21. sajand on raadioelektroonika, aatomi, kosmoseuuringute ja ultraheli sajand. Ultraheliteadus on tänapäeval suhteliselt noor. 19. sajandi lõpus viis oma esimesed uurimused läbi vene füsioloog P. N. Lebedev. Pärast seda hakkasid paljud väljapaistvad teadlased ultraheliuuringuid uurima.
Mis on ultraheli?
Ultraheli on leviv laineline võnkuv liikumine, mida tekitavad keskkonna osakesed. Sellel on oma omadused, mille poolest see erineb kuuldava vahemiku helidest. Ultraheli vahemikus on suhteliselt lihtne saada suunatud kiirgust. Lisaks fokusseerib hästi ning selle tulemusena suureneb tehtud võnkumiste intensiivsus. Kui ultraheli levib tahkestes, vedelikes ja gaasides, siis tekivad huvitavad nähtused, mis on leidnud praktilist rakendust paljudes tehnika ja teaduse valdkondades. See on ultraheli, mille roll erinevates eluvaldkondades on tänapäeval väga suur.
Ultraheli roll teaduses ja praktikas
Ultraheli hakkas viimastel aastatel teadusuuringutes mängimajärjest olulisemat rolli. Eduk alt viidi läbi eksperimentaalsed ja teoreetilised uuringud akustiliste voogude ja ultraheli kavitatsiooni valdkonnas, mis võimaldasid teadlastel arendada tehnoloogilisi protsesse, mis tekivad ultraheliga kokkupuutel vedelas faasis. See on võimas meetod erinevate nähtuste uurimiseks sellises teadmistevaldkonnas nagu füüsika. Ultraheli kasutatakse näiteks pooljuhtide ja tahkisfüüsikas. Tänapäeval on moodustamisel eraldiseisev keemiaharu, mida nimetatakse "ultrahelikeemiaks". Selle kasutamine võimaldab kiirendada paljusid keemilis-tehnoloogilisi protsesse. Sündis ka molekulaarakustika – uus akustika haru, mis uurib helilainete molekulaarset vastasmõju ainega. Ilmunud on uued ultraheli rakendusvaldkonnad: holograafia, introskoopia, akustoelektroonika, ultrahelifaasi mõõtmine, kvantakustika.
Lisaks eksperimentaalsele ja teoreetilisele tööle selles valdkonnas on tänaseks tehtud palju praktilist tööd. Välja on töötatud spetsiaalsed ja universaalsed ultrahelimasinad, paigaldised, mis töötavad kõrgendatud staatilise rõhu all jne Tootmisse on viidud tootmisliinidesse kuuluvad automaatsed ultrahelipaigaldised, mis võivad oluliselt tõsta tööviljakust.
Lisateavet ultraheli kohta
Räägime lähem alt, mis on ultraheli. Oleme juba öelnud, et need on elastsed lained ja võnkumised. Ultraheli sagedus on üle 15-20 kHz. Meie kuulmise subjektiivsed omadused määravad ultraheli sageduste alumise piiri, miseraldab selle kuuldava heli sagedusest. Seetõttu on see piir tingimuslik ja igaüks meist määratleb erinev alt, mis on ultraheli. Ülemist piiri näitavad elastsed lained, nende füüsiline olemus. Nad levivad ainult materiaalses keskkonnas, see tähendab, et lainepikkus peab olema oluliselt suurem kui gaasis esinevate molekulide keskmine vaba tee või aatomitevahelised kaugused tahketes ja vedelikes. Gaaside normaalrõhul on ultraheli sageduste ülempiir 109 Hz ning tahketes ja vedelikes - 1012-10 13 Hz.
Ultraheliallikad
Ultraheli leidub looduses nii paljude looduslike helide (kosk, tuul, vihm, surfiga veeretavad kivikesed, kui ka äikesetormidega kaasnevate helide jne) komponendina kui ka selle lahutamatu osana. loomade maailm. Mõned loomaliigid kasutavad seda ruumis orienteerumiseks, takistuste tuvastamiseks. Samuti on teada, et delfiinid kasutavad looduses ultraheli (peamiselt sagedusi 80–100 kHz). Sel juhul võib nende poolt väljastatavate asukohasignaalide võimsus olla väga suur. Delfiinid suudavad teadaolev alt tuvastada kalaparve kuni kilomeetri kaugusel.
Ultraheli kiirgajad (allikad) jagunevad 2 suurde rühma. Esimene neist on generaatorid, milles võnkumisi ergastab pideva voolu teele paigaldatud takistuste olemasolu - vedeliku või gaasi joa. Teine rühm, millesse saab ultraheliallikaid ühendada, onelektroakustilised muundurid, mis muudavad antud voolu või elektripinge kõikumised mehaaniliseks vibratsiooniks, mille tekitab tahke keha, mis kiirgab keskkonda akustilisi laineid.
