Использование ультразвука в медицине и технике. Ультразвук и его применение в технике

Три основных направления применения ультразвука в медицине - это ультразвуковая диагностика, «ультразвуковой скальпель» и ультразвуковая физиотерапия. Начнем рассказ с двух последних.

«Ультразвуковой скальпель» используют прежде всего там, где необходимо точное и ограниченное воздействие, где каждый лишний миллиметр разрушенной ткани может вызвать тяжелые последствия, как, например, при хирургическом лечении глазных болезней, при пластических операциях лица и т. п. Фокусировка ультразвука в небольшой по размерам заданной области дает возможность воздействовать на глубоко расположенные структуры организма. Это особенно важно при проведении нейрохирургических операций на головном мозге, при операциях разрушения добавочных проводящих путей сердца. С повышением частоты ультразвука его действие предельно локализуется. Например, при частоте 4 мГц можно подвергнуть разрушению участок ткани объемом всего 0,05 мм куб., причем окружающие ткани остаются неповрежденными.

Для лечения глазных болезней ультразвук впервые применили медики в Одесском НИИ глазных болезней и тканевой терапии им. В. П. Филатова, известном разработкой ряда новых методов лечения помутнения роговицы, катаракты травматического происхождения, отслойки сетчатки и др. Низкочастотный ультразвук частотой 20-40 кГц был использован для расширения слезного канала, а также при операциях на роговице.

Операцию при катаракте (помутнении хрусталика) обычно делают только после ее созревания, когда зрение уже утрачено полностью. В естественных условиях этот процесс иногда длится годами. «Озвучивание» ультразвуком ускоряет его до нескольких минут, что позволяет провести операцию в более ранние сроки и с лучшими результатами. Для проведения этой операции был разработан оригинальный ультразвуковой инструмент в виде пустотелой иглы толщиной 1 мм, заключенной в тонкую силиконовую оболочку и соединенной с ультразвуковым генератором. Наблюдая в микроскоп за движением иглы, хирург подводит ее вплотную к хрусталику и включает ультразвук. Под действием ультразвука через несколько мгновений помутневший хрусталик разжижается. Образующаяся жидкость вымывается из капсулы дезинфицирующим раствором, поступающим через зазор между иглой и ее футляром, и отсасывается через внутренний канал иглы. Течение послеоперационного периода после такой операции значительно сокращается.

Фокусированный ультразвук был применен для того, чтобы задержать грозящую слепотой отслойку сетчатки. Его направленное воздействие в нескольких точках фиксирует сетчатку к подлежащим тканям. Во многих случаях ультразвук помогает обойтись без операции при глаукоме. Основной симптом при этом заболевании - повышение внутриглазного давления. Склеру глаза «озвучивают» ультразвуком в нескольких точках, после чего внутриглазное давление снижается. По данным американских врачей, этот метод эффективен в 80% случаев.

Разрушающее действие ультразвука также используют для удаления тромбов из крупных сосудов. Через отверстие, сделанное специальной иглой, хирург вводит в сосуд тонкий ультразвуковой волновод и осторожно продвигает его к тромбу. После 10-12 с «озвучивания» тромб перестает существовать, а из просвета сосуда вымывают образовавшееся жидкое содержимое и отсасывают его через ту же иглу. Инструмент извлекают, а отверстие «запаивают» ультразвуковым сварным швом.

Применяют ультразвук и при хирургическом лечении заболеваний уха, горла, носа. Операции по удалению набухших тканей хронически воспаленной слизистой оболочки носа и по исправлению искривления носовой перегородки делают в большинстве случаев при помощи скальпеля, долота и молотка. Позже разработали ультразвуковую аппаратуру для этой операции. Ультразвуковой инструмент позволил проводить ее бескровно, почти безболезненно и к тому же во много раз быстрее. Та же группа российских медиков разработала ультразвуковой скальпель для проведения трахеотомии (рассечения трахеи). Эту операцию производят обычно по жизненным показаниям - при внезапно наступившем удушье. Здесь дорого каждое мгновение, а применение ультразвука позволяет сэкономить целых 10 минут.

По мнению многих медиков, ультразвуковой метод, несомненно, расширяет возможности хирургического лечения больных с различной патологией легких и плевры. Врачи проводят операции на грудной клетке с помощью ультразвука. Ультразвуковой инструмент разрезает и соединяет грудину, ребра, бронхи, бужирует суженные артерии. В практику внедряются длинные гибкие ультразвуковые волноводы для манипуляций на трахее и бронхах, разработанные впервые в мире группой советских ученых. Проводятся экспериментальные исследования по соединению лоточной ткани и закрытию культи бронха при помощи ультразвука.

Ученые разработали и применили метод ультразвуковой резки и соединения костной ткани при помощи ультразвуковой сварки - сначала в многочисленных опытах на животных, а позже и в клинике. Чтобы резать кость обыкновенной пилой, надо отслоить от нее мягкие ткани на довольно большом протяжении, а для ультразвуковой пилы достаточно отверстия в мягких тканях диаметром 1 см. Это имеет особое значение при трепанации черепа, резекции ребер и др.

