Ο 21ος αιώνας είναι ο αιώνας της ραδιοηλεκτρονικής, του ατόμου, της εξερεύνησης του διαστήματος και των υπερήχων. Η επιστήμη των υπερήχων είναι σχετικά νέα σήμερα. Στα τέλη του 19ου αιώνα, ο P. N. Lebedev, Ρώσος φυσιολόγος, πραγματοποίησε τις πρώτες του μελέτες. Μετά από αυτό, πολλοί επιφανείς επιστήμονες άρχισαν να μελετούν τους υπέρηχους.
Τι είναι ο υπέρηχος;
Ο υπέρηχος είναι μια διαδιδόμενη κυματοειδής ταλαντωτική κίνηση που κάνουν τα σωματίδια του μέσου. Έχει τα δικά του χαρακτηριστικά, στα οποία διαφέρει από τους ήχους του ακουστικού εύρους. Είναι σχετικά εύκολο να ληφθεί κατευθυνόμενη ακτινοβολία στην περιοχή υπερήχων. Επιπλέον, εστιάζει καλά και ως αποτέλεσμα αυτού, αυξάνεται η ένταση των ταλαντώσεων που γίνονται. Κατά τη διάδοση σε στερεά, υγρά και αέρια, ο υπέρηχος προκαλεί ενδιαφέροντα φαινόμενα που έχουν βρει πρακτική εφαρμογή σε πολλούς τομείς της τεχνολογίας και της επιστήμης. Αυτό είναι ο υπέρηχος, ο ρόλος του οποίου σε διάφορους τομείς της ζωής σήμερα είναι πολύ μεγάλος.
Ο ρόλος του υπερήχου στην επιστήμη και την πράξη
Ο υπερήχος τα τελευταία χρόνια άρχισε να παίζει στην επιστημονική έρευναέναν όλο και πιο σημαντικό ρόλο. Πραγματοποιήθηκαν με επιτυχία πειραματικές και θεωρητικές μελέτες στον τομέα των ακουστικών ροών και της σπηλαίωσης υπερήχων, οι οποίες επέτρεψαν στους επιστήμονες να αναπτύξουν τεχνολογικές διεργασίες που συμβαίνουν όταν εκτίθενται σε υπερήχους στην υγρή φάση. Είναι μια ισχυρή μέθοδος για τη μελέτη διαφόρων φαινομένων σε ένα τέτοιο πεδίο γνώσης όπως η φυσική. Ο υπέρηχος χρησιμοποιείται, για παράδειγμα, στη φυσική ημιαγωγών και στερεάς κατάστασης. Σήμερα σχηματίζεται ένας ξεχωριστός κλάδος της χημείας που ονομάζεται «υπερηχητική χημεία». Η εφαρμογή του επιτρέπει την επιτάχυνση πολλών χημικο-τεχνολογικών διεργασιών. Η μοριακή ακουστική γεννήθηκε επίσης - ένας νέος κλάδος της ακουστικής που μελετά τη μοριακή αλληλεπίδραση των ηχητικών κυμάτων με την ύλη. Έχουν εμφανιστεί νέοι τομείς εφαρμογής του υπερήχου: ολογραφία, ενδοσκόπηση, ακουστικοηλεκτρονική, μέτρηση φάσης υπερήχων, κβαντική ακουστική.
Εκτός από την πειραματική και θεωρητική εργασία σε αυτόν τον τομέα, έχει γίνει και πολύ πρακτική δουλειά σήμερα. Έχουν αναπτυχθεί ειδικά και καθολικά μηχανήματα υπερήχων, εγκαταστάσεις που λειτουργούν υπό αυξημένη στατική πίεση κ.λπ.. Έχουν εισαχθεί στην παραγωγή αυτόματες εγκαταστάσεις υπερήχων που περιλαμβάνονται στις γραμμές παραγωγής, οι οποίες μπορούν να αυξήσουν σημαντικά την παραγωγικότητα της εργασίας.
