21. gadsimts ir radioelektronikas, atomu, kosmosa izpētes un ultraskaņas gadsimts. Ultraskaņas zinātne mūsdienās ir salīdzinoši jauna. 19. gadsimta beigās krievu fiziologs P. N. Ļebedevs veica savus pirmos pētījumus. Pēc tam daudzi izcili zinātnieki sāka pētīt ultraskaņu.
Kas ir ultraskaņa?
Ultraskaņa ir viļņveidīga svārstību kustība, ko rada vides daļiņas. Tam ir savas īpašības, ar kurām tas atšķiras no dzirdamā diapazona skaņām. Ir salīdzinoši viegli iegūt virzītu starojumu ultraskaņas diapazonā. Turklāt tas labi fokusējas, un tā rezultātā palielinās veikto svārstību intensitāte. Izplatoties cietās vielās, šķidrumos un gāzēs, ultraskaņa rada interesantas parādības, kuras ir atradušas praktisku pielietojumu daudzās tehnoloģiju un zinātnes jomās. Lūk, tā ir ultraskaņa, kuras loma dažādās dzīves jomās mūsdienās ir ļoti liela.
Ultraskaņas loma zinātnē un praksē
Ultraskaņa pēdējos gados sāka spēlēt zinātniskos pētījumosarvien nozīmīgāka loma. Veiksmīgi tika veikti eksperimentālie un teorētiskie pētījumi akustisko plūsmu un ultraskaņas kavitācijas jomā, kas ļāva zinātniekiem izstrādāt tehnoloģiskos procesus, kas rodas, pakļaujot ultraskaņai šķidrā fāzē. Tā ir spēcīga metode dažādu parādību pētīšanai tādā zināšanu jomā kā fizika. Ultraskaņu izmanto, piemēram, pusvadītāju un cietvielu fizikā. Mūsdienās tiek veidota atsevišķa ķīmijas nozare, ko sauc par "ultraskaņas ķīmiju". Tās pielietojums ļauj paātrināt daudzus ķīmiski tehnoloģiskos procesus. Radās arī molekulārā akustika – jauna akustikas nozare, kas pēta skaņas viļņu molekulāro mijiedarbību ar vielu. Ir parādījušās jaunas ultraskaņas pielietošanas jomas: hologrāfija, introskopija, akustoelektronika, ultraskaņas fāzes mērīšana, kvantu akustika.
Papildus eksperimentālajam un teorētiskajam darbam šajā jomā šodien ir paveikts daudz praktisko darbu. Izstrādātas speciālas un universālas ultraskaņas iekārtas, iekārtas, kas darbojas paaugstinātā statiskā spiedienā u.c.. Ražošanā ieviestas ražošanas līnijās iekļautās automātiskās ultraskaņas iekārtas, kas var būtiski paaugstināt darba ražīgumu.
Vairāk par ultraskaņu
Parunāsim vairāk par to, kas ir ultraskaņa. Mēs jau teicām, ka tie ir elastīgi viļņi un svārstības. Ultraskaņas frekvence ir lielāka par 15-20 kHz. Mūsu dzirdes subjektīvās īpašības nosaka ultraskaņas frekvenču apakšējo robežu, kasatdala to no dzirdamās skaņas frekvences. Tāpēc šī robeža ir nosacīta, un katrs no mums atšķirīgi definē, kas ir ultraskaņa. Augšējo robežu norāda elastīgie viļņi, to fiziskā būtība. Tie izplatās tikai materiālā vidē, tas ir, viļņa garumam jābūt ievērojami lielākam par gāzē esošo molekulu vidējo brīvo ceļu vai starpatomiskajiem attālumiem cietās un šķidrumos. Pie normāla spiediena gāzēs ultraskaņas frekvenču augšējā robeža ir 109 Hz, bet cietās vielās un šķidrumos - 1012-10 13 Hz.
Ultraskaņas avoti
Ultraskaņa dabā ir sastopama gan kā daudzu dabas trokšņu sastāvdaļa (ūdenskritums, vējš, lietus, sērfot ripināti oļi, gan pērkona negaisu pavadošās skaņas u.c.), gan kā neatņemama sastāvdaļa dzīvnieku pasaule. Dažas dzīvnieku sugas to izmanto, lai orientētos telpā, noteiktu šķēršļus. Ir arī zināms, ka delfīni dabā izmanto ultraskaņu (galvenokārt frekvences no 80 līdz 100 kHz). Šajā gadījumā to izstarotā atrašanās vietas signālu jauda var būt ļoti liela. Ir zināms, ka delfīni spēj atklāt zivju barus pat kilometra attālumā.
Ultraskaņas izstarotāji (avoti) ir sadalīti 2 lielās grupās. Pirmais ir ģeneratori, kuros tiek ierosinātas svārstības, jo tajos ir šķēršļi, kas uzstādīti pastāvīgas plūsmas ceļā - šķidruma vai gāzes strūkla. Otrā grupa, kurā var apvienot ultraskaņas avotus, irelektroakustiskie pārveidotāji, kas pārvērš noteiktas strāvas vai elektriskā sprieguma svārstības mehāniskā vibrācijā, ko rada ciets ķermenis, kas izstaro akustiskus viļņus vidē.
