Ultrazvuk

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 7. října 2021; kontroly vyžadují 13 úprav .

Ultrazvuk  - zvukové vlny , které mají frekvenci vyšší než ty, které vnímá lidské ucho , obvykle ultrazvuk znamená frekvence nad 20 000 Hz .

Přestože je existence ultrazvuku známá již dlouhou dobu, jeho praktické využití začalo poměrně nedávno. V dnešní době je ultrazvuk široce používán v různých fyzikálních a technologických metodách. Takže podle rychlosti šíření zvuku v médiu se posuzují jeho fyzikální vlastnosti. Měření rychlosti na ultrazvukových frekvencích umožňuje s velmi malými chybami určit například adiabatické charakteristiky rychlých procesů, hodnoty měrné tepelné kapacity plynů a elastické konstanty pevných látek.

Zdroje ultrazvuku

Frekvence ultrazvukových vibrací používaných v průmyslu a biologii se pohybuje v rozmezí od několika desítek kHz do jednotek MHz . Vysokofrekvenční oscilace se obvykle vytvářejí pomocí piezokeramických zářičů , např. z titanitu barya. V případech, kdy má primární význam síla ultrazvukových vibrací, se obvykle používají mechanické zdroje ultrazvuku. Zpočátku byly všechny ultrazvukové vlny přijímány mechanicky (ladičky, píšťaly, sirény).

V přírodě se ultrazvuk nachází jak jako součást mnoha přírodních zvuků (ve hluku větru, vodopádu, deště, v hluku oblázků válených mořským příbojem, ve zvucích doprovázejících výboje blesku atd.), tak mezi zvuky zvířecího světa . Některá zvířata používají ultrazvukové vlny k detekci překážek, navigaci v prostoru a komunikaci ( velryby , delfíni , netopýři , hlodavci , nártouni ).

Ultrazvukové zářiče lze rozdělit do dvou velkých skupin. První zahrnuje emitory- generátory ; oscilace v nich jsou buzeny v důsledku přítomnosti překážek v cestě konstantního toku - proudu plynu nebo kapaliny. Druhou skupinou emitorů jsou elektroakustické měniče; převádějí již dané kolísání elektrického napětí nebo proudu na mechanické kmitání pevného tělesa, které vyzařuje akustické vlny do okolí.

Whistle of Galton

První ultrazvukovou píšťalu vyrobil v roce 1883 Angličan Francis Galton .

Ultrazvuk zde vzniká jako vysoký zvuk na ostří nože, když na něj dopadne proud vzduchu. Roli takového hrotu u galtonské píšťaly hraje „pysk“ v malé válcovité rezonanční dutině. Na tento „ret“ narazí vysokotlaký plyn procházející dutým válcem; dochází k oscilacím, jejichž frekvence (asi 170 kHz) je dána velikostí trysky a břitu. Síla Galtonovy píšťaly je nízká. Používá se především k zadávání povelů při výcviku psů a koček.

Tekutá ultrazvuková píšťalka

Většinu ultrazvukových píšťal lze přizpůsobit pro práci v kapalném médiu. Kapalné ultrazvukové píšťaly mají oproti elektrickým zdrojům ultrazvuku malý výkon, ale někdy např. pro ultrazvukovou homogenizaci mají značnou výhodu. Protože ultrazvukové vlny vznikají přímo v kapalném prostředí, nedochází při přechodu z jednoho prostředí do druhého ke ztrátě energie ultrazvukových vln. Snad nejúspěšnější je návrh tekuté ultrazvukové píšťaly, který vyrobili angličtí vědci Kottel a Goodman na počátku 50. let. V něm vysokotlaký proud tekutiny vystupuje z eliptické trysky a je směrován na ocelovou desku.

Různé modifikace tohoto designu se staly poměrně rozšířenými za účelem získání homogenních médií. Vzhledem k jednoduchosti a stabilitě jejich konstrukce (pouze oscilační deska je zničena) jsou takové systémy odolné a levné.

Siréna

Siréna  je mechanický zdroj elastických vibrací, včetně ultrazvuku. Jejich frekvenční rozsah může být až 100 kHz , ale je známo, že sirény pracují až do 600 kHz. Výkon sirén dosahuje desítek kW .

Vzduchové dynamické sirény se používají pro signalizační a technologické účely ( koagulace jemných aerosolů ( usazování mlhy ), destrukce pěny, urychlení procesů přenosu hmoty a tepla atd.).