Περισσότερα για τον υπέρηχο
Ας μιλήσουμε περισσότερο για το τι είναι ο υπέρηχος. Είπαμε ήδη ότι πρόκειται για ελαστικά κύματα και ταλαντώσεις. Η συχνότητα του υπερήχου είναι μεγαλύτερη από 15-20 kHz. Οι υποκειμενικές ιδιότητες της ακοής μας καθορίζουν το κατώτερο όριο των συχνοτήτων υπερήχων, το οποίοτο διαχωρίζει από τη συχνότητα του ακουστικού ήχου. Αυτό το όριο, επομένως, είναι υπό όρους και ο καθένας μας ορίζει διαφορετικά τι είναι το υπερηχογράφημα. Το ανώτερο όριο υποδεικνύεται από τα ελαστικά κύματα, τη φυσική τους φύση. Διαδίδονται μόνο σε υλικό μέσο, δηλαδή το μήκος κύματος πρέπει να είναι σημαντικά μεγαλύτερο από τη μέση ελεύθερη διαδρομή των μορίων που υπάρχουν στο αέριο ή τις διατομικές αποστάσεις σε στερεά και υγρά. Σε κανονική πίεση στα αέρια, το ανώτερο όριο των συχνοτήτων υπερήχων είναι 109 Hz και σε στερεά και υγρά - 1012-10 13 Hz.
Πηγές υπερήχων
Οι υπέρηχοι βρίσκονται στη φύση τόσο ως συστατικό πολλών φυσικών θορύβων (καταρράκτης, άνεμος, βροχή, βότσαλα που κυλίονται από το σερφ, καθώς και στους ήχους που συνοδεύουν τις καταιγίδες κ.λπ.), όσο και ως αναπόσπαστο μέρος του τον κόσμο των ζώων. Ορισμένα είδη ζώων το χρησιμοποιούν για προσανατολισμό στο διάστημα, ανίχνευση εμποδίων. Είναι επίσης γνωστό ότι τα δελφίνια χρησιμοποιούν υπερήχους στη φύση (κυρίως συχνότητες από 80 έως 100 kHz). Σε αυτήν την περίπτωση, η ισχύς των σημάτων θέσης που εκπέμπονται από αυτά μπορεί να είναι πολύ μεγάλη. Είναι γνωστό ότι τα δελφίνια μπορούν να ανιχνεύσουν κοπάδια ψαριών σε απόσταση έως και ένα χιλιόμετρο.
Οι εκπομπές (πηγές) υπερήχων χωρίζονται σε 2 μεγάλες ομάδες. Το πρώτο είναι οι γεννήτριες, στις οποίες οι ταλαντώσεις διεγείρονται λόγω της παρουσίας εμποδίων σε αυτές που είναι εγκατεστημένα στην πορεία μιας σταθερής ροής - πίδακα υγρού ή αερίου. Η δεύτερη ομάδα στην οποία μπορούν να συνδυαστούν οι πηγές υπερήχων είναιηλεκτροακουστικοί μετατροπείς που μετατρέπουν δεδομένες διακυμάνσεις του ρεύματος ή της ηλεκτρικής τάσης σε μηχανική δόνηση που προκαλείται από ένα στερεό σώμα που εκπέμπει ακουστικά κύματα στο περιβάλλον.
Δέκτες υπερήχων
Στις μεσαίες και χαμηλές συχνότητες, οι δέκτες υπερήχων είναι τις περισσότερες φορές ηλεκτροακουστικοί μετατροπείς πιεζοηλεκτρικού τύπου. Μπορούν να αναπαράγουν τη μορφή του λαμβανόμενου ακουστικού σήματος, που αναπαρίσταται ως χρονική εξάρτηση της ηχητικής πίεσης. Οι συσκευές μπορεί να είναι είτε ευρυζωνικές είτε συντονισμένες, ανάλογα με τις συνθήκες εφαρμογής για τις οποίες προορίζονται. Οι θερμικοί δέκτες χρησιμοποιούνται για τη λήψη χαρακτηριστικών ηχητικού πεδίου με μέσο όρο χρόνου. Είναι θερμίστορ ή θερμοστοιχεία επικαλυμμένα με ηχοαπορροφητική ουσία. Η πίεση και η ένταση του ήχου μπορούν επίσης να εκτιμηθούν με οπτικές μεθόδους, όπως η περίθλαση του φωτός με υπερήχους.