Ultraskaņas uztvērēji
Vidējās un zemās frekvencēs ultraskaņas uztvērēji visbiežāk ir pjezoelektriskā tipa elektroakustiskie devēji. Tie var reproducēt saņemtā akustiskā signāla formu, kas attēlota kā skaņas spiediena laika atkarība. Ierīces var būt platjoslas vai rezonanses atkarībā no lietošanas apstākļiem, kādiem tās ir paredzētas. Termiskos uztvērējus izmanto, lai iegūtu vidējā laika skaņas lauka raksturlielumus. Tie ir termistori vai termopāri, kas pārklāti ar skaņu absorbējošu vielu. Skaņas spiedienu un intensitāti var novērtēt arī ar optiskām metodēm, piemēram, gaismas difrakciju ar ultraskaņu.
Kur izmanto ultraskaņu?
Ir daudzas tās pielietojuma jomas, vienlaikus izmantojot dažādas ultraskaņas funkcijas. Šīs jomas var aptuveni iedalīt trīs jomās. Pirmais no tiem ir saistīts ar dažādas informācijas iegūšanu ar ultraskaņas viļņu palīdzību. Otrais virziens ir tā aktīvā ietekme uz vielu. Un trešais ir saistīts ar signālu pārraidi un apstrādi. Katrā gadījumā tiek izmantots noteikta frekvenču diapazona US. Mēs apskatīsim tikai dažas no daudzajām jomām, kurās tas ir atradis savu ceļu.
Ultraskaņas tīrīšana
Šīs tīrīšanas kvalitāti nevar salīdzināt ar citām metodēm. Skalojot detaļas, piemēram, uz to virsmas paliek līdz 80% piesārņotāju, ap 55% - ar vibrācijas tīrīšanu, ap 20% - ar manuālu tīrīšanu, un ar ultraskaņas tīrīšanu paliek ne vairāk kā 0,5% piesārņotāju. Detaļas, kurām ir sarežģīta forma, var labi notīrīt tikai ar ultraskaņas palīdzību. Svarīga tā izmantošanas priekšrocība ir augsta produktivitāte, kā arī zemās fiziskā darba izmaksas. Turklāt jūs varat aizstāt dārgus un viegli uzliesmojošus organiskos šķīdinātājus ar lētiem un drošiem ūdens šķīdumiem, izmantot šķidru freonu utt.
Nopietna problēma ir gaisa piesārņojums ar kvēpiem, dūmiem, putekļiem, metālu oksīdiem utt. Varat izmantot ultraskaņas metodi gaisa un gāzes tīrīšanai gāzes izvados neatkarīgi no apkārtējā mitruma un temperatūras. Ja ultraskaņas izstarotāju ievieto putekļu nosēdināšanas kamerā, tā efektivitāte palielināsies simtiem reižu. Kāda ir šādas attīrīšanas būtība? Putekļu daļiņas, kas pārvietojas nejauši gaisā, spēcīgāk un biežāk skar viena otru ultraskaņas vibrāciju ietekmē. Tajā pašā laikā to izmērs palielinās, jo tie saplūst. Koagulācija ir daļiņu paplašināšanās process. Speciālie filtri uztver to svērtās un palielinātās kopas.
Trauslu un īpaši cietu materiālu apstrāde
Ja jūs iekļūstat starp apstrādājamo priekšmetu un instrumenta darba virsmu, izmantojot ultraskaņu, abrazīvu materiālu, tad abrazīvās daļiņas darbības laikāemitētājs ietekmēs šīs daļas virsmu. Šajā gadījumā materiāls tiek iznīcināts un izņemts, pakļauts apstrādei dažādu virzītu mikroietekmju iedarbībā. Apstrādes kinemātika sastāv no galvenās kustības - griešanas, tas ir, instrumenta radītajām garenvirziena vibrācijām, un papildu - padeves kustības, ko mašīna veic.
Ultraskaņa var veikt dažādus darbus. Abrazīviem graudiem enerģijas avots ir gareniskās vibrācijas. Viņi iznīcina apstrādāto materiālu. Padeves kustība (palīgdarbība) var būt apļveida, šķērsvirziena un gareniska. Ultraskaņas apstrāde ir precīzāka. Atkarībā no abrazīva graudu lieluma tas svārstās no 50 līdz 1 mikronam. Izmantojot dažādu formu instrumentus, var veikt ne tikai caurumus, bet arī sarežģītus griezumus, izliektas cirvjus, gravēt, slīpēt, veidot matricas un pat urbt dimantu. Materiāli, ko izmanto kā abrazīvu - korunds, dimants, kvarca smiltis, krams.