Метод ультразвуковой наплавки костной ткани состоит в том, что полость, образовавшуюся в кости после удаления патологического очага, заполняют костной стружкой, которую пропитывают специальным присадочным материалом и «озвучивают» ультразвуком. После «озвучивания» вся эта масса превращается в конгломерат, прочно спаянный с костью. Также ультразвук применяется для соединения тканей печени, селезенки, эндокринных желез.

Уже много лет ультразвуковые аппараты используют в стоматологии для снятия зубного камня, а в последние годы - также для лечения кариеса и его осложнений. Между рабочим концом ультразвукового вибратора и зубом помещают абразив (взвешенный в воде порошок окиси алюминия, бора и т. п.). Частицы абразива, ударяясь о ткань зуба, постепенно снимают с нее слой за слоем. Полученная полость воспроизводит форму конца вибратора. Ее стенки гладко отполированы. Качество пломбирования также лучше, так как под влиянием «озвучивания» меняется структура и повышается плотность пломбировочного материала. Ультразвуковое лечение зуба бесшумно. Выделение тепла, а значит, и нагрев зуба при нем слабее, чем при сверлении вращающимся бором. Поэтому болевые ощущения у большинства пациентов отсутствуют или минимальны. В данном случае это несомненное достоинство ультразвука оборачивается его недостатком. При практически безболезненном ультразвуковом лечении пульпита врачу трудно определить момент приближения к нерву. Поэтому ультразвуковые бормашины могут использовать только опытные специалисты.

Дробящее действие ультразвука может быть использовано и для разрушения камней мочеточника. Ультразвуковой инструмент дробит камень за 5-60 с, в зависимости от размеров и плотности камня.

Ультразвуковой скальпель ни по виду, ни по принципу действия не похож на хирургический. Внешне он напоминает миниатюрную двухступенчатую ракету, которая легко умещается в руке. Первая ее ступень содержит ультразвуковой вибратор, действие которого основано на принципе магнитострикции (от латинского слова «стрикцио» - сжатие).

Суть явления магнитострикции заключается в том, что некоторые металлы, попадая в магнитное поле, изменяют свои геометрические размеры. Если на стержень из такого ферромагнитного материала намотать медную проволоку и пропустить через нее переменный ток с частотой, соответствующей частотам ультразвука, то стержень с той же частотой будет изменять свои размеры. Так как амплитуда изменений размеров вибратора очень мала, то для ее усиления предназначен концентратор ультразвука (вторая ступень «ракеты»). Концентратор сужается от основания к верхушке, размах колебаний которой в десятки раз больше, чем у основания, меняющего положение вместе с вибратором. Амплитуда колебаний верхушки концентратора достигает 50-60 мк, а частота - 25-50 кГц. Ультразвуковой скальпель работает как острая микропила. За счет энергии ультразвуковых колебаний он разделяет ткань на границах контакта клеточных мембран, почти не повреждая самих клеток, что способствует лучшему и более быстрому заживлению. Слегка повернув инструмент и тем самым изменив направление ультразвукового луча, можно изменить направление разреза без расширения оперативного доступа. При рассечении ткани ультразвук останавливает капиллярное кровотечение. Важно также и то, что применение ультразвука заметно снижает болезненность хирургического вмешательства.

Хирургическая ультразвуковая техника в настоящее время входит в арсенал практической медицины. Она используется наряду с традиционными хирургическими инструментами, электрокоагуляционными, лазерными и другими методами, с учетом особенностей заболевания, показаний и противопоказаний. По мере усовершенствования и увеличения выпуска ультразвуковой аппаратуры для хирургических вмешательств внедрение ее в практику будет расширяться.

Физические явления, возникающие при воздействии ультразвука на жидкости, были положены в основу новой методики лечения ран, разработанной российскими учеными. В рану вводят растворы антибиотиков или антисептиков, которые «озвучивают» с помощью ультразвукового волновода. Озвученная жидкость удаляет омертвевшие ткани, производит массаж раневой поверхности, улучшает кровообращение в ней. Улучшается и диффузия лекарственных веществ, уменьшаются болезненные ощущения при перевязке, снижается бактериальная загрязненность раны, что способствует более быстрому и гладкому заживлению. Заметно сокращаются сроки лечения таких больных в стационаре.

Отдельным направлением применения ультразвука в медицине является ультразвуковая физиотерапия.

Механизм физиологического действия лечебного ультразвука на ткани живого организма пока выяснен не полностью. Принято различать три основных фактора влияния ультразвука: механический, тепловой и физико-химический. Механическое действие заключается в вибрационном микромассаже тканей на клеточном и субклеточном уровнях, повышающем проницаемость клеточных мембран и обмен веществ в клетках и тканях организма. Тепловое действие ультразвука при его малых интенсивностях, применяемых с лечебной целью, незначительно. Тепло может накапливаться в основном в тканях, больше всего поглощающих ультразвуковую энергию (нервной, костной), а также границах сред с различным акустическим сопротивлением (на границе кости с мягкими тканями) и в местах с недостаточным кровообращением.

