Primjena ultrazvuka u medicini i tehnici (ukratko). Što je ultrazvuk? Primjena ultrazvuka u tehnici i medicini Kako se ultrazvuk koristi u tehnici

Čovječanstvo poznaje mnoge načine utjecaja na tijelo u terapeutske i profilaktičke svrhe. To su lijekovi, i metode kirurške intervencije, i metode fizioterapije i alternativne medicine. Ne može se reći da je bilo koja od ovih opcija poželjnija, jer se najčešće koriste u kombinaciji jedna s drugom, a odabiru se pojedinačno. Jedna od nevjerojatnih metoda utjecaja na ljudski organizam je ultrazvuk, o korištenju ultrazvuka u medicini i tehnologiji ćemo (ukratko) raspravljati malo detaljnije.

Ultrazvuk je posebna vrsta zvučnih valova. Oni su nečujni ljudskom uhu, a imaju frekvenciju veću od 20.000 herca. Čovječanstvo ima informacije o ultrazvučnim valovima već dugi niz godina, ali u svakodnevnom životu koriste se ne tako davno.

Primjena ultrazvuka u medicini (ukratko)

Ultrazvuk ima široku primjenu u raznim područjima medicine - u terapeutske i dijagnostičke svrhe. Sva njegova poznata upotreba u tehnici je aparat za ultrazvuk (ultrazvučni pregled).

Upotreba u medicini za dijagnozu

Takvi zvučni valovi se koriste za proučavanje različitih unutarnjih organa. Uostalom, ultrazvuk je dobro raspoređen u mekim tkivima našeg tijela, a karakterizira ga relativna bezopasnost u usporedbi s rendgenskim zrakama. Osim toga, mnogo je lakši za korištenje od informativnije terapije magnetskom rezonancijom.

Korištenje ultrazvuka u dijagnostici omogućuje vizualizaciju stanja različitih unutarnjih organa, često se koristi u pregledu organa trbušne šupljine ili zdjelice.

Takva studija omogućuje određivanje veličine organa i stanja tkiva u njima. Liječnik ultrazvukom može otkriti tumorske formacije, ciste, upalne procese itd.

Primjena u medicini u traumatologiji

Ultrazvuk se široko koristi u traumatologiji, takav uređaj kao što je ultrazvučni osteometar omogućuje vam da odredite ne samo prisutnost prijeloma ili pukotina u kostima, već se koristi i za otkrivanje minimalnih promjena u strukturi kosti ako se sumnja ili dijagnosticira osteoporoza.

Sonografija (još jedna popularna studija pomoću ultrazvuka) omogućuje vam da odredite prisutnost unutarnjeg krvarenja u slučaju zatvorenih ozljeda prsa ili trbuha. Kada se otkrije tekućina u trbušnoj šupljini, ehografija omogućuje određivanje mjesta i količine eksudata. Osim toga, provodi se i u dijagnostici začepljenja velikih krvnih žila - za određivanje veličine i mjesta embolije, kao i krvnih ugrušaka.

Porodništvo

Ultrazvuk je jedna od najinformativnijih metoda za praćenje razvoja fetusa i dijagnosticiranje raznih poremećaja u njemu. Uz njegovu pomoć, liječnici točno određuju gdje se nalazi posteljica. Također, ultrazvuk tijekom trudnoće omogućuje procjenu razvoja fetusa, mjerenje, znajući veličinu područja trbuha, prsa, promjer i opseg glave itd.

Vrlo često, ova dijagnostička opcija omogućuje vam da unaprijed otkrijete abnormalna stanja u fetusu i istražite njegove pokrete.

Kardiologija

Ultrazvučne dijagnostičke metode naširoko se koriste za pregled srca i krvnih žila. Primjerice, takozvani M-mode koristi se za otkrivanje i prepoznavanje srčanih anomalija. U kardiologiji postoji potreba za snimanjem kretanja srčanih zalistaka isključivo s frekvencijama od oko 50 herca, odnosno takva se studija može provesti samo ultrazvukom.

Terapeutske primjene ultrazvuka

Ultrazvuk se široko koristi u medicini za postizanje terapeutskog učinka. Ima izvrstan protuupalni i otklanjajući učinak, ima analgetska i antispazmodična svojstva. Postoje dokazi da ultrazvuk također karakteriziraju antiseptička, vazodilatirajuća, razlučujuća i desenzibilizirajuća (antialergijska) svojstva. Osim toga, ultrazvuk se može koristiti za poboljšanje propusnosti kože uz paralelnu primjenu dodatnih lijekova. Slična metoda terapije naziva se fonoforeza. Kada se provodi, ne nanosi se na pacijentova tkiva običan gel za ultrazvučnu emisiju, već ljekovite tvari (lijekovi ili prirodne komponente). Zahvaljujući ultrazvuku, ljekovite čestice prodiru duboko u tkiva.