Všechny rotační sirény se skládají z komory shora uzavřené kotoučem (statorem), ve kterém je vytvořeno velké množství otvorů. Na kotouči otáčejícím se uvnitř komory - rotoru je stejný počet otvorů. Když se rotor otáčí, poloha otvorů v něm se periodicky shoduje s polohou otvorů na statoru. Do komory je nepřetržitě přiváděn stlačený vzduch, který z ní uniká v těch krátkých okamžicích, kdy se otvory na rotoru a statoru shodují.

Frekvence zvuku v sirénách závisí na počtu otvorů a jejich geometrickém tvaru a rychlosti otáčení rotoru.

Ultrazvuk v přírodě

Netopýři , využívající k noční orientaci echolokaci , vysílají signály extrémně vysoké intenzity ústy (kůže - Vespertilionidae) nebo parabolickým zrcadlovým nosním otvorem (podkovy - Rhinolophidae). Ve vzdálenosti 1-5 cm od hlavy zvířete dosahuje ultrazvukový tlak 60 mbar , to znamená, že ve frekvenční oblasti, kterou slyšíme, odpovídá akustickému tlaku vytvářenému sbíječkou. Netopýři dokážou vnímat ozvěnu svých signálů při tlaku pouhých 0,001 mbar, tedy 10 000krát menším, než je tlak vydávaných signálů. Zároveň mohou netopýři za letu obcházet překážky, i když je na echolokační signály superponováno ultrazvukové rušení s tlakem 20 mbar. Mechanismus této vysoké odolnosti proti rušení není dosud znám. Když netopýři lokalizují předměty, např. vertikálně natažené nitě o průměru pouhých 0,005 - 0,008 mm ve vzdálenosti 20 cm (polovina rozpětí křídel), hraje rozhodující roli časový posun a rozdíl v intenzitě mezi vyzařovaným a odraženým signálem. . Vrápenci mohou také navigovat pouze jedním uchem (monoaurální), což značně usnadňují velké plynule se pohybující boltce. Jsou schopny dokonce kompenzovat frekvenční posun mezi emitovanými a odraženými signály v důsledku Dopplerova jevu (při přiblížení k objektu má ozvěna vyšší frekvenci než vysílaný signál). Snížením echolokační frekvence během letu tak, aby frekvence odraženého ultrazvuku zůstala v oblasti maximální citlivosti jejich „slyšících“ center, mohou určovat rychlost vlastního pohybu.

Motýli z čeledi medvědovitých vyvinuli generátor ultrazvukového šumu, který „sráží stopu“ netopýrů pronásledujících tento hmyz.

Echolokaci využívají k navigaci také ptáci - tlustí noční jari nebo guajaros. Obývají horské jeskyně Latinské Ameriky – od Panamy na severozápadě po Peru na jihu a Surinam na východě. Tuční noční mládenci, kteří žijí v naprosté tmě, se však přizpůsobili k mistrovskému průletu jeskyněmi. Vydávají jemné cvakání, které vnímá i lidské ucho (jejich frekvence je přibližně 7 kHz). Každé kliknutí trvá jednu až dvě milisekundy. Zvuk kliknutí se odráží od stěn kobky, různých říms a překážek a je vnímán citlivým sluchem ptáka.

Kytovci používají ultrazvukovou echolokaci ve vodě .

Vlastnosti

Šíření ultrazvuku

Šíření ultrazvuku je proces pohybu v prostoru a čase poruch, které probíhají ve zvukové vlně.

Zvuková vlna se šíří v látce, která je v plynném, kapalném nebo pevném skupenství, ve stejném směru, ve kterém jsou částice této látky přemístěny, to znamená, že způsobuje deformaci prostředí. Deformace spočívá v tom, že dochází k postupnému zředění a stlačení určitých objemů média a vzdálenost mezi dvěma sousedními oblastmi odpovídá délce ultrazvukové vlny. Čím větší je měrný akustický odpor média, tím větší je stupeň komprese a zředění média při dané amplitudě kmitání.

Částice prostředí podílející se na přenosu energie vln oscilují kolem své rovnovážné polohy. Rychlost, kterou částice oscilují kolem své střední rovnovážné polohy, se nazývá rychlost vibrací. Vibrační rychlost částic se mění podle rovnice:

,

kde V je velikost vibrační rychlosti;

Amplituda vibrační rychlosti charakterizuje maximální rychlost, kterou se částice média pohybují v procesu kmitání, a je určena frekvencí kmitů a amplitudou posunu částic média.