Физико-химическое действие ультразвука связано главным образом с тем, что применение акустической энергии вызывает механический резонанс в веществе живых тканей. При этом ускоряется движение молекул, усиливается их распад на ионы, изменяется электрическое состояние клеток и околоклеточной жидкости, образуются новые электрические поля, усиливается диффузия через биологические мембраны, активизируются обменные процессы,

При воздействии ультразвука на кожу улучшается ее барьерно-защитная функция, усиливается деятельность потовых и сальных желез, активизируются процессы регенерации. Интересно, что чувствительность кожи различных областей тела к ультразвуку неодинакова: в области лица и живота она выше, чем в области конечностей.

При воздействии ультразвука на нервную систему мощностью 0,5 Вт/см кв. увеличивается скорость проведения возбуждения по нервным волокнам, а при более высокой интенсивности - 1 Вт/см кв. - она уменьшается. Ультразвук умеренной интенсивности обладает противоспазматическим действием - он снимает спазмы бронхов, желче- и мочевыводящих путей, кишок, усиливает мочеотделение. Под его влиянием нормализуется тонус сосудов и улучшается кровоснабжение тканей, повышается усвоение ими кислорода.

Ультразвук применяют для лечения хронического тонзиллита. Пораженные миндалины «озвучивают» ультразвуком малой интенсивности, благодаря чему снижается активность болезнетворных микроорганизмов, улучшается питание тканей, активизируются иммунобиологические процессы. В итоге такое амбулаторное лечение помогает сохранить миндалины, играющие важную роль в защитных реакциях организма. Ростовские медики разработали оригинальную методику ультразвукового массажа глаз. На глаз больного после закапывания обезболивающего препарата накладывают рамку-кольцо и включают ультразвук. После десятка сеансов такого ультразвукового массажа у больных с начальной формой глаукомы внутриглазное давление нормализуется.

В гинекологии ультразвук используют для лечения эрозии шейки матки. Уже после двух-трех ультразвуковых процедур, проводимых с промежутком 1-2 дня, эрозия начинала заживать, а через месяц у большинства больных она полностью исчезала.

Одной из специализаций ультразвуковой терапии становится лечение аденомы предстательной железы. Этому заболеванию подвержены мужчины преимущественно пожилого возраста. Лечение и большинстве случаев оперативное. Применение ультразвуковой терапии при аденоме предстательной железы и простатите дает хороший результат: после нескольких процедур у больных почти полностью исчезла боль, нормализовалось мочеиспускание, улучшилось общее состояние. «Озвучивание», проведенное после операции удаления железы, способствует лучшему течению послеоперационного периода.

Наиболее широко используют ультразвуковую терапию при остеохондрозе, артрозе, радикулите и других заболеваниях периферической нервной системы и опорно-двигательного аппарата.

Ультразвуковое лечение не рекомендуется применять при острых инфекционных заболеваниях, стенокардии, аневризме сердца, гипертонической болезни II Б и III стадий, болезнях крови, склонности к кровотечениям, а также при беременности. Раньше к противопоказаниям относили также наличие злокачественных опухолей. Но в последнее время изучается вопрос о применении ультразвуковой терапии для их лечения как отдельно, так и в сочетании с рентгенотерапией.

Иногда ультразвук применяют в сочетании с различными лекарственными веществами. Этот метод назван фонофорезом, хотя правильнее было бы назвать его ультрафонофорезом. В основе метода лежит повышение проницаемости кожи, слизистых оболочек, клеточных мембран и улучшение местной микроциркуляции под влиянием ультразвука. Все это помогает введению ряда лекарственных веществ через кожу и слизистые.

В настоящее время применяют фонофорез многих лекарственных препаратов, таких как гидрокортизон, анальгин, аминазин, интерферон, компламин, гепарин, экстракт алоэ, ФиБС, целый ряд антибиотиков и др. Вместе с тем было установлено, что некоторые лекарственные вещества, например, эуфиллин, аскорбиновая кислота, тиамин (витамин B1) и другие при «озвучивании» ультразвуком или не проникают в организм, или разрушаются. Иногда при фонофорезе сначала озвучивают кожу или слизистую оболочку ультразвуком, а затем после удаления контактной среды наносят лекарственное вещество в виде примочки или мази. Но чаще процедура производится так же, как обычное ультразвуковое облучение. Лекарственные вещества предварительно накладывают на поверхность кожи или слизистой оболочки в виде водного раствора, эмульсии или мази. Они выполняют также роль контактной среды при озвучивании. При фонофорезе, так же как и при «озвучивании» без применения лекарств, используют две методики: стабильную и лабильную. При первой вибратор во время процедуры остается неподвижным, при второй - он медленно передвигается по поверхности кожи или слизистой.