U terapijske svrhe ultrazvuk se koristi drugačijom učestalošću nego u dijagnostici - od 800.000 do 3.000.000 vibracija u sekundi.

Kratka primjena u ultrazvučnoj tehnologiji

U medicinske svrhe koriste se razni ultrazvučni uređaji. Neki od njih namijenjeni su samo za uporabu u medicinskim ustanovama, dok se drugi mogu koristiti kod kuće. Upravo potonji uključuju male ultrazvučne pripravke koji emitiraju ultrazvuk u rasponu od 500-3000 kHz. Omogućuju kućnu fizioterapiju, imaju protuupalno i analgetsko djelovanje, poboljšavaju cirkulaciju krvi, potiču resorpciju, zacjeljivanje površina rane, uklanjaju otekline i ožiljno tkivo, a također pomažu u uništavanju virusnih čestica itd.

Međutim, takvu ultrazvučnu tehniku treba koristiti samo nakon savjetovanja s liječnikom, jer ima niz kontraindikacija za uporabu.

To je uporaba ultrazvuka u tehnologiji i medicini.

Zvuk je s jedne strane fizički proces širenja elastičnih valova u mediju, a s druge strane psihofiziološki proces povezan s prvim procesom.

U fizici se svi elastični valovi nazivaju zvukom, dok se valovi čija je frekvencija manja od 16 Hz nazivaju infrazvučnimi, a valovi s frekvencijama većim od 20 kHz ultrazvučnim. Ultrazvučni valovi s frekvencijama iznad $(10)^9Hz$ nazivaju se hipersonični.

Ultrazvuk

Ultrazvučni val sastoji se od izmjenjivanja snopova i područja razrjeđivanja čestica medija. Ultrazvučni val širi se brzinom koja ovisi o svojstvima tvari i njezinoj temperaturi. Brzina zvučnog vala u zraku na temperaturi od 200 C je približno 343,1 $\frac(m)(s)$.

Budući da valna duljina ($\lambda $) ovisi o frekvenciji, kako se frekvencija povećava, valna duljina se smanjuje, stoga je valna duljina ultrazvuka mnogo kraća od valne duljine zvuka koji čovjek čuje.

Emiteri i prijemnici ultrazvuka

Ultrazvuk su mehanički valovi čija je frekvencija veća od 2$\cdot (10)^4$Hz. Gornja granica frekvencije ultrazvuka određena je razmakom između molekula, dakle ovisi o stanju agregacije medija u kojem se širi. Ultrazvuk se može pojaviti i kao rezultat prirodnih procesa i umjetno stvoren.

Prirodni izvori ultrazvuka uključuju životinje koje ga emitiraju. Životinje generiraju i percipiraju ultrazvuk uz pomoć posebnog receptorskog aparata. Ultrazvuk im pomaže u navigaciji u prostoru. Ultrazvučne vibracije koje stvaraju životinje reflektiraju se od predmeta i specijalizirani slušni organi percipiraju ih kao prepreke na putu. Ultrazvuk mogu emitirati i skakavci, cvrčci, dupini. Slušni aparat nekih insekata, ptica i životinja sposoban je percipirati širi raspon zvučnih vibracija od ljudi.

Dakle, gornje granice percipiranih zvučnih frekvencija:

žabe je $\nu =3\cdot (10)^4Hz$;
psi$\ \nu =6\cdot (10)^4Hz$;
mačke $\nu =(10)^5Hz$;
skakavci $\nu =(10)^5Hz$;
šišmiši $\nu =1,5\cdot (10)^5Hz$;
leptiri $\nu =1,6\cdot (10)^5Hz$;
dupini $\nu =2\cdot (10)^5Hz$;
galebovi $\nu =8\cdot (10)^3Hz.$

Neživa priroda također može generirati ultrazvuk. Javlja se na vjetru, ultrazvučne frekvencije nalaze se u šumu vodopada i zvukovima mora.

Tehnički uređaji tijekom svog rada sposobni su emitirati ultrazvuk, na primjer, neki motori i alatni strojevi.

Ultrazvuk se proizvodi namjerno pomoću ultrazvučnih generatora. Za snimanje i analizu ultrazvuka koriste se piezoelektrični ili magnetostriktivni senzori.

