Ультразвук, Фізика

20.02.2017

Ультразвук

Ультразвук — пружні звукові коливання високої частоти. Людське вухо сприймає поширюються в середовищі пружні хвилі частотою приблизно до 16-20 кГц; коливання з більш високою частотою являють собою ультразвук (за межею чутності). Зазвичай ультразвуковим діапазоном вважають смугу частот від 20 000 до мільярда Гц. Звукові коливання з більш високою частотою називають гиперзвуком. У рідинах і твердих тілах звукові коливання можуть досягати 1000 ГГц

Хоча про існування ультразвуку вченим було відомо давно, практичне використання його в науці, техніці і промисловості почалося порівняно недавно. Зараз ультразвук широко застосовується в різних галузях фізики, технології, хімії та медицини.

Джерела Ультразвуку

Частота надвисокочастотних ультразвукових хвиль, що застосовуються в промисловості та біології, лежить в діапазоні порядку декількох МГц. Фокусування таких пучків зазвичай здійснюється з допомогою спеціальних звукових лінз і дзеркал. Ультразвуковий пучок з необхідними параметрами можна отримати з допомогою відповідного перетворювача. Найбільш поширені керамічні перетворювачі з титанита барію. У тих випадках, коли основне значення має потужність ультразвукового пучка, зазвичай використовуються механічні джерела ультразвуку. Спочатку всі ультразвукові хвилі отримували механічним шляхом (камертони, свистки, сирени).

У природі УЗ зустрічається як компоненти багатьох природних шумів (в шумі вітру, водоспаду, дощу, в шумі гальки, перекатываемой морським прибоєм, у звуках, супроводжуючих грозові розряди, тощо), так і серед звуків тваринного світу. Деякі тварини користуються ультразвуковими хвилями для виявлення перешкод, орієнтування в просторі.

Випромінювачі ультразвуку можна підрозділити на дві великі групи. До першої належать випромінювачі-генератори; коливання в них порушуються через наявність перешкод на шляху постійного потоку — струменя газу або рідини. Друга група випромінювачів — електроакустичні перетворювачі; вони перетворюють вже задані коливання електричного напруги або струму в механічне коливання твердого тіла, яке випромінює в навколишнє середовище акустичні хвилі.Приклади випромінювачів :свисток Гальтона,рідинний і ультразвуковий свисток,сирена.

Поширення ультразвуку .

Поширення ультразвуку — це процес переміщення в просторі і в часі збурень, що мають місце в звуковій хвилі.

Звукова хвиля поширюється в речовині, що знаходиться в газоподібному, рідкому або твердому стані, у тому ж напрямку, в якому відбувається зміщення частинок цієї речовини, тобто вона викликає деформацію середовища. Деформація полягає в тому, що відбувається послідовне розрядження і стиснення певних обсягів середовища, причому відстань між двома сусідніми областями відповідає довжині ультразвукової хвилі. Чим більше питомий акустичний опір середовища, тим більше ступінь стиснення і розрідження середовища при даній амплітуді коливань.

Частинки середовища, які беруть участь у передачі енергії хвилі, що коливаються біля положення свого рівноваги. Швидкість, з якою частинки коливаються біля середнього положення рівноваги називається коливальної

швидкістю.

Дифракція, інтерференція

При поширенні ультразвукових хвиль можливі явища дифракції, інтерференції і відображення.

Дифракція (об’їзд хвилями перешкод) має місце тоді, коли довжина ультразвукової хвилі порівнянна (або більше) з розмірами, що знаходиться на шляху перешкоди. Якщо перешкода в порівнянні з довжиною акустичної хвилі велике, то явища дифракції немає.

При одночасному русі в тканини декількох ультразвукових хвиль в певній точці середовища може відбуватися суперпозиція цих хвиль. Таке накладення хвиль один на одного носить загальну назву інтерференції. Якщо в процесі проходження через біологічний об’єкт ультразвукові хвилі перетинаються, то в певній точці біологічного середовища спостерігається посилення або ослаблення коливань. Результат інтерференції буде залежати від просторового співвідношення фаз ультразвукових коливань в даній точці середовища. Якщо ультразвукові хвилі досягають певної ділянки середовища в однакових фазах (синфазно), то зміщення частинок мають однакові знаки і інтерференція в таких умовах сприяє збільшенню амплітуди ультразвукових коливань. Якщо ж ультразвукові хвилі приходять до конкретної ділянки в протифазі, то зміщення частинок буде супроводжуватися різними знаками, що призводить до зменшення амплітуди ультразвукових коливань.

Інтерференція відіграє важливу роль при оцінці явищ, що виникають в тканинах навколо ультразвукового випромінювача. Особливо велике значення має інтерференція при поширенні ультразвукових хвиль в протилежних напрямках після відбиття від перешкоди.

