21. storočie je storočím rádiovej elektroniky, atómov, vesmírneho prieskumu a ultrazvuku. Veda o ultrazvuku je dnes relatívne mladá. Koncom 19. storočia viedol svoje prvé štúdie P. N. Lebedev, ruský fyziológ. Potom mnohí významní vedci začali študovať ultrazvuk.
Čo je ultrazvuk?
Ultrazvuk je šíriaci sa vlnitý kmitavý pohyb, ktorý vytvárajú častice média. Má svoje vlastné charakteristiky, v ktorých sa líši od zvukov počuteľného rozsahu. Je pomerne ľahké získať smerované žiarenie v ultrazvukovom rozsahu. Navyše dobre zaostruje a v dôsledku toho sa zvyšuje intenzita vykonávaných kmitov. Ultrazvuk pri šírení v pevných látkach, kvapalinách a plynoch dáva vznik zaujímavým javom, ktoré našli praktické uplatnenie v mnohých oblastiach techniky a vedy. Toto je ultrazvuk, ktorého úloha v rôznych sférach dnešného života je veľmi veľká.
Úloha ultrazvuku vo vede a praxi
Ultrazvuk v posledných rokoch začal hrať vo vedeckom výskumečoraz dôležitejšiu úlohu. Úspešne sa uskutočnili experimentálne a teoretické štúdie v oblasti akustických tokov a ultrazvukovej kavitácie, čo vedcom umožnilo vyvinúť technologické procesy, ktoré sa vyskytujú pri vystavení ultrazvuku v kvapalnej fáze. Je to výkonná metóda na štúdium rôznych javov v takej oblasti vedomostí, ako je fyzika. Ultrazvuk sa používa napríklad vo fyzike polovodičov a pevných látok. Dnes sa tvorí samostatný odbor chémie, ktorý sa nazýva „ultrazvuková chémia“. Jeho aplikácia umožňuje urýchlenie mnohých chemicko-technologických procesov. Zrodila sa aj molekulárna akustika – nové odvetvie akustiky, ktoré študuje molekulárnu interakciu zvukových vĺn s hmotou. Objavili sa nové oblasti použitia ultrazvuku: holografia, introskopia, akustoelektronika, meranie ultrazvukovej fázy, kvantová akustika.
Okrem experimentálnej a teoretickej práce v tejto oblasti sa dnes vykonalo množstvo praktickej práce. Boli vyvinuté špeciálne a univerzálne ultrazvukové stroje, inštalácie, ktoré pracujú pod zvýšeným statickým tlakom a pod.. Do výroby boli zavedené automatické ultrazvukové zariadenia zaradené do výrobných liniek, ktoré môžu výrazne zvýšiť produktivitu práce.
Viac o ultrazvuku
Poďme si povedať viac o tom, čo je ultrazvuk. Už sme povedali, že ide o elastické vlny a kmity. Frekvencia ultrazvuku je viac ako 15-20 kHz. Subjektívne vlastnosti nášho sluchu určujú spodnú hranicu ultrazvukových frekvencií, ktoréoddeľuje ho od frekvencie počuteľného zvuku. Táto hranica je teda podmienená a každý z nás inak definuje, čo je ultrazvuk. Hornú hranicu označujú elastické vlny, ich fyzikálna podstata. Šíria sa iba v hmotnom prostredí, to znamená, že vlnová dĺžka musí byť výrazne väčšia ako stredná voľná dráha molekúl prítomných v plyne alebo medziatómové vzdialenosti v pevných látkach a kvapalinách. Pri normálnom tlaku v plynoch je horná hranica ultrazvukových frekvencií 109 Hz a v pevných látkach a kvapalinách - 1012-10 13 Hz.
Ultrazvukové zdroje
Ultrazvuk sa v prírode nachádza ako súčasť mnohých prírodných zvukov (vodopád, vietor, dážď, kamienky valené príbojom, ako aj v zvukoch sprevádzajúcich búrky atď.), ako aj ako neoddeliteľná súčasť zvieracieho sveta. Niektoré druhy živočíchov ho využívajú na orientáciu v priestore, detekciu prekážok. Je tiež známe, že delfíny v prírode využívajú ultrazvuk (hlavne frekvencie od 80 do 100 kHz). V tomto prípade môže byť sila signálov polohy, ktoré vysielajú, veľmi veľká. Delfíny sú známe tým, že dokážu rozpoznať húfy rýb až na kilometer ďaleko.