Biološke posljedice izlaganja ultrazvučnim valovima

Biološki učinci koje ultrazvučni valovi mogu izazvati ovise o intenzitetu, učestalosti i trajanju izlaganja. Ako ultrazvučni valovi imaju niski intenzitet i zrače biološki objekt, tada nastaju mikrovibracije na razini stanice. Istodobno se aktiviraju transportni procesi, poboljšavaju se metabolički procesi u tkivima i postiže se pozitivan učinak. S povećanjem intenziteta, ultrazvučni pritisak može dovesti do oštećenja molekula. Kod produljenog izlaganja ultrazvuku, na primjer, na poslu, osoba razvija povećan umor, pospanost i može doći do poremećaja živčanog sustava.

infrazvuk

Infrazvuk je naziv za elastične mehaničke valove koji imaju frekvencije ispod frekvencije zvuka koji se čuje. Gornja granica infrazvučnih valova je 16-25 Hz, gornja granica nije definirana.

Infrazvuk se malo apsorbira u različitim tvarima, pa se ovi valovi mogu širiti na velike udaljenosti.

Izvori infrazvuka

Infrazvuk je prisutan u buci atmosfere, drveću u šumi i vodi u moru. U Zemljinoj kori moguće je detektirati infrazvučne frekvencije iz različitih izvora, poput klizišta, eksplozija i prometa.

Takozvani "glas mora" su infrazvučni valovi koji se pojavljuju iznad površine mora kao rezultat stvaranja vrtloga iza vrhova valova pri jakom vjetru. Budući da se infrazvuk malo apsorbira, "glas mora" može se širiti na velike udaljenosti i prilično velikom brzinom. Ovo svojstvo infrazvuka služi za predviđanje oluja. Neki živi organizmi su sposobni percipirati infrazvuk. Dakle, meduze imaju "infa uši" koje čuju infrazvuk, koji ima frekvenciju od 8-13 Hz. Ako je oluja još stotinama kilometara od obale i približi joj se za gotovo jedan dan, onda je meduze već čuju i odlaze u dubinu vode.

Izvori infrazvuka su: uragani, oluje i neke vrste potresa. Neke životinje koriste infrazvuk u lovu, pa se vjeruje da tigar može napraviti urlik frekvencije od 18 Hz. Slonovi koriste infrazvuk za komunikaciju.

Osoba ne čuje infrazvuk, ali ti valovi u njemu mogu izazvati tjeskobu i strah. Infrazvuk može izazvati agresiju kod osobe.

Neki glazbeni instrumenti omogućuju generiranje infrazvuka. Neka glazbena djela, koja se sastoje od isprekidanih pulsacija, mogu izazvati biopsihičku reakciju ljudskog tijela, što može utjecati na funkcije ljudskih organa.

Mehanizmi koji rade na frekvencijama manjim od 20$\frac(rev)(s),$ generiraju infrazvuk. Ako se automobil kreće brzinom većom od 100 $\frac(km)(h)$, onda je to izvor infrazvuka, koji se pojavljuje zbog odvajanja strujanja zraka od njegove površine.

Djelovanje infrazvučnih valova

Mnogi procesi koji se događaju u ljudskom tijelu nalaze se u frekvencijskom rasponu koji odgovara frekvenciji infrazvuka, kako slijedi:

ljudsko srce kuca frekvencijom od 1-2 Hz;
delta - moždani ritam je 0,5-3,5 Hz;
alfa ritam mozga - 8-13 Hz.

Ako se vibracije infrazvučnog vala poklapaju s vibracijama ljudskih organa, onda se zbog rezonancije može ozlijediti u rezonantnom organu. 8 do 15 Hz je prirodna frekvencija ljudskog tijela. Možemo reći da svaki pokret svakog mišića ovom frekvencijom stvara blijedi mikro grč tijela. Ako ljudsko tijelo pod utjecajem infrazvuka dođe u rezonanciju, amplituda mikrokonvulzija će se deseterostruko povećati.

Na frekvenciji infrazvuka od 7-13 Hz (učestalost potresa i tajfuna, vulkanskih erupcija) životinje pokušavaju napustiti izvor prirodne katastrofe.

Najopasniji je infrazvuk s frekvencijama od 6-9 Hz. Frekvencija infrazvuka od 7 Hz odgovara vibracijama mozga u mirovanju, s takvim zvukom psihotropni učinak je maksimalan, bilo kakvo mentalno opterećenje je nemoguće, glava je rastrgana. Sredinom 20. stoljeća eksperimentalno je utvrđeno da na infrazvuku od 6 Hz čovjek osjeća umor, zatim tjeskobu koja prelazi u užas. Na 7 Hz moguća je paraliza srca i živčanog sustava.