В последние годы изучаются возможности применения ультрафонопунктуры, фокусированного ультразвука, биоуправляемого и биосинхронизированного ультразвукового воздействия. Сфера применения ультразвуковой терапии продолжает расширяться.

В последнее время широкое распространение в разных областях науки, техники и медицины получило использование ультразвука.

Что же это такое? Где применяются ультразвуковые колебания? Какую пользу они способны принести человеку?

Ультразвуком называют волнообразные колебательные движения с частотой более 15-20 килогерц, возникающие под воздействием окружающей среды и неслышимые для человеческого уха. Ультразвуковые волны легко фокусируются, что увеличивает интенсивность колебаний.

Источники ультразвука

В природе ультразвук сопровождает различные естественные шумы: дождь, грозу, ветер, водопад, морской прибой. Его способны издавать некоторые животные (дельфины, летучие мыши), что помогает им обнаруживать препятствия и ориентироваться в пространстве.

Все существующие искусственные источники ультразвука подразделяют на 2 группы:

генераторы - колебания возникают в результате преодоления препятствий в виде газа или жидкостной струи.
электроакустические преобразователи- трансформируют электрическое напряжение в механические колебания, что приводит к излучению акустических волн в окружающую среду.

Приемники ультразвука

Низкие и средние частоты ультразвуковых колебаний в основном воспринимаются электроакустическими преобразователями пьезоэлектрического типа. В зависимости от условий использования различают резонансные и широкополосные устройства.

Чтобы получить характеристики звукового поля, которые усреднены по времени, применяют термические приемники, представленные термопарами или термисторами, которые покрывают веществом, обладающим звукопоглощающими свойствами.

Оптические методы, в число которых входит дифракция света, способны оценить интенсивность ультразвука и звуковое давление.

Где применяются ультразвуковые волны?

Ультразвуковые волны нашли применение в разнообразных областях.

Условно сферы использования ультразвука можно разделить на 3 группы:

получение информации;
активное воздействие;
обработка и передача сигналов.

В каждом случае используется определенный диапазон частот.

Очистка ультразвуком

Ультразвуковое воздействие обеспечивает качественную очистку деталей. При простом полоскании деталей на них остается до 80% грязи, при вибрационной чистке - близко 55%, при ручной - около 20%, а при ультразвуковой - менее 0,5%.

Детали, обладающие сложной формой, можно избавить от загрязнений только при помощи ультразвука.

Используются ультразвуковые волны и при очистке воздуха и газов. Ультразвуковой излучатель, помещенный в пылеосадочную камеру, увеличивает результативность ее действия в сотни раз.

Механическая обработка хрупких и сверхтвердых материалов

Благодаря ультразвуку стала возможной сверхточная обработка материалов. С его помощью делают вырезы различной формы, матрицы, шлифуют, гравируют и даже сверлят алмазы.

Применение ультразвука в радиоэлектронике

В радиоэлектронике нередко возникает необходимость задержать электрический сигнал по отношению к какому-то другому сигналу. Для этого стали пользоваться ультразвуковыми линиями задержки, действие которых основано на преобразовании электрических импульсов в ультразвуковые волны. Также они способны преобразовывать механические колебания в электрические. В соответствии с этим линии задержки могут быть магнитострикционными и пьезоэлектрическими.

Использование ультразвука в медицине

Применение ультразвуковых колебаний в медицинской практике основано на возникающих в биологических тканях эффектах во время прохождения сквозь них ультразвука. Колебательные движения оказывают на ткани массажирующее действие, а при поглощении ультразвука они локально нагреваются. В то же время в организме наблюдаются различные физико-химические процессы, не вызывающие необратимых изменений. В результате ускоряются обменные процессы, что благоприятно сказывается на функционировании всего организма.

Применение ультразвука в хирургии

Интенсивное действие ультразвука вызывает сильное нагревание и кавитацию, что нашло применение в хирургии. Использование фокусного ультразвука при проведении операций дает возможность осуществлять локальное разрушающее действие в глубинных участках организма, в том числе в области головного мозга, не нанося вреда близлежащим тканям.

Хирурги в своей работе используют инструменты с рабочим концом в виде иглы, скальпеля или пилы. При этом хирургу не требуется прикладывать усилий, что уменьшает травматичность процедуры. В то же время ультразвук оказывает анальгезирующее и кровоостанавливающее действие.

Воздействие ультразвуком назначается при обнаружении в организме злокачественного новообразования, что способствует его разрушению.

Ультразвуковые волны обладает и антибактериальным действием. Поэтому они применяются для стерилизации инструментов и лекарственных средств.

Исследование внутренних органов

С помощью ультразвука осуществляют диагностическое обследование органов, расположенных в брюшной полости. Для этого применяют специальный аппарат.

Во время ультразвукового исследования удается обнаружить различные патологии и аномальные структуры, отличить доброкачественное новообразование от злокачественного, обнаружить инфекцию.