.

Tlak vyvíjený na částice média při šíření vln je výsledkem působení elastických a setrvačných sil. Ty jsou způsobeny zrychleními , jejichž velikost také roste za dobu od nuly do maxima (hodnota amplitudy zrychlení). V průběhu periody navíc zrychlení mění své znaménko.

Maximální hodnoty zrychlení a tlaku, které vznikají v médiu při průchodu ultrazvukových vln v něm, se pro danou částici časově neshodují. V okamžiku, kdy rozdíl zrychlení dosáhne maxima, tlakový rozdíl se rovná nule. Hodnota amplitudy zrychlení (a) je určena výrazem:

Pokud se putující ultrazvukové vlny střetnou s překážkou, zažije nejen proměnlivý tlak, ale také konstantní. Oblasti zahušťování a řídnutí média, které vznikají při průchodu ultrazvukových vln, vytvářejí dodatečné tlakové změny v médiu ve vztahu k vnějšímu tlaku, který je obklopuje. Tento dodatečný vnější tlak se nazývá radiační tlak (radiační tlak). To je důvod, že když ultrazvukové vlny procházejí hranicí kapaliny se vzduchem, vytvářejí se fontány kapaliny a jednotlivé kapičky se oddělují od povrchu. Tento mechanismus našel uplatnění při tvorbě aerosolů léčivých látek. Radiační tlak se často používá při měření síly ultrazvukových vibrací ve speciálních měřičích - ultrazvukových vahách .

Absorpce ultrazvukových vln

Vzhledem k tomu, že prostředí, ve kterém se ultrazvuk šíří, má viskozitu, tepelnou vodivost a další příčiny vnitřního tření, dochází při šíření vlny k absorpci, to znamená, že se zvětšující se vzdáleností od zdroje se amplituda a energie ultrazvukových vibrací zmenšují. Prostředí, ve kterém se ultrazvuk šíří, interaguje s procházející energií a její část pohlcuje. Převážná část pohlcené energie se přeměňuje na teplo, menší část způsobuje nevratné strukturální změny v přenášející látce. Absorpce je výsledkem tření částic o sebe, v různých prostředích je to různé. Absorpce závisí také na frekvenci ultrazvukových vibrací. Teoreticky je absorpce úměrná druhé mocnině frekvence.

Hodnotu absorpce lze charakterizovat pomocí absorpčního koeficientu , který ukazuje, jak se mění intenzita ultrazvuku v ozařovaném prostředí. Zvyšuje se s frekvencí. Intenzita ultrazvukových vibrací v médiu exponenciálně klesá . Tento proces je způsoben vnitřním třením, tepelnou vodivostí absorbujícího média a jeho strukturou. Předběžně je charakterizována velikostí poloabsorpční vrstvy, která ukazuje, v jaké hloubce klesá intenzita kmitů na polovinu (přesněji 2,718 krát nebo o 63 %). Podle Palmana jsou při frekvenci rovné 0,8 MHz průměrné hodnoty poloabsorpční vrstvy pro některé tkáně následující: tuková tkáň - 6,8 cm; svalnatý - 3,6 cm; tuková a svalová tkáň dohromady - 4,9 cm.S nárůstem frekvence ultrazvuku klesá hodnota poloabsorpční vrstvy. Takže při frekvenci 2,4 MHz se intenzita ultrazvuku procházejícího tukovou a svalovou tkání v hloubce 1,5 cm sníží na polovinu.

Navíc je možná anomální absorpce energie ultrazvukových vibrací v určitých frekvenčních rozsazích – to závisí na vlastnostech molekulární struktury dané tkáně. Je známo, že 2/3 ultrazvukové energie jsou utlumeny na molekulární úrovni a 1/3 na úrovni mikroskopických tkáňových struktur.

Hloubka průniku ultrazvukových vln

Pod hloubkou pronikání ultrazvuku rozumíme hloubku, ve které se intenzita sníží na polovinu. Tato hodnota je nepřímo úměrná absorpci: čím silněji médium absorbuje ultrazvuk, tím menší je vzdálenost, na kterou je intenzita ultrazvuku zeslabena na polovinu.

Rozptyl ultrazvukových vln

Pokud jsou v prostředí nehomogenity, dochází k rozptylu zvuku , který může výrazně změnit jednoduchý obraz šíření ultrazvuku a v konečném důsledku také způsobit útlum vlny v původním směru šíření.