Primjeri problema s rješenjem

Primjer 1

Vježbajte.Šišmiš emitira ultrazvuk s frekvencijom od $(\nu )_0,$ krećući se u smjeru fiksnog rezonatora, koji je podešen na frekvenciju od $(\nu )_r\ (Sl.1)$. Kojom se brzinom kretao miš ako su zvučni valovi koje je stvorio uzrokovali vibriranje rezonatora? Temperatura zraka $T,\ $molarna masa $\mu $, Poissonov omjer - $\gamma $.

Riješenje. U skladu s Dopplerovim efektom, frekvencija zvuka koji će rezonator percipirati jednaka je:

\[\nu =\frac(v"+u)(v"-v)(\nu )_0\lijevo(1.1\desno),\]

gdje je $(\nu )_0$ frekvencija zvuka koji ispušta miš; $v"$ je brzina zvuka u materiji (u zraku). Budući da je rezonator nepomičan, pretvaramo izraz (1.1) u oblik:

\[\nu =\frac(v")(v"-v)(\nu )_0\lijevo(1.2\desno),\]

Iz formule (1.2) dobivamo brzinu leta miša:

Brzinu zvuka nalazimo kao:

Da bi valovi koji dolaze do rezonatora izazvali njegove oscilacije, njihova frekvencija mora se podudarati s prirodnom frekvencijom rezonatora:

\[\nu =(\nu )_r\lijevo(1.5\desno).\]

Uzimajući u obzir (1.4) i (1.5), pretvaramo izraz (1.3) u oblik:

Odgovor.$v=\sqrt(\frac(\gamma RT)(\mu))\left(1-\frac((\nu )_0)((\nu )_r)\desno)\ \frac(m)(s )$

Primjer 2

Vježbajte. Zašto dupini za komunikaciju koriste ultrazvuk frekvencije oko 10-400 Hz, a za lokaciju zvuka koriste frekvencije od 750 - $3\cdot (10)^5Hz$?

Riješenje. Kako bi se postigla veća točnost u lociranju okolnih objekata, treba koristiti valove visokih frekvencija (male duljine), jer ako su dimenzije objekata veće od valne duljine, onda se dobiva zrcalni odraz vala. U svrhu komunikacije svrsishodnije je koristiti duge valove (niske frekvencije), koji su slabo prigušeni pri svladavanju značajnih udaljenosti.

Mehaničke valove s frekvencijom titranja većom od 20 000 Hz čovjek ne percipira kao zvuk. Zovu se ultrazvučni valovi ili ultrazvuk. Ultrazvuk snažno apsorbiraju plinovi, a višestruko slabije krute tvari i tekućine. Stoga se ultrazvučni valovi mogu širiti na značajne udaljenosti samo u krutim tvarima i tekućinama.

Budući da je energija koju nose valovi proporcionalna gustoći medija i kvadratu frekvencije, ultrazvuk može nositi puno više energije od zvučnih valova. Još jedno važno svojstvo ultrazvuka je da je njegovo usmjereno zračenje relativno lako izvesti. Sve to omogućuje široku primjenu ultrazvuka u tehnologiji.

Opisana svojstva ultrazvuka koriste se u ehosonderu - uređaju za određivanje dubine mora (sl. 25.11). Brod je opremljen izvorom i prijemnikom ultrazvuka određene frekvencije. Izvor šalje kratke ultrazvučne impulse, a prijemnik prima reflektirane impulse. Poznavajući vrijeme između slanja i primanja impulsa i brzinu širenja ultrazvuka u vodi, pomoću formule (25.3) odredimo dubinu mora. Slično radi i ultrazvučni lokator koji se koristi za određivanje udaljenosti do prepreke na kojoj se nalazi

putanja broda u vodoravnom smjeru. U nedostatku takvih prepreka, ultrazvučni impulsi se ne vraćaju na brod.

Zanimljivo je da neke životinje, poput šišmiša, imaju organe koji djeluju na principu ultrazvučnog lokatora, što im omogućuje dobru navigaciju u mraku. Dupini imaju savršen ultrazvučni lokator. -

Kada ultrazvuk prolazi kroz tekućinu, čestice tekućine dobivaju velika ubrzanja i snažno utječu na različita tijela smještena u tekućini. To se koristi za ubrzavanje raznih tehnoloških procesa (primjerice, priprema otopina, pranje dijelova, štavljenje kože, itd.).

Intenzivnim ultrazvučnim vibracijama u tekućini njezine čestice postižu tako velika ubrzanja da se u tekućini za kratko vrijeme stvaraju praznine (praznine), koje se naglo urušavaju stvarajući mnoge male udare, tj. dolazi do kavitacije. U takvim uvjetima tekućina ima snažan učinak drobljenja, koji se koristi za pripremu suspenzija koje se sastoje od atomiziranih čestica krutine u tekućini i emulzija - suspenzija malih kapljica jedne tekućine u drugoj.