Ultraheli vastuvõtjad
Keskmistel ja madalatel sagedustel on ultrahelivastuvõtjad enamasti piesoelektrilist tüüpi elektroakustilised muundurid. Nad suudavad reprodutseerida vastuvõetud akustilise signaali kuju, mis on esitatud helirõhu ajast sõltuvana. Seadmed võivad olenev alt kasutustingimustest olla kas lairiba- või resonantsed. Termovastuvõtjaid kasutatakse ajakeskmiste helivälja karakteristikute saamiseks. Need on termistorid või termopaarid, mis on kaetud helisummutava ainega. Helirõhku ja intensiivsust saab hinnata ka optiliste meetoditega, näiteks valguse difraktsiooniga ultraheli abil.
Kus ultraheli kasutatakse?
Ultraheli erinevate funktsioonide kasutamisel on selle rakendusvaldkondi palju. Need piirkonnad võib laias laastus jagada kolmeks piirkonnaks. Esimene neist on seotud ultrahelilainete abil erineva teabe hankimisega. Teine suund on selle aktiivne mõju ainele. Ja kolmas on seotud signaalide edastamise ja töötlemisega. Igal juhul kasutatakse teatud sagedusvahemiku US-d. Käsitleme vaid mõnda paljudest valdkondadest, kuhu see on leidnud.
Ultrahelipuhastus
Selle puhastuse kvaliteeti ei saa võrrelda teiste meetoditega. Näiteks osade loputamisel jääb nende pinnale kuni 80% saasteainetest, vibratsioonipuhastusega umbes 55%, käsitsi puhastamisel umbes 20% ja ultrahelipuhastusega ei jää enam kui 0,5% saasteainetest. Keerulise kujuga detaile saab hästi puhastada ainult ultraheli abil. Selle kasutamise oluline eelis on kõrge tootlikkus ja madalad füüsilise töö kulud. Lisaks saate kallid ja tuleohtlikud orgaanilised lahustid asendada odavate ja ohutute vesilahustega, kasutada vedelat freooni jne.
Tõsine probleem on õhusaaste tahma, suitsu, tolmu, metallioksiidide jne abil. Ultrahelimeetodit saate kasutada gaasiväljundite õhu ja gaasi puhastamiseks, olenemata ümbritseva õhu niiskusest ja temperatuurist. Kui ultraheli emitter asetada tolmu settimiskambrisse, suureneb selle efektiivsus sadu kordi. Mis on sellise puhastamise olemus? Õhus juhuslikult liikuvad tolmuosakesed tabavad üksteist tugevam alt ja sagedamini ultraheli vibratsiooni mõjul. Samal ajal suureneb nende suurus nende ühinemise tõttu. Koagulatsioon on osakeste suurenemise protsess. Spetsiaalsed filtrid püüavad kinni nende kaalutud ja suurendatud klastrid.
Habraste ja ülikõvade materjalide töötlemine
Kui sisenete töödeldava detaili ja tööriista tööpinna vahele ultraheliga, abrasiivse materjaliga, siis abrasiivsed osakesed töötamise ajalemitter mõjutab selle osa pinda. Sel juhul materjal hävitatakse ja eemaldatakse ning töödeldakse mitmesuguste suunatud mikromõjude toimel. Töötlemise kinemaatika koosneb põhiliigutusest - lõikamisest, see tähendab tööriista poolt tekitatavatest pikisuunalistest vibratsioonidest ja abistavast - ettenihke liikumisest, mida masin teeb.
Ultraheli saab teha erinevaid töid. Abrasiivsete terade puhul on energiaallikaks pikisuunalised vibratsioonid. Nad hävitavad töödeldud materjali. Etteanaliikumine (abi) võib olla ringikujuline, põiki- ja pikisuunaline. Ultraheli töötlemine on täpsem. Sõltuv alt abrasiivi tera suurusest on see vahemikus 50 kuni 1 mikronit. Erineva kujuga tööriistade abil saate teha mitte ainult auke, vaid ka keerulisi lõikeid, kõveraid telgi, graveerida, lihvida, teha maatrikseid ja isegi puurida teemanti. Abrasiivina kasutatavad materjalid – korund, teemant, kvartsliiv, tulekivi.