Ультразвуковые колебания используют при диагностике печени. Они позволяют определить болезни желчных потоков, исследовать желчный пузырь на присутствие в нем камней и патологических изменений, выявить цирроз и доброкачественные болезни печени.

Широкое применение нашло ультразвуковое исследование в области гинекологии, особенно при диагностике матки и яичников. Оно помогает обнаружить гинекологические заболевания и дифференцировать злокачественные и доброкачественные опухоли.

Используются ультразвуковые волны и при исследовании других внутренних органов.

Применение ультразвука в стоматологии

В стоматологии с помощью ультразвука удаляют зубной налет и камень. Благодаря ему наслоения снимаются быстро и безболезненно, без травмирования слизистой оболочки. В то же время происходит обеззараживание ротовой полости.

21-й век - век радиоэлектроники, атома, покорения космоса и ультразвука. Сравнительно молода в наши дни наука об ультразвуке. В конце 19 века П. Н. Лебедев, русский ученый-физиолог, провел первые его исследования. После этого ультразвуком начали заниматься многие выдающиеся ученые.

Что такое ультразвук?

Ультразвук - это распространяющееся волнообразно которое совершают частицы среды. Он имеет свои особенности, по которым отличается от звуков слышимого диапазона. Сравнительно легко в ультразвуковом диапазоне получить направленное излучение. К тому же он хорошо фокусируется, и в результате этого повышается интенсивность совершаемых колебаний. При распространении в твердых телах, жидкостях и газах ультразвук рождает интересные явления, нашедшие практическое применение во многих областях техники и науки. Вот что такое ультразвук, роль которого в различных сферах жизни сегодня очень велика.

Роль ультразвука в науке и практике

Ультразвук в последние годы стал играть в научных исследованиях все большую роль. Были успешно проведены экспериментальные и теоретические изыскания в области акустических течений и ультразвуковой кавитации, что позволило ученым разработать технологические процессы, которые протекают при воздействии в жидкой фазе ультразвука. Он является мощным методом исследования разнообразных явлений и в такой области знания, как физика. Ультразвук применяется, например, в физике полупроводников и твердого тела. Сегодня формируется отдельное направление химии, получившее название "ультразвуковая химия". Ее применение позволяет ускорить множество химико-технологических процессов. Зародилась также молекулярная акустика - новый раздел акустики, который изучает молекулярное взаимодействие с веществом Появились новые сферы применения ультразвука: голография, интроскопия, акустоэлектроника, ультразвуковая фазомерия, квантовая акустика.

Помимо экспериментальных и теоретических работ в этой области, сегодня было выполнено множество практических. Разработаны специальные и универсальные ультразвуковые станки, установки, которые работают под повышенным статическим давлением и др. Внедрены в производство ультразвуковые автоматические установки, включенные в поточные линии, что позволяет существенно повысить производительность труда.

Подробнее об ультразвуке

Расскажем подробнее о том, что такое ультразвук. Мы уже говорили о том, что это упругие волны и ультразвука составляет более 15-20 кГц. Субъективными свойствами нашего слуха определяется нижняя граница ультразвуковых частот, которая отделяет ее от частоты слышимого звука. Эта граница, таким образом, является условной, и каждый из нас по-разному определяет, что такое ультразвук. Верхняя граница обозначена упругими волнами, их физической природой. Они распространяются только в материальной среде, то есть длина волны должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега имеющихся в газе молекул или же межатомных расстояний в твердых телах и жидкостях. При нормальном давлении в газах верхняя граница частот УЗ - 10 9 Гц, а твердых телах и жидкостях - 10 12 -10 13 Гц.

Источники ультразвука

Ультразвук в природе встречается и как компонент множества естественных шумов (водопада, ветра, дождя, гальки, перекатываемой прибоем, а также в сопровождающих разряды грозы звуках и т. д.), и как неотъемлемая часть животного мира. Им некоторые виды животных пользуются для ориентировки в пространстве, обнаружения препятствий. Известно, кроме того, что ультразвук в природе используют дельфины (в основном частоты от 80 до 100 кГц). Очень большой при этом может быть мощность излучаемых ими локационных сигналов. Известно, что дельфины способны обнаруживать косяки рыб, находящиеся на расстоянии до километра от них.

Излучатели (источники) ультразвука делятся на 2 большие группы. Первая - это генераторы, в которых колебания возбуждаются из-за наличия в них препятствий, установленных на пути движения постоянного потока - струи жидкости или газа. Вторая группа, в которую можно объединить источники ультразвука, - электроакустические преобразователи, которые превращают заданные колебания тока или электрического напряжения в механическое колебание, совершаемое твердым телом, излучающее акустические волны в окружающую среду.