Emitory (zdroje) ultrazvuku sa delia do 2 veľkých skupín. Prvým sú generátory, v ktorých sú oscilácie excitované v dôsledku prítomnosti prekážok v nich inštalovaných v dráhe konštantného toku - prúdu kvapaliny alebo plynu. Druhou skupinou, do ktorej možno zdroje ultrazvuku kombinovať, jeelektroakustické meniče, ktoré premieňajú dané kolísanie prúdu alebo elektrického napätia na mechanické vibrácie vytvárané pevným telesom, ktoré vyžaruje akustické vlny do okolia.
Ultrazvukové prijímače
Pri stredných a nízkych frekvenciách sú ultrazvukové prijímače najčastejšie elektroakustické meniče piezoelektrického typu. Dokážu reprodukovať formu prijímaného akustického signálu, reprezentovanú ako časová závislosť akustického tlaku. Zariadenia môžu byť širokopásmové alebo rezonančné v závislosti od podmienok aplikácie, pre ktoré sú určené. Tepelné prijímače sa používajú na získanie časovo spriemerovaných charakteristík zvukového poľa. Sú to termistory alebo termočlánky potiahnuté látkou pohlcujúcou zvuk. Akustický tlak a intenzitu možno odhadnúť aj optickými metódami, ako je difrakcia svetla pomocou ultrazvuku.
Kde sa používa ultrazvuk?
Existuje mnoho oblastí jeho použitia, pričom využíva rôzne funkcie ultrazvuku. Tieto oblasti možno rozdeliť zhruba do troch oblastí. Prvý z nich je spojený so získavaním rôznych informácií pomocou ultrazvukových vĺn. Druhým smerom je jeho aktívny vplyv na látku. A tretí je spojený s prenosom a spracovaním signálov. V každom prípade sa používa US určitého frekvenčného rozsahu. Pokryjeme len niektoré z mnohých oblastí, v ktorých si našla cestu.
Ultrazvukové čistenie
Kvalita tohto čistenia sa nedá porovnať s inými metódami. Napríklad pri oplachovaní dielov zostáva na ich povrchu až 80% nečistôt, asi 55% - pri vibračnom čistení, asi 20% - pri ručnom čistení a pri čistení ultrazvukom, nie viac ako 0,5% nečistôt. Detaily, ktoré majú zložitý tvar, sa dajú dobre vyčistiť len pomocou ultrazvuku. Dôležitou výhodou jeho použitia je vysoká produktivita, ako aj nízke náklady na fyzickú prácu. Navyše môžete nahradiť drahé a horľavé organické rozpúšťadlá lacnými a bezpečnými vodnými roztokmi, použiť tekutý freón atď.
Vážnym problémom je znečistenie ovzdušia sadzami, dymom, prachom, oxidmi kovov atď. Ultrazvukovú metódu čistenia vzduchu a plynu vo vývodoch plynu môžete použiť bez ohľadu na okolitú vlhkosť a teplotu. Ak je ultrazvukový žiarič umiestnený v komore na usadzovanie prachu, jeho účinnosť sa stonásobne zvýši. Čo je podstatou takejto očisty? Častice prachu, ktoré sa náhodne pohybujú vo vzduchu, na seba silnejšie a častejšie pod vplyvom ultrazvukových vibrácií narážajú. Zároveň sa ich veľkosť zväčšuje vďaka tomu, že sa spájajú. Koagulácia je proces zväčšovania častíc. Špeciálne filtre zachytávajú ich vážené a zväčšené zhluky.
Obrábanie krehkých a super tvrdých materiálov
Ak medzi obrobok a pracovný povrch nástroja vstupujete pomocou ultrazvuku, abrazívny materiál, potom sa abrazívne častice počas prevádzkyžiarič ovplyvní povrch tejto časti. V tomto prípade je materiál zničený a odstránený, podrobený spracovaniu pôsobením rôznych riadených mikroúderov. Kinematika spracovania pozostáva z hlavného pohybu - rezanie, to znamená pozdĺžne vibrácie nástroja a pomocného - posuvného pohybu, ktorý stroj vykonáva.
Ultrazvuk môže vykonávať rôzne úlohy. Pre brúsne zrná sú zdrojom energie pozdĺžne vibrácie. Zničia spracovaný materiál. Posuvný pohyb (pomocný) môže byť kruhový, priečny a pozdĺžny. Ultrazvukové spracovanie je presnejšie. V závislosti od zrnitosti brusiva sa pohybuje od 50 do 1 mikrónu. Pomocou nástrojov rôznych tvarov môžete robiť nielen otvory, ale aj zložité rezy, zakrivené osi, gravírovať, brúsiť, vyrábať matrice a dokonca aj vŕtať diamant. Materiály používané ako brusivo - korund, diamant, kremenný piesok, pazúrik.
