Ультразвук

Ультразвук – упругие колебания и волны с частотами примерно от 20 000 Гц и до одного миллиона Герц, иными словами, колебания с частотами свыше частоту слышимого звука. Верхний предел частот ультразвука условна.
Физиотерапевты часто используют ультразвук для ускорения срастания сломанных костей, однако, как именно ультразвук воздействует на механизм заживления, пока не совсем понятно. Одна из теорий гласит, что ультразвук имеет эффект, похожий на активных упражнений, нагружая кость и заставляя ее производить больше костных клеток – этот процесс называется остеогенезом.
Лечебным фактором метода является ультразвуковые колебания (более 20 000 Гц).
Техника
Отечественные аппараты "Ультразвук Т5", УЗТ-101 работают как в непрерывном, да и в импульсном режимах. Процедуры проводят с помощью ультразвукового вибратора (датчик). Дозируется ультразвук в ваттах на площадь (в см ?) ультразвуковой головки. Аппараты оборудованы двумя вибраторами, один из которых имеет площадь 4 см ?, второй – 1 см ?. Шкала интенсивности от 0,05-0,1-0,2 и т.д. до 1-2 Вт / см ?, что удобно для лечения небольшими дозами (слабые – 0,05-0,4 Вт / см ?; средние – 0,5-0,8 Вт / см ?; сильные – 0,9-1,2 Вт / см ?). Пользуются лабильной методике воздействия, при которой вибратором осуществляют медленные продольные и круговые движения по определенном участке. Кожу и поверхность вибратора необходимо смазать вазелином (можно глицерином, рафинированной подсолнечным маслом), так как воздух отражает ультразвук. При подводной методике (удобной при озвучивании мелких суставов кистей и стоп) конечность и вибратор погружают в подогретую воду (30-32 ° C), в фаянсовой или пластмассовой ванночке, и вибратор медленно перемещают вокруг суставов на расстоянии 1-2 см). Частота сверхвысокочастотных ультразвуковых волн, используемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц. Фокусировка таких пучков обычно осуществляется с помощью специальных звуковых линз и зеркал. Ультразвуковой пучок с необходимыми параметрами можно получить с помощью соответствующего преобразователя. Наиболее распространены керамические преобразователи из титаната бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвукового пучка, обычно используются механические источники ультразвука. Сначала все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертон, свистки, сирены). В природе встречается УЗ как в качестве компоненты многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатывается морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий, ориентирование в пространстве. Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока – струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей – электроакустические преобразователи; они превратят уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, и излучает в окружающую среду акустические волны.
Первый ультразвуковой свисток сделал в 1883 году англичанин Гальтон. Ультразвук здесь создается подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистка Гальтона играет «губа» в маленькой цилиндрической резонансной полости. Газ пропускается под высоким давлением через полый цилиндр, ударяется в этой «губы»; возникают колебания, частота которых (она составляет около 170 кГц) определяется размерами сопла и губы. Мощность свистка Гальтона невелика. В основном его применяют для подачи команд при дрессировке собак.
Большинство ультразвуковых свистков можно приспособить для работы в жидкой среде. По сравнению с электрическими источниками ультразвука жидкостные ультразвуковые свистки маломощны, но иногда, например, для ультразвуковой гомогенизации, они обладают существенным преимуществом. Так как ультразвуковые волны возникают непосредственно в жидкой среде, то не происходит потери энергии ультразвуковых волн при переходе из одной среды в другую. Пожалуй, наиболее удачной является конструкция жидкостного ультразвукового свистка, изготовленного английскими учеными Коттелем и Гудменом в начале 50-х годов 20 века. В нем поток жидкости под высоким давлением выходит из эллиптического сопла и направляется на стальную пластинку. Различные модификации этой конструкции получили довольно широкое распространение для получения однородных сред. Благодаря простоте и устойчивости своей конструкции (разрушается только колеблющаяся пластинка) такие системы долговечны и недороги.
Другая разновидность механических источников ультразвука – сирена. Она обладает относительно большой мощностью и применяется в милицейских и пожарных машинах. Все ротационные сирены состоят из камеры, закрытой сверху диском (статором), в котором сделано большое количество отверстий. Столько же отверстий имеется и на вращающемся внутри камеры диск – роторе. При вращении ротора положение отверстий в нем периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подается сжатый воздух, который вырывается из нее в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают.