Приемники ультразвука

На средних и приемниками ультразвука выступают чаще всего пьезоэлектрического типа электроакустические преобразователи. Они могут воспроизводить форму полученного акустического сигнала, представленную как временная зависимость звукового давления. Приборы могут быть либо широкополосными, либо резонансными - в зависимости от того, для каких условий применения они предназначены. Термические приемники используют для получения характеристик звукового поля, усредненных по времени. Они представляют собой покрытые звукопоглощающим веществом термисторы или термопары. Звуковое давление и интенсивность можно оценивать также оптическими методами, такими как дифракция света на УЗ.

Где применяется ультразвук?

Существует множество сфер его применения, при этом используются различные особенности ультразвука. Эти сферы можно разбить условно на три направления. Первое из них связано с получением посредством УЗ-волн различной информации. Второе направление - активное воздействие его на вещество. А третье связано с передачей и обработкой сигналов. УЗ определенного используется в каждом конкретном случае. Мы расскажем только о некоторых из множества областей, в которых он нашел свое применение.

Очистка с помощью ультразвука

Качество такой очистки нельзя сравнить с другими способами. При полоскании деталей, к примеру, на поверхности их сохраняется до 80% загрязнений, около 55 % - при вибрационной очистке, около 20 % - при ручной, а при ультразвуковой остается не более 0,5 % загрязнений. Детали, которые имеют сложную форму, возможно хорошо очистить лишь с помощью ультразвука. Важным преимуществом его использования является высокая производительность, а также малые затраты физического труда. Более того, можно заменить дорогостоящие и огнеопасные органические растворители дешевыми и безопасными водными растворами, применять жидкий фреон и др.

Серьезная проблема - загрязнение воздуха копотью, дымом, пылью, окислами металлов и т. д. Можно использовать ультразвуковой способ очистки воздуха и газа в газоотводах независимо от влажности среды и температуры. Если УЗ-излучатель поместить в пылеосадочную камеру, в сотни раз увеличится эффективность ее действия. В чем же заключается сущность такой очистки? Беспорядочно движущиеся в воздухе пылинки сильнее и чаще ударяются друг о друга под действием ультразвуковых колебаний. При этом размер их увеличивается за счет того, что они сливаются. Коагуляцией называется процесс укрупнения частиц. Специальными фильтрами улавливаются утяжеленные и укрупненные их скопления.

Механическая обработка хрупких и сверхтвердых материалов

Если ввести между обрабатываемой деталью и рабочей поверхностью инструмента, использующего ультразвук, то частицы абразива при работе излучателя станут воздействовать на поверхность этой детали. При этом разрушается материал и удаляется, подвергаясь обработке под действием множества направленных микроударов. Кинематика обработки складывается из основного движения - резания, то есть совершаемых инструментом продольных колебаний, и вспомогательного - движения подачи, которые осуществляет аппарат.

Ультразвук может проделывать различные работы. Для абразивных зерен источником энергии являются продольные колебания. Они и разрушают обрабатываемый материал. Движение подачи (вспомогательное) может быть круговым, поперечным и продольным. Обработка с помощью ультразвука имеет большую точность. В зависимости от того, какую зернистость имеет абразив, она составляет от 50 до 1 мк. Используя инструменты разной формы, можно делать не только отверстия, но также и сложные вырезы, криволинейные оси, гравировать, шлифовать, изготовлять матрицы и даже сверлить алмаз. Используемые как абразив материалы - корунд, алмаз, кварцевый песок, кремень.

Ультразвук в радиоэлектронике

Ультразвук в технике часто используется в области радиоэлектроники. В этой сфере часто появляется необходимость задержать электрический сигнал относительно какого-то другого. Ученые нашли удачное решение, предложив использовать ультразвуковые линии задержки (сокращенно - ЛЗ). Их действие основано на том, что электрические импульсы преобразуются в ультразвуковые Как же это происходит? Дело в том, что скорость ультразвука существенно меньше, чем та, которую развивают электромагнитные колебания. Импульс напряжения после обратного преобразования в электрические механических колебаний будет задержан на выходе линии относительно импульса входного.

Пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи используют для преобразования колебаний электрических в механические и обратно. ЛЗ соответственно этому делятся на пьезоэлектрические и магнитострикционные.

Ультразвук в медицине

Различные виды ультразвука применяются для воздействия на живые организмы. В медицинской практике его использование сейчас очень популярно. Оно основывается на эффектах, которые возникают в биологических тканях тогда, когда через них проходит ультразвук. Волны вызывают колебания частиц среды, что создает своеобразный микромассаж тканей. А поглощение ультразвука ведет к их локальному нагреванию. Вместе с тем в биологических средах происходят определенные физико-химические превращения. Эти явления в случае умеренной необратимых повреждений не вызывают. Они только улучшают обмен веществ, а значит и способствуют жизнедеятельности подверженного им организма. Такие явления применяются в УЗ-вой терапии.