Ultraskaņa radioelektronikā
Ultraskaņu tehnoloģijās bieži izmanto radioelektronikas jomā. Šajā jomā bieži rodas nepieciešamība aizkavēt elektrisko signālu attiecībā pret kādu citu. Zinātnieki ir atraduši labu risinājumu, ierosinot izmantot ultraskaņas aizkaves līnijas (saīsināti LZ). To darbības pamatā ir fakts, ka elektriskie impulsi tiek pārvērsti ultraskaņas mehāniskās vibrācijās. Kā tas notiek? Fakts ir tāds, ka ultraskaņas ātrums ir ievērojami mazāks nekā elektromagnētisko svārstību radītais ātrums. Pulssspriegums pēc apgrieztās pārveidošanas elektriskās mehāniskās vibrācijās tiks aizkavēts līnijas izejā attiecībā pret ieejas impulsu.
Pjezoelektriskos un magnetostriktīvos devējus izmanto, lai elektriskās vibrācijas pārvērstu mehāniskās un otrādi. LZ attiecīgi iedala pjezoelektriskos un magnetostriktīvos.
Ultraskaņa medicīnā
Dzīvo organismu ietekmēšanai tiek izmantoti dažādi ultraskaņas veidi. Medicīnas praksē tā izmantošana tagad ir ļoti populāra. Tas ir balstīts uz ietekmi, kas rodas bioloģiskajos audos, kad ultraskaņa iet caur tiem. Viļņi izraisa vides daļiņu svārstības, kas rada sava veida audu mikromasāžu. Un ultraskaņas absorbcija noved pie to vietējās sildīšanas. Tajā pašā laikā bioloģiskajā vidē notiek noteiktas fizikāli ķīmiskās pārvērtības. Šīs parādības neizraisa neatgriezeniskus bojājumus mērenas skaņas intensitātes gadījumā. Tie tikai uzlabo vielmaiņu un tādējādi veicina tiem pakļautā ķermeņa dzīvībai svarīgo darbību. Šādas parādības tiek izmantotas ultraskaņas terapijā.
Ultraskaņa ķirurģijā
Kavitācija un spēcīga karsēšana pie augstas intensitātes izraisa audu iznīcināšanu. Šo efektu mūsdienās izmanto ķirurģijā. Ķirurģiskām operācijām tiek izmantota fokusēta ultraskaņa, kas ļauj lokāli iznīcināt dziļākajās struktūrās (piemēram, smadzenēs), nebojājot apkārtējās. Ultraskaņu izmanto arī ķirurģijāinstrumenti, kuros darba gals izskatās kā vīle, skalpelis, adata. Viņiem uzliktās vibrācijas piešķir šiem instrumentiem jaunas īpašības. Ievērojami samazinās nepieciešamais spēks, līdz ar to samazinās operācijas traumatisms. Turklāt izpaužas pretsāpju un hemostatiskais efekts. Trieciens ar neasu instrumentu, izmantojot ultraskaņu, tiek izmantots, lai iznīcinātu noteikta veida audzējus, kas parādījušies organismā.
Ietekme uz bioloģiskajiem audiem tiek veikta mikroorganismu iznīcināšanai un tiek izmantota medikamentu un medicīnas instrumentu sterilizācijas procesos.
Iekšējo orgānu izpēte
Galvenokārt runa ir par vēdera dobuma izpēti. Šim nolūkam tiek izmantots īpašs aparāts. Ar ultraskaņu var atrast un atpazīt dažādas audu un anatomiskas anomālijas. Izaicinājums bieži ir šāds: ir aizdomas par ļaundabīgu audzēju, un tas ir jānošķir no labdabīga vai infekcioza bojājuma.
Ultraskaņa noder, izmeklējot aknas un veicot citus darbus, kas ietver žultsceļu nosprostojumu un slimību noteikšanu, kā arī žultspūšļa izmeklēšanu, lai tajā konstatētu akmeņus un citas patoloģijas. Turklāt var izmantot cirozes un citu difūzu labdabīgu aknu slimību pārbaudi.
Ginekoloģijas jomā, galvenokārt olnīcu un dzemdes analīzē, ultraskaņas izmantošana ir ilgstošagalvenais virziens, kurā tas tiek īpaši veiksmīgi veikts. Bieži vien šeit ir nepieciešama arī labdabīgu un ļaundabīgu veidojumu diferencēšana, kas parasti prasa vislabāko kontrastu un telpisko izšķirtspēju. Līdzīgi secinājumi var būt noderīgi daudzu citu iekšējo orgānu izpētē.
Ultraskaņas izmantošana zobārstniecībā
Ultraskaņa ir atradusi ceļu arī zobārstniecībā, kur to izmanto zobakmens noņemšanai. Tas ļauj ātri, bez asinīm un nesāpīgi noņemt aplikumu un akmeni. Tajā pašā laikā mutes gļotāda netiek traumēta, un dobuma "kabatas" tiek dezinficētas. Sāpju vietā pacients izjūt siltuma sajūtu.
