukových vibrací. Zároveň se jejich velikost zvětšuje díky tomu, že splývají. Koagulace je proces zvětšování částic. Speciální filtry zachycují jejich vážené a zvětšené shluky.
Obrábění křehkých a super tvrdých materiálů
Vstoupíte-li mezi obrobek a pracovní plochu nástroje pomocí ultrazvuku, abrazivní materiál, pak abrazivní částice během provozuemitor ovlivní povrch této části. V tomto případě je materiál zničen a odstraněn, podroben zpracování působením různých směrovaných mikroúderů. Kinematika obrábění se skládá z hlavního pohybu - řezání, to znamená podélných vibrací nástroje, a pomocného - posuvového pohybu, který stroj vykonává.
Ultrazvuk může dělat různé úkoly. U brusných zrn jsou zdrojem energie podélné vibrace. Ničí zpracovávaný materiál. Posuvový pohyb (pomocný) může být kruhový, příčný a podélný. Ultrazvukové zpracování je přesnější. V závislosti na velikosti zrna brusiva se pohybuje od 50 do 1 mikronu. Pomocí nástrojů různých tvarů můžete dělat nejen otvory, ale i složité řezy, zakřivené osy, gravírovat, brousit, vyrábět matrice a dokonce i vrtat diamant. Materiály používané jako brusivo - korund, diamant, křemenný písek, pazourek.
Ultrazvuk v rádiové elektronice
Ultrazvuk se v technologii často používá v oblasti rádiové elektroniky. V této oblasti je často nutné zpožďovat elektrický signál vzhledem k nějakému jinému. Vědci našli dobré řešení tím, že navrhli použití ultrazvukových zpožďovacích linek (zkráceně LZ). Jejich působení je založeno na skutečnosti, že elektrické impulsy se přeměňují na ultrazvukové mechanické vibrace. jak se to stane? Faktem je, že rychlost ultrazvuku je výrazně nižší než rychlost vyvinutá elektromagnetickými oscilacemi. Pulsnapětí po zpětné transformaci na elektrické mechanické vibrace bude na výstupu linky zpožděno vzhledem ke vstupnímu impulsu.
Piezoelektrické a magnetostrikční měniče se používají k přeměně elektrických vibrací na mechanické a naopak. LZ se dělí na piezoelektrické a magnetostrikční.
Ultrazvuk v medicíně
K ovlivnění živých organismů se používají různé typy ultrazvuku. V lékařské praxi je nyní jeho použití velmi oblíbené. Vychází z efektů, ke kterým dochází v biologických tkáních, když jimi prochází ultrazvuk. Vlny způsobují kolísání částic média, což vytváří jakousi tkáňovou mikromasáž. A absorpce ultrazvuku vede k jejich lokálnímu zahřívání. Současně dochází v biologických médiích k určitým fyzikálně-chemickým přeměnám. Tyto jevy nezpůsobují nevratné škody v případě střední intenzity zvuku. Pouze zlepšují metabolismus, a proto přispívají k životně důležité činnosti těla, které je jim vystaveno. Takové jevy se používají při ultrazvukové terapii.
Ultrazvuk v chirurgii
Kavitace a silné zahřívání při vysokých intenzitách vedou k destrukci tkáně. Tento efekt se dnes využívá v chirurgii. K chirurgickým operacím se používá fokusovaný ultrazvuk, který umožňuje lokální destrukci v nejhlubších strukturách (například mozku), aniž by došlo k poškození okolních. Ultrazvuk se používá i v chirurgiinástroje, u kterých pracovní konec vypadá jako pilník, skalpel, jehla. Vibrace, které na ně působí, dávají těmto nástrojům nové kvality. Potřebná síla je výrazně snížena, proto se snižuje traumatismus operace. Kromě toho se projevuje analgetický a hemostatický účinek. Náraz tupým nástrojem pomocí ultrazvuku se používá ke zničení určitých typů novotvarů, které se objevily v těle.
Účinek na biologické tkáně se provádí za účelem ničení mikroorganismů a používá se v procesech sterilizace léků a lékařských nástrojů.
Výzkum vnitřních orgánů
Hovoříme především o studiu břišní dutiny. K tomuto účelu se používá speciální zařízení. Ultrazvuk lze použít k nalezení a rozpoznání různých tkáňových a anatomických anomálií. Problém je často následující: existuje podezření na malignitu a je třeba ji odlišit od benigní nebo infekční léze.
Ultrazvuk je užitečný při vyšetření jater a pro další úkony, mezi které patří odhalování překážek a onemocnění žlučových cest, stejně jako vyšetření žlučníku za účelem zjištění přítomnosti kamenů a jiných patologií v něm. Kromě toho lze použít testování na cirhózu a další difúzní benigní onemocnění jater.
V oblasti gynekologie, zejména při analýze vaječníků a dělohy, je použití ultrazvuku dlouhodobou záležitostíhlavním směrem, ve kterém se provádí obzvláště úspěšně. Často je zde potřeba i odlišení benigních a maligních útvarů, které většinou vyžaduje nejlepší kontrast a prostorové rozlišení. Podobné závěry mohou být užitečné při studiu mnoha dalších vnitřních orgánů.
Využití ultrazvuku ve stomatologii
Ultrazvuk si našel cestu i do stomatologie, kde se používá k odstraňování zubního kamene. Umožňuje rychle, nekrvavě a bezbolestně odstranit plak a kámen. Přitom nedochází k poranění ústní sliznice, dezinfikují se „kapsy“dutiny. Místo bolesti zažívá pacient pocit tepla.