Поглинання ультразвукових хвиль

Якщо середовище, в якому відбувається поширення ультразвуку, володіє в’язкістю і теплопровідністю або в ній є інші процеси внутрішнього тертя, то при поширенні хвилі відбувається поглинання звуку, тобто по мірі віддалення від джерела амплітуда ультразвукових коливань стає менше, так само як і енергія, яку вони несуть. Середовище, в якому поширюється ультразвук, вступає у взаємодію із проходить через нього енергією і частина її поглинає. Переважна частина поглиненої енергії перетворюється в тепло, менша частина викликає в передавальному речовині незворотні структурні зміни. Поглинання є результатом тертя частинок один про одного, в різних середовищах воно по-різному. Поглинання залежить також від частоти ультразвукових коливань. Теоретично, поглинання пропорційно квадрату частоти.

Величину поглинання можна характеризувати коефіцієнтом поглинання, який показує, як змінюється інтенсивність ультразвуку в опромінюваної середовищі. З ростом частоти він збільшується. Інтенсивність ультразвукових коливань у середовищі зменшується за експоненціальним законом. Цей процес зумовлений внутрішнім тертям, теплопровідністю поглинаючого середовища і її структурою. Його орієнтовно характеризує величина полупоглощающего шару, яка показує на якій глибині інтенсивність коливань зменшується в два рази (точніше в 2,718 рази або на 63 %). За Пальману при частоті, яка дорівнює 0,8 МГц середні величини полупоглощающего шару для деяких тканин такі: жирова тканина — 6,8 см; м’язова — 3,6 см; жирова і м’язова тканини разом — 4,9 див. Зі збільшенням частоти ультразвуку величина полупоглощающего шару зменшується. Так при частоті, яка дорівнює 2,4 МГц, інтенсивність ультразвуку, що проходить через жирову і м’язову тканини, зменшується в два рази на глибині 1,5 див.

Крім того, можливо аномальне поглинання енергії ультразвукових коливань в деяких діапазонах частот — це залежить від особливостей молекулярної будови даної тканини. Відомо, що 2/3 енергії ультразвуку затухає на молекулярному рівні і на рівні 1/3 мікроскопічних тканинних структур.

Глибина проникнення ультразвукових хвиль

Під глибиною проникнення ультразвуку розуміють глибину, при якій інтенсивність зменшується на половину. Ця величина обернено пропорційна поглинання: чим сильніше середовище поглинає ультразвук, тим менше відстань, на якому інтенсивність ультразвуку послаблюється наполовину.

Розсіяння ультразвукових хвиль

Якщо в середовищі є неоднорідності, то відбувається розсіювання звуку, що може істотно змінити просту картину поширення ультразвуку і, в кінцевому рахунку, також викликати затухання хвилі в первісному напрямку поширення.

Заломлення ультразвукових хвиль

Так як акустичне опір м’яких тканин людини ненабагато відрізняється від опору води, можна припускати, що на межі розділу середовищ (епідерміс — дерма — фасція — м’яз) буде спостерігатися заломлення ультразвукових хвиль .

Відображення ультразвукових хвиль

На явищі відображення заснована ультразвукова діагностика. Відображення відбувається у прикордонних областях шкіри і жиру, жиру і м’язів, м’язів і кісток. Якщо ультразвук при поширенні наштовхується на перешкоду, то відбувається відображення, якщо перешкода мало, то ультразвук його як би обтікає. Неоднорідності організму не викликають значних відхилень, так як в порівнянні з довжиною хвилі (2 мм) їх розмірами (0,1—0,2 мм) можна знехтувати. Якщо ультразвук на своєму шляху наштовхується на органи, розміри яких більше довжини хвилі, то відбувається заломлення і відбиття ультразвуку. Найбільш сильний відбиток спостерігається на межах кістка — навколишні її тканини і тканини — повітря. У повітря мала щільність і спостерігається практично повне відображення ультразвуку. Відображення ультразвукових хвиль спостерігається на кордоні м’яз — окістя — кістка, на поверхні порожнистих органів.

Біжать і стоячі ультразвукові хвилі

Якщо при поширенні ультразвукових хвиль у середовищі не відбувається їх відображення, утворюються біжать хвилі. В результаті втрат енергії коливальні руху частинок середовища поступово загасають, і чим дальше розташовані частинки від випромінюючої поверхні, тим менше амплітуда їх коливань. Якщо ж на шляху поширення ультразвукових хвиль є тканини з різними питомими акустичними опорами, то в тій чи іншій мірі відбувається відбиття ультразвукових хвиль від прикордонного розділу. Накладення падаючих і відбиваються ультразвукових хвиль може призводити до виникнення стоячих хвиль. Для виникнення стоячих хвиль відстань від поверхні випромінювача до відбиваючої поверхні повинна бути кратною половині довжини хвилі.

Короткий опис статті: застосування ультразвуку

Джерело: Ультразвук — Фізика

Також ви можете прочитати