Основная задача при изготовлении сирен – это, во-первых, сделать как можно больше отверстий в роторе и, во-вторых, достичь большой скорости его вращения. Однако практически выполнить оба эти требования очень трудно.
Летучие мыши, использующие при ночном ориентировании эхолокацию, выпускают при этом ртом (Кожанова – Vesperti lianidae +) или имеют форму параболического зеркала носовым отверстием (подковонос – Rhinolophidae) сигналы чрезвычайно высокой интенсивности. На расстоянии 1 – 5 см от головы животного давление ультразвука достигает 60 мбар, т.е. соответствует в слышимом нами частотной области давления звука, создаваемого отбойным молотком. Эхо своих сигналов летучие мыши способны воспринимать при давлении всего 0,001 мбар, т.е. в 10000 раз меньше, чем выпускаемые сигналов. При этом летучие мыши могут обходить при полете препятствия даже в том случае, когда на эхолокационные сигналы накладываются ультразвуковые помехи с давлением 20 мбар. Механизм этой высокой помехоустойчивости еще неизвестен. При локализации летучими мышами предметов, например, вертикально натянутых нитей с диаметром всего 0005 – 0008 мм на расстоянии 20см (половина размаха крыльев), решающую роль играют сдвиг во времени и разница в интенсивности между выпускаются и отраженным сигналами. Подковоносы могут ориентироваться и с помощью только одного уха (моноурально), что существенно облегчается крупными непрерывно движущимися ушными раковинами. Они способны компенсировать даже частотный сдвиг между выпускаются и отраженными сигналами, обусловленный эффектом Доплера (при приближении к предмету эхо является более высокочастотным, чем посылается сигнал). Снижая при полете эхолокационные частоту таким образом, чтобы частота отраженного ультразвука оставалась в области максимальной чувствительности их «слуховых» центров, они могут определить скорость собственного перемещения.
В ночных бабочек из семейства медведиц развился генератор ультразвуковых помех, «сбивающий со следа» летучих мышей, преследующих этих насекомых.
Не менее умелые навигаторы – жирные козодоя, или гуахаро. Населяют они горные пещеры Латинской Америки – от Панамы на северо-западе до Перу на юге и на востоке Суринама. Самый большой подарок природы – это способность гуахаро к эхолокации. Живя в кромешной тьме, жирные козодоя, тем не менее, приспособились виртуозно летать по пещерам. Они издают негромкие щелкающие звуки, свободно улавливает и человеческим ухом (их частота примерно 7 000 Герц). Каждый щелчок продолжается одну-две миллисекунды. Звук щелчка отражается от стен подземелья, разных выступов и препятствий и воспринимается чуткой птицей.
Ультразвуковую эхолокацию в воде прекрасно освоили китообразные.
Терапевтическое применение ультразвука в медицине
Помимо широкого использования в диагностических целях (см. Ультразвуковое исследование), ультразвук применяется в медицине как лечебное средство.
Ультразвук имеет действие: противовоспалительное, рассасывающее анальгезирующее, спазмолитическое кавитационным усилением проницаемости кожи
Фонофорез – совмещенный метод, при котором на ткани действуют ультразвуком и вводимых с его помощью лечебными веществами (как медикаментами, так и природного происхождения). Проведение веществ под действием ультразвука обусловлено повышением проницаемости эпидермиса и кожных желез, клеточных мембран и стенок сосудов для веществ небольшой молекулярной массы, особенно – ионов минералов бишофита. [1] Удобство ультрафонофорезу медикаментов и природных веществ: лечебное вещество при введении ультразвуком не разрушается синергизм действия ультразвука и лечебного вещества
Показания к ультрафонофорез бишофита: остеоартроз, остеохондроз, артриты, бурситы, эпикондилит, пяточная шпора, состояния после травм опорно-двигательного аппарата; Невриты, нейропатии, радикулиты, невралгии, травмы нервов.
Наносится бишофит-гель и рабочей поверхностью излучателя проводится микро-массаж зоны влияния. Методика лабильная, обычная для ультрафонофореза (при ОФФ суставов, позвоночника интенсивность в области шейного отдела – 0,2-0,4 Вт/см2, В области грудного и поясничного отдела – 0,4-0,6 Вт/см2).