Lom ultrazvukových vln

Protože se akustický odpor měkkých tkání člověka příliš neliší od odporu vody, lze předpokládat, že na rozhraní mezi médii (epidermis - dermis - fascia - sval) bude pozorován lom ultrazvukových vln.

Odraz ultrazvukových vln

Ultrazvuková diagnostika je založena na fenoménu odrazu . K odrazu dochází v okrajových oblastech kůže a tuku, tuku a svalů, svalů a kostí. Narazí-li ultrazvuk při šíření na překážku, dochází k odrazu, je-li překážka malá, ultrazvuk ji jakoby obtéká. Heterogenity organismu nezpůsobují výrazné odchylky, protože ve srovnání s vlnovou délkou (2 mm) lze zanedbat jejich rozměry (0,1-0,2 mm). Pokud ultrazvuk na své cestě narazí na orgány, které jsou větší než vlnová délka, dojde k lomu a odrazu ultrazvuku. Nejsilnější odraz je pozorován na hranicích kosti - okolní tkáně a tkáně - vzduch. Vzduch má nízkou hustotu a je pozorován téměř úplný odraz ultrazvuku. Odraz ultrazvukových vln je pozorován na hranici sval - periost - kost, na povrchu dutých orgánů.

Pohyblivé a stojaté ultrazvukové vlny

Pokud se při šíření ultrazvukových vln prostředím neodrážejí, vznikají postupné vlny . V důsledku energetických ztrát se oscilační pohyby částic média postupně rozpadají a čím dále se částice nacházejí od vyzařovací plochy, tím menší je amplituda jejich kmitů.

Pokud se na dráze šíření ultrazvukových vln nacházejí tkáně s různými specifickými akustickými odpory, pak se ultrazvukové vlny do určité míry odrážejí od hraničního řezu. Superpozice dopadajících a odražených ultrazvukových vln může vést ke stojatému vlnění . Pro vznik stojatého vlnění musí být vzdálenost od povrchu emitoru k odraznému povrchu násobkem poloviny vlnové délky.

Aplikace ultrazvuku

Diagnostické aplikace v medicíně ( ultrazvuk )

Díky dobrému šíření ultrazvuku v lidských měkkých tkáních, jeho relativní neškodnosti ve srovnání s rentgenovým zářením a snadnému použití ve srovnání s magnetickou rezonancí je ultrazvuk široce používán k vizualizaci stavu lidských vnitřních orgánů, zejména v dutině břišní a pánevní dutina .

Terapeutické aplikace v medicíně

Kromě toho, že je široce používán pro diagnostické účely (viz ultrazvuk ), má ultrazvuk aplikace v medicíně (včetně regenerativní medicíny) jako léčebný nástroj .

Ultrazvuk má následující účinky :

Fonoforéza  je kombinovaná léčebná metoda, při které se místo obvyklého gelu pro ultrazvukové vyzařování (používaného např. při ultrazvuku) do tkáně aplikuje léčebná látka (léčiva i látky přírodního původu). Předpokládá se, že ultrazvuk pomáhá terapeutické látce proniknout hlouběji do tkání.

Aplikace ve výrobě

Na konvenčních obráběcích strojích není možné vyvrtat úzký otvor složitého tvaru do kovové součásti, například ve formě pěticípé hvězdy. S pomocí ultrazvuku je to možné: magnetostrikční vibrátor dokáže vyvrtat otvory libovolného tvaru. Ultrazvukové dláto zcela nahrazuje frézku. Zároveň je takové dláto mnohem jednodušší než frézka a je levnější a rychlejší s ním opracovávat kovové díly než s frézkou.

Ultrazvuk může dokonce provádět šroubovité řezání v kovových částech, ve skle, v rubínu, v diamantu. Typicky je závit nejprve vyroben z měkkého kovu a poté je součást kalena. Na ultrazvukovém stroji lze vyrábět závity v již tvrzeném kovu a v nejtvrdších slitinách. To samé s razítky. Typicky je razítko temperováno poté, co bylo pečlivě dokončeno. Na ultrazvukovém stroji se nejsložitější zpracování provádí brusivem (smirkový, korundový prášek) v poli ultrazvukové vlny. Pevné práškové částice se nepřetržitě oscilují v poli ultrazvuku a zařezávají se do zpracovávané slitiny a vyřezávají otvor stejného tvaru, jako má dláto.