Ultrazvuk se koristi za otkrivanje nedostataka na metalnim dijelovima. U suvremenoj tehnologiji primjena ultrazvuka je toliko opsežna da je teško čak i nabrojati sva područja njegove uporabe.

Imajte na umu da se mehanički valovi s frekvencijom titranja manjom od 16 Hz nazivaju infrazvučnim valovima ili infrazvukom. Također ne izazivaju zvučne senzacije.Infrazvučni valovi se javljaju na moru tijekom uragana i potresa. Brzina širenja infrazvuka u vodi puno je veća od brzine kretanja uragana ili divovskih valova tsunamija nastalih tijekom potresa, što omogućuje nekim morskim životinjama koje imaju sposobnost percepcije infrazvuka da na taj način primaju signale o približavanju opasnosti. .

Frekvencije od 16 Hz - 20 kHz, koje je ljudski slušni aparat sposoban percipirati, obično se nazivaju zvukom ili akustikom, na primjer, škripa komarca „10 kHz. Ali zrak, dubine mora i utrobe zemlje ispunjeni su zvukovima koji se nalaze izvan ovog raspona - infra i ultrazvuk. U prirodi se ultrazvuk nalazi kao sastavni dio mnogih prirodnih zvukova, u buci vjetra, vodopada, kiše, morskog kamenčića, surfanja, pražnjenja groma. Mnogi sisavci, poput mačaka i pasa, imaju sposobnost percepcije ultrazvuka do 100 kHz, a lokacijske sposobnosti šišmiša, noćnih kukaca i morskih životinja svima su dobro poznate. Postojanje takvih zvukova otkriveno je razvojem akustike tek krajem 19. stoljeća. Istodobno su započele i prve studije ultrazvuka, ali su temelji za njegovu primjenu postavljeni tek u prvoj trećini 20. stoljeća.

Što je ultrazvuk

Ultrazvučni valovi (nečujni zvuk) po svojoj prirodi ne razlikuju se od valova čujnog raspona i pokoravaju se istim fizikalnim zakonima. Ali ultrazvuk ima specifične značajke koje su odredile njegovu široku primjenu u znanosti i tehnologiji.

Evo glavnih:

Mala valna duljina. Za najniži ultrazvučni raspon, valna duljina ne prelazi nekoliko centimetara u većini medija. Kratka valna duljina određuje prirodu zraka širenja ultrazvučnih valova. U blizini odašiljača, ultrazvuk se širi u obliku snopa bliskih veličini emitera. Udarajući u nehomogenosti u mediju, ultrazvučna zraka se ponaša poput svjetlosne zrake, doživljava refleksiju, lom, raspršenje, što omogućuje stvaranje zvučnih slika u optički neprozirnim medijima koristeći isključivo optičke efekte (fokusiranje, difrakcija itd.)
Malo razdoblje oscilacija, koje omogućuje emitiranje ultrazvuka u obliku impulsa i izvođenje točne vremenske selekcije širećih signala u mediju.
Mogućnost dobivanja visokih vrijednosti intenziteta oscilacija pri maloj amplitudi, jer energija oscilacija proporcionalna je kvadratu frekvencije. To omogućuje stvaranje ultrazvučnih zraka i polja s visokom razinom energije bez potrebe za velikom opremom.
U ultrazvučnom polju razvijaju se značajne akustične struje, pa utjecaj ultrazvuka na medij stvara specifične fizikalne, kemijske, biološke i medicinske učinke, kao što su kavitacija, kapilarni učinak, disperzija, emulgiranje, otplinjavanje, dezinfekcija, lokalno zagrijavanje i mnoge druge.

Povijest ultrazvuka

Pozornost na akustiku izazvale su potrebe mornarica vodećih sila - Engleske i Francuske, jer. akustični - jedina vrsta signala koja može daleko putovati u vodi. Godine 1826. francuski znanstvenik Colladon odredio je brzinu zvuka u vodi. Colladonov eksperiment smatra se rođenjem moderne hidroakustike. Udarac u podvodno zvono u Ženevskom jezeru dogodio se uz istovremeno paljenje baruta. Colladon je promatrao bljesak baruta na udaljenosti od 10 milja. Čuo je i zvuk zvona kroz podvodnu slušnu cijev. Mjerenjem vremenskog intervala između ova dva događaja, Colladon je izračunao brzinu zvuka - 1435 m/s. Razlika sa modernim proračunima je samo 3 m/s.