На обычных металлорежущих станках нельзя просверлить в металлической детали узкое отверстие сложной формы, например в виде пятиконечной звезды. Тут без слесаря не обойдешься, а с помощью ультразвука это можно сделать. Магнитострикционных вибратор может просверлить отверстие любой формы. Ультразвуковое долото вполне заменяет фрезерный станок. При этом такое долото намного проще фрезерного станка и обрабатывать им металлические детали дешевле и быстрее, чем фрезерным станком. Ультразвуком можно даже делать винтовую нарезку в металлических деталях, в стекле, в рубин, в алмазе. Обычно резьба сначала делается в мягком металле, а потом уже деталь подвергают закалке. На ультразвуковом станке резьбу можно делать в уже закаленном металле и в самых твердых сплавах. То же и со штампами. Обычно штамп закаляют уже после его тщательной обработки. На ультразвуковом станке сложную обработку производит абразив (наждак, корундовые порошок) в поле ультразвуковой волны. Непрерывно колеблясь в поле ультразвука, частицы твердого порошка «вгрызаются в обрабатываемый сплав и вырезают отверстие такой же формы, как и у долота. Большинство ультразвуковых станков работает бесшумно. В недалеком будущем в цехах металлообрабатывающих заводов не будет ни лязга, ни грохота. Путь к тишине идет через звук.
Широко применяется ультразвук для приготовления однородных смесей (гомогенизации). Еще в 1927 году американские ученые Лимус и Вуд обнаружили, что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду) слить в одну мензурку и подвергнуть облучению ультразвуком, то в мензурку образуется эмульсия, то есть мелкая взвесь масла в воде. Подобные эмульсии играют большую роль в промышленности: это лаки, краски, фармацевтические изделия, косметика.
Способность ультразвука разрывать оболочки клеток нашла применение в биологических исследованиях, например, при необходимости отделить клетку от ферментов. Ультразвук используется также для разрушения таких внутриклеточных структур, как митохондрии и хлоропласты с целью изучения взаимосвязи между их структурой и функциями. Другое применение ультразвука в биологии связано с его способностью вызывать мутации. Исследования, проведенные в Оксфорде, показали, что ультразвук даже малой интенсивности может повредить молекулу ДНК. Искусственное целенаправленное создание мутаций играет большую роль в селекции растений. Главное преимущество ультразвука перед другими мутагенами (рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи) заключается в том, что с ним чрезвычайно легко работать.
В лабораториях и на производстве применяются ультразвуковые ванны для очистки лабораторной посуды и деталей от мелких частиц. В ювелирной промышленности ювелирные изделия очищают от мелких частиц полировальные пасты в ультразвуковых ваннах. В некоторых стиральных машинах применяют ультразвук для стирки белья.
В некоторых пищевых производствах применяют ультразвуковые ванны для очистки корнеплодов (картофеля, моркови, свеклы и др.) от частиц земли.
В рыбной промышленности применяют ультразвуковую эхолокацию для выявления косяков рыб. Ультразвуковые волны отражаются от косяков рыб и приходят в приемник ультразвука раньше, чем ультразвуковая волна отразилась от дна.
Для контроля расходов и учета воды и теплоносителя с 60-х годов прошлого века в промышленности применяются ультразвуковые расходомеры.
Ультразвук хорошо распространяется в некоторых материалах, что позволяет использовать его для ультразвуковой дефектоскопии изделий из этих материалов. В последнее время получает развивающие направление ультразвуковой микроскопии (с использованием частот от 100 МГц до 2 ГГц), что позволяет исследовать подповерхностных слой материала с хорошей разрешающей способностью.
Ультразвуковая сварка – сварка давлением, осуществляется при воздействии ультразвуковых колебаний. Такой вид сварки применяется для соединения деталей, нагрев которых затруднено, или при соединении разнородных металлов или металлов с крепкими окислительными пленками (алюминий, нержавеющие стали, магнитопроводы из пермаллоя и т.п.). Так ультразвуковая сварка применяется при производстве интегральных микросхем.
Ультразвук применяют для интенсификации гальванических процессов и улучшения качества покрытий, получаемых электрохимическим способом.

шины hankook