Ультразвук в хирургии

Кавитация и сильное нагревание при больших интенсивностях приводят к разрушению тканей. Данный эффект применяется сегодня в хирургии. Фокусный ультразвук используют для хирургических операций, что позволяет осуществлять локальные разрушения в самых глубинных структурах (к примеру, мозга), не повреждая при этом окружающие. В хирургии также используются ультразвуковые инструменты, в которых рабочий конец имеет вид пилки, скальпеля, иглы. Колебания, накладываемые на них, придают новые качества этим приборам. Требуемое усилие значительно снижается, следовательно, уменьшается травматизм операции. К тому же проявляется обезболивающий и кровоостанавливающий эффект. Воздействие тупым инструментом с применением ультразвука используется для разрушения появившихся в организме некоторых видов новообразований.

Воздействие на биологические ткани осуществляется для разрушения микроорганизмов и используется в процессах стерилизации лекарственных средств и медицинских инструментов.

Исследование внутренних органов

В основном речь идет об исследовании брюшной полости. Для этой цели используется специальный может применяться для нахождения и распознавания различных аномалий тканей и анатомических структур. Задача зачастую такова: существует подозрение на наличие злокачественного образования и требуется отличить его от образования доброкачественного или инфекционного.

Ультразвук полезен при исследовании печени и для решения других задач, к которым относится обнаружение непроходимости и заболеваний желчных протоков, а также исследование желчного пузыря для выявления наличия в нем камней и других патологий. Кроме того, может применяться исследование цирроза и других диффузных доброкачественных заболеваний печени.

В области гинекологии, главным образом при анализе яичников и матки, применение ультразвука является в течение длительного времени главным направлением, в котором оно осуществляется особенно успешно. Зачастую здесь также нужна дифференциация доброкачественных и злокачественных образований, что требует обычно наилучшего контрастного и пространственного разрешения. Подобные заключения могут быть полезны и при исследовании множества других внутренних органов.

Применение ультразвука в стоматологии

Ультразвук также нашел свое применение и в стоматологии, где он используется для удаления зубного камня. Он позволяет быстро, бескровно и безболезненно снять налет и камень. При этом слизистая полость рта не травмируется, а "карманы" полости обеззараживаются. Вместо боли пациент испытывает ощущение теплоты.

Ультразвук

Ультразву́к - упругие колебания с частотой за пределом слышимости для человека. Обычно ультразвуковым диапазоном считают частоты выше 18 000 герц.

Хотя о существовании ультразвука известно давно, его практическое использование достаточно молодо. В наше время ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. Так, по скорости распространения звука в среде судят о её физических характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах позволяет с весьма малыми погрешностями определять, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоемкости газов, упругие постоянные твердых тел.

Источники ультразвука

Частота ультразвуковых колебаний, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц . Такие колебания обычно создают с помощью пьезокерамических преобразователей из титанита бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвуковых колебаний, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены).

В природе УЗ встречается как в качестве компонентов многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки 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 преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Свисток Гальтона

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 свистке Гальтона играет «губа» в маленькой цилиндрической резонансной полости. Газ, пропускаемый под высоким давлением через полый цилиндр, ударяется об эту «губу»; 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 и кошек.

Жидкостный ультразвуковой свисток

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 XX 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.

Сирена

Другая разновидность механических источников ультразвука - сирена. Она обладает относительно большой мощностью и применяется в полицейских 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 диске - роторе. При вращении ротора положение отверстий в нём периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подаётся сжатый воздух, который вырывается из неё 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, во-вторых- достичь большой скорости его вращения. Однако практически выполнить оба эти требования очень трудно.

Ультразвук в природе

Применение ультразвука

Диагностическое применение ультразвука в медицине (УЗИ)

Благодаря хорошему распространению ультразвука в мягких тканях человека, его относительной безвредности по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в сравнении с магнитно-резонансной томографией ультразвук широко применяется для визуализации состояния внутренних органов человека, особенно в брюшной полости и полости таза .

Терапевтическое применение ультразвука в медицине

Помимо широкого использования в диагностических целях (см. Ультразвуковое исследование), ультразвук применяется в медицине как лечебное средство.

Ультразвук обладает действием:

противовоспалительным, рассасывающим
аналгезирующим, спазмолитическим
кавитационным усилением проницаемости кожи

Фонофорез - сочетанный метод, при котором на ткани действуют ультразвуком и вводимыми 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 . Удобство ультрафонофореза медикаментов и природных веществ:

лечебное вещество при введении ультразвуком не разрушается
синергизм действия ультразвука и лечебного вещества

Показания к ультрафонофорезу бишофита: остеоартроз , остеохондроз , артриты , бурситы , эпикондилиты, 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 воздействия. Методика лабильная, обычная для ультрафонофореза (при УФФ 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).