Ultraheli raadioelektroonikas
Ultraheli tehnoloogias kasutatakse sageli raadioelektroonika valdkonnas. Selles piirkonnas on sageli vaja elektrisignaali edasi lükata mõne teise signaali suhtes. Teadlased on leidnud hea lahenduse, soovitades kasutada ultraheli viivitusjooni (lühendatult LZ). Nende tegevus põhineb asjaolul, et elektriimpulsid muudetakse ultraheli mehaanilisteks vibratsioonideks. Kuidas see juhtub? Fakt on see, et ultraheli kiirus on oluliselt väiksem kui elektromagnetiliste võnkumiste tekitatud kiirus. Pulsspinge pärast pöördmuundamist elektrilisteks mehaanilisteks vibratsioonideks hilineb liini väljundis sisendimpulsi suhtes.
Piesoelektrilisi ja magnetostriktiivseid muundureid kasutatakse elektriliste vibratsioonide muutmiseks mehaaniliseks ja vastupidi. LZ-d jagunevad vastav alt piesoelektriliseks ja magnetostriktiivseks.
Ultraheli meditsiinis
Elusorganismide mõjutamiseks kasutatakse erinevat tüüpi ultraheli. Meditsiinipraktikas on selle kasutamine nüüd väga populaarne. See põhineb mõjul, mis ilmneb bioloogilistes kudedes, kui ultraheli neid läbib. Lained põhjustavad söötme osakestes kõikumist, mis tekitab omamoodi kudede mikromassaaži. Ja ultraheli neeldumine viib nende lokaalse kuumenemiseni. Samal ajal toimuvad bioloogilises keskkonnas teatud füüsikalis-keemilised transformatsioonid. Need nähtused ei põhjusta mõõduka helitugevuse korral pöördumatuid kahjustusi. Need parandavad ainult ainevahetust ja aitavad seega kaasa nendega kokkupuutuva keha elutähtsale tegevusele. Selliseid nähtusi kasutatakse ultraheliravis.
Ultraheli kirurgias
Kavitatsioon ja tugev kuumenemine suure intensiivsusega põhjustavad kudede hävimist. Seda efekti kasutatakse tänapäeval kirurgias. Kirurgilistel operatsioonidel kasutatakse fokusseeritud ultraheli, mis võimaldab lokaalset hävitamist kõige sügavamates struktuurides (näiteks ajus), kahjustamata ümbritsevaid. Ultraheli kasutatakse ka kirurgiastööriistad, mille tööots näeb välja nagu viil, skalpell, nõel. Nendele tekitatud vibratsioon annab neile instrumentidele uusi omadusi. Vajalik jõud on oluliselt vähenenud, seetõttu väheneb operatsiooni traumatism. Lisaks ilmneb valuvaigistav ja hemostaatiline toime. Ultraheli abil nüri instrumendiga löömist kasutatakse teatud tüüpi kehas tekkinud kasvajate hävitamiseks.
Mõju bioloogilistele kudedele toimub mikroorganismide hävitamiseks ning seda kasutatakse ravimite ja meditsiiniinstrumentide steriliseerimisel.
Siseorganite uurimine
Peamiselt räägime kõhuõõne uurimisest. Sel eesmärgil kasutatakse spetsiaalset seadet. Ultraheli abil saab leida ja ära tunda erinevaid koe- ja anatoomilisi anomaaliaid. Väljakutse on sageli järgmine: kahtlustatakse pahaloomulist kasvajat ja seda tuleb eristada healoomulisest või nakkuslikust kahjustusest.
Ultraheli on kasulik maksa uurimisel ja muude ülesannete puhul, mis hõlmavad sapiteede ummistuste ja haiguste tuvastamist, samuti sapipõie uurimist, et tuvastada selles kivide ja muude patoloogiate olemasolu. Lisaks võib kasutada tsirroosi ja muude difuussete healoomuliste maksahaiguste testimist.
Günekoloogia valdkonnas, peamiselt munasarjade ja emaka analüüsimisel, on ultraheli kasutamine pikkpõhisuund, milles seda eriti eduk alt läbi viiakse. Sageli on siin vaja ka healoomuliste ja pahaloomuliste moodustiste eristamist, mis nõuab enamasti parimat kontrastsust ja ruumilist eraldusvõimet. Sarnased järeldused võivad olla kasulikud paljude teiste siseorganite uurimisel.
Ultraheli kasutamine hambaravis
Ultraheli on leidnud tee ka hambaravisse, kus seda kasutatakse hambakivi eemaldamiseks. See võimaldab teil kiiresti, veretult ja valutult eemaldada hambakattu ja kive. Samal ajal ei vigastata suu limaskesta ja õõnsuse "taskud" desinfitseeritakse. Valu asemel tunneb patsient soojust.