Ultrazvuk v rádiovej elektronike
Ultrazvuk v technológii sa často používa v oblasti rádiovej elektroniky. V tejto oblasti je často potrebné oneskoriť elektrický signál v porovnaní s iným. Vedci našli dobré riešenie tým, že navrhli použitie ultrazvukových oneskorovacích liniek (skrátene LZ). Ich pôsobenie je založené na skutočnosti, že elektrické impulzy sa premieňajú na ultrazvukové mechanické vibrácie. ako sa to stane? Faktom je, že rýchlosť ultrazvuku je výrazne nižšia ako rýchlosť vyvinutá elektromagnetickými osciláciami. Pulznapätie po spätnej transformácii na elektrické mechanické vibrácie bude oneskorené na výstupe linky vzhľadom na vstupný impulz.
Piezoelektrické a magnetostrikčné meniče sa používajú na premenu elektrických vibrácií na mechanické a naopak. LZ sa delia na piezoelektrické a magnetostrikčné.
Ultrazvuk v medicíne
Na ovplyvňovanie živých organizmov sa používajú rôzne typy ultrazvuku. V lekárskej praxi je jeho použitie teraz veľmi populárne. Je založená na účinkoch, ktoré sa vyskytujú v biologických tkanivách, keď nimi prechádza ultrazvuk. Vlny spôsobujú kolísanie častíc média, čím vzniká akási tkanivová mikromasáž. A absorpcia ultrazvuku vedie k ich lokálnemu zahrievaniu. Súčasne v biologických médiách dochádza k určitým fyzikálno-chemickým transformáciám. Tieto javy nespôsobujú pri strednej intenzite zvuku nevratné škody. Zlepšujú iba metabolizmus, a preto prispievajú k životne dôležitej aktivite tela, ktoré je im vystavené. Takéto javy sa využívajú pri ultrazvukovej terapii.
Ultrazvuk v chirurgii
Kavitácia a silné zahrievanie pri vysokej intenzite vedú k deštrukcii tkaniva. Tento efekt sa dnes využíva v chirurgii. Pri chirurgických operáciách sa používa fokusovaný ultrazvuk, ktorý umožňuje lokálnu deštrukciu v najhlbších štruktúrach (napríklad mozgu), bez poškodenia okolitých. Ultrazvuk sa používa aj v chirurgiinástroje, v ktorých pracovný koniec vyzerá ako pilník, skalpel, ihla. Vibrácie, ktoré na ne pôsobia, dávajú týmto nástrojom nové kvality. Požadovaná sila je výrazne znížená, preto sa znižuje traumatizmus operácie. Okrem toho sa prejavuje analgetický a hemostatický účinok. Náraz tupým nástrojom pomocou ultrazvuku sa používa na zničenie určitých typov novotvarov, ktoré sa objavili v tele.
Účinok na biologické tkanivá sa vykonáva s cieľom ničiť mikroorganizmy a používa sa v procesoch sterilizácie liekov a lekárskych nástrojov.
Výskum vnútorných orgánov
Hovoríme hlavne o štúdiu brušnej dutiny. Na tento účel sa používa špeciálne zariadenie. Pomocou ultrazvuku možno nájsť a rozpoznať rôzne tkanivové a anatomické anomálie. Problém je často nasledovný: existuje podozrenie na malignitu a je potrebné ju odlíšiť od benígnej alebo infekčnej lézie.
Ultrazvuk je užitočný pri vyšetrovaní pečene a pri iných úkonoch, medzi ktoré patrí zisťovanie obštrukcií a ochorení žlčových ciest, ako aj vyšetrenie žlčníka na zistenie prítomnosti kameňov a iných patológií v ňom. Okrem toho sa môže použiť testovanie na cirhózu a iné difúzne benígne ochorenia pečene.
V oblasti gynekológie, hlavne pri rozboroch vaječníkov a maternice, je využitie ultrazvuku už dlhohlavný smer, v ktorom sa vykonáva obzvlášť úspešne. Často je tu potrebná aj diferenciácia nezhubných a malígnych útvarov, čo si zvyčajne vyžaduje najlepší kontrast a priestorové rozlíšenie. Podobné závery môžu byť užitočné pri štúdiu mnohých ďalších vnútorných orgánov.
Používanie ultrazvuku v zubnom lekárstve
Ultrazvuk si našiel cestu aj do stomatológie, kde sa používa na odstránenie zubného kameňa. Umožňuje vám rýchlo, bez krvi a bezbolestne odstrániť plak a kameň. Zároveň nie je zranená ústna sliznica a "vrecká" dutiny sú dezinfikované. Namiesto bolesti má pacient pocit tepla.