Резка металла с помощью ультразвука

На обычных металлорежущих станках нельзя просверлить в металлической детали узкое отверстие сложной формы, например в виде пятиконечной звезды. С помощью ультразвука это возможно, магнитострикционный 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 рубине, в алмазе. Обычно резьба сначала делается в мягком металле, а потом уже деталь подвергают закалке. На ультразвуковом станке резьбу можно делать в уже закалённом металле и в самых твёрдых сплавах. То же и со штампами. Обычно штамп закаляют уже после его тщательной отделки. На ультразвуковом станке сложнейшую обработку производит абразив (наждак, корундовый порошок) в поле ультразвуковой волны. Беспрерывно колеблясь в поле ультразвука, частицы твёрдого порошка врезаются в обрабатываемый сплав и вырезают отверстие такой же формы, как и у долота.

Приготовление смесей с помощью ультразвука

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 мензурке образуется эмульсия, то есть мелкая взвесь масла в воде. Подобные эмульсии играют большую роль в промышленности: это лаки, краски, фармацевтические изделия, косметика.

Применение ультразвука в биологии

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, проведённые 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.

Применение ультразвука для очистки

Применение ультразвука для механической очистки основано на возникновении под его воздействием в жидкости различных нелинейных эффектов. К ним относится кавитация , акустические течения , звуковое давление . Основную роль играет кавитация. Её пузырьки, возникая и схлопываясь вблизи загрязнений, разрушают их. Этот эффект известен как кавитационная эрозия . Используемый для этих целей ультразвук имеет низкую частоты и повышенную мощность.

В лабораторных и производственных условиях для мытья мелких деталей и посуды применяются ультразвуковые ванны заполоненные растворителем (вода, спирт и т. п.). Иногда с их помощью от частиц земли моют даже корнеплоды (картофель, морковь, свекла и др.).

Применение ультразвука в расходометрии

Для контроля расхода и учета воды и теплоносителя с 60-х годов прошлого века в промышленности применяются ультразвуковые расходомеры .

Применение ультразвука в дефектоскопии

Ультразвук хорошо распространяется в некоторых материалах, что позволяет использовать его для ультразвуковой дефектоскопии изделий из этих материалов. В последнее время получает развитие направление ультразвуковой микроскопии, позволяющее исследовать подповерхностный слой материала с хорошей разрешающей способностью.

Ультразвуковая сварка

Ультразвуковая сварка - сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний. Такой вид сварки применяется для соединения деталей, нагрев которых затруднен, или при соединении разнородных металлов или металлов с прочными окисными пленками (алюминий, нержавеющие стали, магнитопроводы из пермаллоя и т. п.). Так ультразвуковая сварка применяется при производстве интегральных микросхем.

Применение ультразвука в гальванотехнике

Ультразвук применяют для интенсификации гальванических процессов и улучшения качества покрытий, получаемых электрохимическим способом.

C развитием акустики в конце XIX века был обнаружен ультразвук, тогда же начались первые исследования ультразвука, но основы его применения были заложены только в первой трети XX-века.

Ультразвук и его свойства

В природе ультразвук встречается в качестве компонента многих естественных шумов: в шуме ветра, водопада, дождя, морской гальки, перекатываемой прибоем, в грозовых разрядах. Многие млекопитающие, например кошки и собаки, обладают способностью восприятия ультразвука частотой до 100 кГц, а локационные способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем хорошо известны.

Ультразвук - механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.

Основными параметрами волны являются длина волны, частота и период. Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но, у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике. Вот основные из них:

1. Малая длина волны. Для самого низкого ультразвукового диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя ультразвук распространяется в виде пучков по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, ультразвуковой пучок ведёт себя как световой луч, испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет формировать звуковые изображения в оптически непрозрачных средах, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.).
2. Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.

Возможность получения высоких значений энергии колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.

В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения. Поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические эффекты: физические, химические, биологические и медицинские. Такие как кавитация, звукокапиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.

Потребности морского флота ведущих держав - Англии и Франции, для исследования морских глубин, вызвали интерес многих ученых в области акустики, т.к. это единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. Так в 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола, давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.

Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Фрэнсис Гальтон. Ультразвук создавался подобно свисту на острие ножа, если на него дуть. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух или другой газ, выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на кромку, и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.

В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо "пьезоэлектричество" от греческого слова, означающего "нажать". Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

Гибель «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы с новым оружием - подводными лодками требовали быстрого развития ультразвуковой гидроакустики. В 1914 году, французский физик Поль Ланжевен совместно с талантливым русским учёным-эмигрантом - Константином Васильевичем Шиловским впервые разработали гидролокатор, состоящий из излучателя ультразвука и гидрофона - приёмника УЗ колебаний, основанный на пьезоэффекте. Гидролокатор Ланжевена - Шиловского, был первым ультразвуковым устройством , применявшимся на практике. Тогда же российский ученый С.Я.Соколов разработал основы ультразвуковой дефектоскопии в промышленности. В 1937 году немецкий врач-психиатр Карл Дуссик, вместе с братом Фридрихом, физиком, впервые применили ультразвук для обнаружения опухолей головного мозга, но результаты, полученные ими, оказались недостоверными. В медицинской практике ультразвук впервые стал применяться только с 50-х годов XX-го века в США.