Godine 1838. u Sjedinjenim Državama zvuk je prvi put korišten za određivanje profila morskog dna. Izvor zvuka, kao iu Colladonovom iskustvu, bilo je zvono koje je zvučalo pod vodom, a prijemnik su bile velike slušne cijevi koje su pale preko palube. Rezultati pokusa bili su razočaravajući - zvuk zvona, kao i eksplozija barutnih patrona u vodi, dali su preslabu jeku, gotovo nečujnu među ostalim zvukovima mora. Trebalo je ići u područje viših frekvencija, što bi omogućilo stvaranje usmjerenih zvučnih zraka.

Prvi ultrazvučni generator izradio je 1883. Englez Galton. Ultrazvuk je nastao poput zvuka visokog tona na rubu noža kada ga udari struja zraka. Ulogu takvog vrha u Galtonovoj zviždaljci imao je cilindar oštrih rubova. Zrak (ili drugi plin) koji je izlazio pod tlakom kroz prstenastu mlaznicu promjera istoga kao i rub cilindra, uletio je u nju i došlo je do visokofrekventnih oscilacija. Puhanjem u zviždaljku vodikom bilo je moguće dobiti oscilacije do 170 kHz.

Godine 1880. Pierre i Jacques Curie došli su do odlučujućeg otkrića za ultrazvučnu tehnologiju. Braća Curie primijetili su da kada se pritisak primijeni na kristale kvarca, nastaje električni naboj koji je izravno proporcionalan sili primijenjenoj na kristal. Ovaj fenomen je nazvan "piezoelektricitet" od grčke riječi koja znači "pritisnuti". Osim toga, pokazali su inverzni piezoelektrični efekt, koji se javlja kada se na kristal primijeni električni potencijal koji se brzo mijenja, uzrokujući da on vibrira. Od sada je postalo tehnički moguće proizvoditi male odašiljače i prijemnike ultrazvuka.

Smrt Titanica od sudara s santom leda, potreba za borbom protiv novog oružja - podmornice su zahtijevale brz razvoj ultrazvučne hidroakustike. Godine 1914. francuski fizičar Paul Langevin, zajedno s ruskim znanstvenikom koji živi u Švicarskoj, Konstantinom Shilovskim, prvi je razvio sonar koji se sastojao od ultrazvučnog odašiljača i hidrofona - prijemnika ultrazvučnih vibracija na temelju piezoelektričnog efekta. Sonar Langevin-Shilovsky bio je prvi ultrazvučni uređaj koji se koristio u praksi. Također početkom stoljeća, ruski znanstvenik S.Ya.Sokolov razvio je osnove ultrazvučne detekcije grešaka u industriji. Godine 1937. njemački psihijatar Karl Dussik, zajedno sa svojim bratom Friedrichom, fizičarem, prvi je upotrijebio ultrazvuk za otkrivanje tumora na mozgu, ali rezultati koje su dobili bili su nepouzdani. U medicinskoj dijagnostici ultrazvuk se počeo koristiti tek 1950-ih godina u Sjedinjenim Državama.

Primjena ultrazvuka

Različite primjene ultrazvuka mogu se podijeliti u tri područja:

primanje informacija ultrazvukom
učinak na materiju
obrada i prijenos signala

Ovisnost brzine širenja i prigušenja akustičnih valova o svojstvima tvari i procesima koji se u njima odvijaju koristi se za:

kontrola tijeka kemijskih reakcija, faznih prijelaza, polimerizacije itd.
određivanje karakteristika čvrstoće i sastava materijala,
utvrđivanje prisutnosti nečistoća,
određivanje brzine protoka tekućine i plina

Uz pomoć ultrazvuka možete oprati, otjerati glodavce, koristiti u medicini, provjeriti razne materijale na nedostatke i još mnogo toga.

Ultrazvuk- elastične zvučne vibracije visoke frekvencije. Ljudsko uho percipira elastične valove koji se šire u mediju s frekvencijom do približno 16-20 kHz; vibracije s višom frekvencijom predstavljaju ultrazvuk (izvan sluha). Obično se ultrazvučni raspon smatra frekvencijskim pojasom od 20 000 do milijardu Hz. Zvučne vibracije veće frekvencije nazivaju se hiperzvukom. U tekućinama i čvrstim tvarima zvučne vibracije mogu doseći 1000 GHz

Iako znanstvenici već dugo znaju za postojanje ultrazvuka, njegova praktična primjena u znanosti, tehnologiji i industriji počela je relativno nedavno. Sada se ultrazvuk široko koristi u raznim područjima fizike, tehnologije, kemije i medicine.