Příprava směsí pomocí ultrazvuku

Ultrazvuk je široce používán pro přípravu homogenních směsí ( homogenizace ). Výsledné emulze hrají důležitou roli v moderním průmyslu, jsou to: laky, barvy, farmaceutické výrobky, kosmetika.

V roce 1927 američtí vědci Limus a Wood zjistili, že pokud se dvě nemísitelné kapaliny (například olej a voda) nalijí do jedné kádinky a vystaví se ultrazvukovému ozařování, vytvoří se v kádince emulze , tedy jemná suspenze oleje. ve vodě. K tomuto procesu dochází v důsledku jevu kavitace , který začíná při překročení určitých prahových hodnot intenzity záření (voda - 1 W/cm 2 , olej - 4 W/cm 2 ). Se změnou tlaku, teploty a doby expozice může kavitace začít s nižším výkonem [1] .

Aplikace v biologii

Schopnost ultrazvuku rozbít buněčné membrány našla využití v biologickém výzkumu, například k oddělení buňky od enzymů v případě potřeby . Ultrazvuk se také používá k ničení intracelulárních struktur, jako jsou mitochondrie a chloroplasty, aby se studoval vztah mezi jejich strukturou a funkcí.

Další využití ultrazvuku v biologii souvisí s jeho schopností vyvolat mutace . Studie provedené v Oxfordu ukázaly, že i ultrazvuk s nízkou intenzitou může poškodit molekulu DNA . . Významnou roli ve šlechtění rostlin hraje umělá účelová tvorba mutací . Hlavní výhodou ultrazvuku oproti jiným mutagenům (rentgenové, ultrafialové paprsky) je extrémně snadná práce s ním.

Aplikace na čištění

Využití ultrazvuku pro mechanické čištění je založeno na výskytu různých nelineárních efektů v kapalině pod jeho vlivem. Patří sem kavitace , akustické proudy , akustický tlak . Hlavní roli hraje kavitace. Jeho bubliny, vznikající a padající v blízkosti znečištění, je ničí. Tento efekt je známý jako kavitační eroze . Ultrazvuk používaný pro tyto účely má nízkou frekvenci a zvýšený výkon.

V laboratorních a výrobních podmínkách se k mytí malých dílů a náčiní používají ultrazvukové vany naplněné rozpouštědlem (voda, alkohol atd.). Někdy se omývají i kořenové plodiny, aby se očistily od země (brambory, mrkev, řepa atd.).

V každodenním životě se pro praní textilií používají speciální ultrazvuková emitující zařízení umístěná v samostatné nádobě.

Aplikace v echolokaci

Rybářský průmysl používá k detekci hejn ryb ultrazvukovou echolokaci . Ultrazvukové vlny se odrážejí od hejn ryb a dorazí do přijímače ultrazvuku dříve než ultrazvukové vlny odražené ode dna.

V automobilech se používají ultrazvukové parkovací senzory .

Aplikace v měření průtoku

Od 60. let 20. století se v průmyslu používají ultrazvukové průtokoměry k řízení průtoku a účtování vody a chladicí kapaliny .

Aplikace v detekci chyb

Ultrazvuk se v některých materiálech dobře šíří, což umožňuje jeho použití pro ultrazvukovou detekci vad výrobků z těchto materiálů. V poslední době byl vyvinut směr ultrazvukové mikroskopie, který umožňuje studovat podpovrchovou vrstvu materiálu s dobrým rozlišením.

Ultrazvukové svařování

Ultrazvukové svařování  - tlakové svařování, prováděné pod vlivem ultrazvukových vibrací. Tento typ svařování se používá ke spojování dílů, jejichž ohřev je obtížný; při spojování nepodobných kovů, kovů se silnými oxidovými filmy (hliník, nerezové oceli, permalloyová magnetická jádra atd.), při výrobě integrovaných obvodů.

Aplikace v galvanickém pokovování

Při galvanickém pokovování se ultrazvuk používá ke zintenzivnění galvanických procesů a zlepšení kvality povlaků vyrobených elektrochemickou metodou.

Informační bezpečnost

Ultrazvuk se používá při tzv. akustické trezory pro blokování mikrofonů mobilních telefonů a zařízení pro záznam zvuku.

Viz také

Odkazy

Poznámky

  1. ↑ Zarembo L.K., Krasilnikov V.A. Úvod do nelineární akustiky. Zvuk a ultrazvukové vlny velké intenzity. - 1966. - 519 s. - ISBN 978-5-458-49876-0 .