Izvori ultrazvuka

Frekvencija mikrovalnih ultrazvučnih valova koji se koriste u industriji i biologiji leži u rasponu od nekoliko MHz. Fokusiranje takvih zraka obično se provodi pomoću posebnih zvučnih leća i zrcala. Ultrazvučna zraka sa potrebnim parametrima može se dobiti pomoću odgovarajućeg pretvarača. Najčešći keramički pretvarači su izrađeni od barij titanita. U slučajevima kada je snaga ultrazvučnog snopa od primarne važnosti, obično se koriste mehanički izvori ultrazvuka. U početku su se svi ultrazvučni valovi primali mehanički (memorije, zviždaljke, sirene).

U prirodi se US nalazi i kao sastavni dio mnogih prirodnih zvukova (u buci vjetra, slapa, kiše, u buci šljunka koji se kotrlja morskim daskom, u zvukovima koji prate munje, itd.), i među zvukove životinjskog svijeta. Neke životinje koriste ultrazvučne valove za otkrivanje prepreka, orijentacije u prostoru.

Ultrazvučni emiteri se mogu podijeliti u dvije velike skupine. Prvi uključuje emitere-generatore; oscilacije se u njima pobuđuju zbog prisutnosti prepreka na putu stalnog toka - mlaza plina ili tekućine. Druga skupina emitera - elektro-akustični pretvarači; već zadane oscilacije električnog napona ili struje pretvaraju u mehaničko titranje čvrstog tijela, koje emitira akustične valove u okolinu.Primjeri emitera: Galtonova zviždaljka, tekućina i ultrazvučna zviždaljka, sirena.

Širenje ultrazvuka.

Širenje ultrazvuka je proces kretanja u prostoru i vremenu poremećaja koji se odvijaju u zvučnom valu.

Zvučni val širi se u tvari koja je u plinovitom, tekućem ili čvrstom stanju u istom smjeru u kojem se pomiču čestice te tvari, odnosno izaziva deformaciju medija. Deformacija se sastoji u tome što dolazi do uzastopnog razrjeđivanja i kompresije određenih volumena medija, a udaljenost između dva susjedna područja odgovara duljini ultrazvučnog vala. Što je veći specifični akustički otpor medija, to je veći stupanj kompresije i razrjeđivanja medija pri danoj amplitudi titranja.

Čestice medija koje sudjeluju u prijenosu energije valova osciliraju oko svog ravnotežnog položaja. Brzina kojom čestice osciliraju oko svog srednjeg ravnotežnog položaja naziva se oscilatorna

ubrzati.

Difrakcija, interferencija

Tijekom širenja ultrazvučnih valova mogući su fenomeni difrakcije, interferencije i refleksije.

Difrakcija (valovi koji se savijaju oko prepreka) nastaje kada je valna duljina ultrazvučnog vala usporediva (ili veća) s veličinom prepreke na putu. Ako je prepreka velika u odnosu na akustičnu valnu duljinu, onda nema fenomena difrakcije.

Uz istodobno kretanje nekoliko ultrazvučnih valova u tkivu u određenoj točki medija može doći do superpozicije tih valova. Ova superpozicija valova jedan na drugoga zajednički se naziva interferencija. Ako se ultrazvučni valovi sijeku u procesu prolaska kroz biološki objekt, tada se u određenoj točki biološkog medija opaža povećanje ili smanjenje oscilacija. Rezultat interferencije ovisit će o prostornom odnosu faza ultrazvučnih vibracija u danoj točki medija. Ako ultrazvučni valovi dosegnu određeno područje medija u istim fazama (u fazi), tada pomaci čestica imaju iste predznake i smetnje u takvim uvjetima povećavaju amplitudu ultrazvučnih vibracija. Ako ultrazvučni valovi stignu na određeno mjesto u antifazi, tada će pomicanje čestica biti popraćeno različitim znakovima, što dovodi do smanjenja amplitude ultrazvučnih vibracija.

Interferencija ima važnu ulogu u procjeni pojava koje se javljaju u tkivima oko ultrazvučnog emitera. Od posebne su važnosti smetnje tijekom širenja ultrazvučnih valova u suprotnim smjerovima nakon njihovog odbijanja od prepreke.

Apsorpcija ultrazvučnih valova

Ako medij u kojem se širi ultrazvuk ima viskoznost i toplinsku vodljivost, ili u njemu postoje drugi procesi unutarnjeg trenja, onda kada se val širi, zvuk se apsorbira, odnosno kako se udaljava od izvora, amplituda ultrazvučnih vibracija postaje manji, kao i energija koju nose. Medij u kojem se ultrazvuk širi je u interakciji s energijom koja prolazi kroz njega i apsorbira dio nje. Pretežni dio apsorbirane energije pretvara se u toplinu, manji dio uzrokuje nepovratne strukturne promjene u prijenosnoj tvari. Apsorpcija je rezultat trenja čestica jedna o drugu, u različitim medijima je različita. Apsorpcija također ovisi o učestalosti ultrazvučnih vibracija. Teoretski, apsorpcija je proporcionalna kvadratu frekvencije.

Vrijednost apsorpcije može se okarakterizirati koeficijentom apsorpcije, koji pokazuje kako se mijenja intenzitet ultrazvuka u ozračenom mediju. Povećava se s učestalošću. Intenzitet ultrazvučnih vibracija u mediju opada eksponencijalno. Taj je proces posljedica unutarnjeg trenja, toplinske vodljivosti apsorbirajućeg medija i njegove strukture. Okvirno ga karakterizira veličina poluapsorbirajućeg sloja, koji pokazuje na kojoj dubini se intenzitet oscilacija smanjuje za polovicu (točnije, za 2,718 puta ili za 63%). Prema Palmanu, na frekvenciji od 0,8 MHz, prosječne vrijednosti poluapsorbirajućeg sloja za neka tkiva su sljedeće: masno tkivo - 6,8 cm; mišićav - 3,6 cm; masno i mišićno tkivo zajedno - 4,9 cm.S povećanjem učestalosti ultrazvuka, vrijednost poluapsorbirajućeg sloja se smanjuje. Dakle, na frekvenciji od 2,4 MHz, intenzitet ultrazvuka koji prolazi kroz masno i mišićno tkivo se prepolovi na dubini od 1,5 cm.

Osim toga, moguća je anomalna apsorpcija energije ultrazvučnih vibracija u određenim frekvencijskim rasponima - to ovisi o karakteristikama molekularne strukture danog tkiva. Poznato je da je 2/3 ultrazvučne energije prigušeno na molekularnoj razini, a 1/3 na razini mikroskopskih struktura tkiva.

Dubina prodiranja ultrazvučnih valova

Pod dubinom prodiranja ultrazvuka razumjeti dubinu na kojoj se intenzitet smanjuje za polovicu. Ova vrijednost je obrnuto proporcionalna apsorpciji: što medij jače apsorbira ultrazvuk, to je manja udaljenost na kojoj se intenzitet ultrazvuka upola slabi.

Rasipanje ultrazvučnih valova

Ako u mediju postoje nehomogenosti, dolazi do raspršivanja zvuka, što može značajno promijeniti jednostavan obrazac širenja ultrazvuka i, u konačnici, također uzrokovati slabljenje vala u izvornom smjeru širenja.

Refrakcija ultrazvučnih valova

Budući da se akustički otpor mekih tkiva čovjeka ne razlikuje mnogo od otpora vode, može se pretpostaviti da će se lom ultrazvučnih valova uočiti na granici između medija (epidermis - dermis - fascija - mišić).

Refleksija ultrazvučnih valova

Ultrazvučna dijagnostika temelji se na fenomenu refleksije. Refleksija se događa u graničnim područjima kože i masnog tkiva, masti i mišića, mišića i kostiju. Ako ultrazvuk naiđe na prepreku tijekom širenja, tada dolazi do refleksije, ako je prepreka mala, tada ultrazvuk teče oko nje, takoreći. Heterogenosti tijela ne uzrokuju značajna odstupanja, jer se, u usporedbi s valnom duljinom (2 mm), njihove dimenzije (0,1-0,2 mm) mogu zanemariti. Ako ultrazvuk na svom putu naiđe na organe koji su veći od valne duljine, tada dolazi do prelamanja i refleksije ultrazvuka. Najjača refleksija se opaža na granicama kosti - okolna tkiva i tkiva - zrak. Zrak ima malu gustoću i uočava se gotovo potpuna refleksija ultrazvuka. Refleksija ultrazvučnih valova opaža se na granici mišić - periost - kost, na površini šupljih organa.

Putujući i stajaći ultrazvučni valovi

Ako se tijekom širenja ultrazvučnih valova u mediju ne reflektiraju, nastaju putujući valovi. Kao posljedica gubitaka energije, oscilatorna gibanja čestica medija postupno opadaju, a što su čestice udaljenije od površine zračenja, to je amplituda njihovih oscilacija manja. Međutim, ako na putu širenja ultrazvučnih valova postoje tkiva s različitim specifičnim akustičkim otporima, tada se ultrazvučni valovi u jednom ili drugom stupnju odbijaju od graničnog presjeka. Superpozicija upadnih i reflektiranih ultrazvučnih valova može dovesti do stajaćih valova. Da bi se pojavili stojni valovi, udaljenost od površine emitera do reflektirajuće površine mora biti višekratnik polovice valne duljine.