Πού χρησιμοποιείται ο υπέρηχος;
Υπάρχουν πολλοί τομείς εφαρμογής του, ενώ χρησιμοποιεί διαφορετικά χαρακτηριστικά του υπερήχου. Αυτές οι περιοχές μπορούν χονδρικά να χωριστούν σε τρεις περιοχές. Το πρώτο από αυτά συνδέεται με τη λήψη διαφόρων πληροφοριών μέσω υπερηχητικών κυμάτων. Η δεύτερη κατεύθυνση είναι η ενεργός επιρροή του στην ουσία. Και το τρίτο συνδέεται με τη μετάδοση και την επεξεργασία των σημάτων. US ενός συγκεκριμένου εύρους συχνοτήτων χρησιμοποιείται σε κάθε περίπτωση. Θα καλύψουμε μόνο μερικούς από τους πολλούς τομείς στους οποίους έχει βρει το δρόμο του.
Καθαρισμός με υπερήχους
Η ποιότητα αυτού του καθαρισμού δεν μπορεί να συγκριθεί με άλλες μεθόδους. Κατά το ξέπλυμα εξαρτημάτων, για παράδειγμα, έως και 80% των ρύπων παραμένουν στην επιφάνειά τους, περίπου το 55% - με καθαρισμό με δονήσεις, περίπου το 20% - με χειροκίνητο καθαρισμό και με καθαρισμό με υπερήχους, δεν παραμένει περισσότερο από 0,5% των ρύπων. Λεπτομέρειες που έχουν πολύπλοκο σχήμα μπορούν να καθαριστούν καλά μόνο με τη βοήθεια υπερήχων. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα της χρήσης του είναι η υψηλή παραγωγικότητα, καθώς και το χαμηλό κόστος σωματικής εργασίας. Επιπλέον, μπορείτε να αντικαταστήσετε ακριβούς και εύφλεκτους οργανικούς διαλύτες με φθηνά και ασφαλή υδατικά διαλύματα, να χρησιμοποιήσετε υγρό φρέον κ.λπ.
Ένα σοβαρό πρόβλημα είναι η ατμοσφαιρική ρύπανση με αιθάλη, καπνό, σκόνη, οξείδια μετάλλων κ.λπ. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τη μέθοδο υπερήχων καθαρισμού αέρα και αερίου στις εξόδους αερίου, ανεξάρτητα από την υγρασία και τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Εάν ένας πομπός υπερήχων τοποθετηθεί σε θάλαμο καθίζησης σκόνης, η απόδοσή του θα αυξηθεί εκατοντάδες φορές. Ποια είναι η ουσία μιας τέτοιας κάθαρσης; Τα σωματίδια σκόνης που κινούνται τυχαία στον αέρα χτυπούν το ένα το άλλο πιο δυνατά και πιο συχνά υπό την επίδραση υπερηχητικών δονήσεων. Ταυτόχρονα, το μέγεθός τους αυξάνεται λόγω του γεγονότος ότι συγχωνεύονται. Η πήξη είναι η διαδικασία της μεγέθυνσης των σωματιδίων. Τα ειδικά φίλτρα πιάνουν τα σταθμισμένα και μεγεθυσμένα συμπλέγματά τους.
Μηχανική κατεργασία εύθραυστων και εξαιρετικά σκληρών υλικών
Εάν εισέλθετε μεταξύ του τεμαχίου εργασίας και της επιφάνειας εργασίας του εργαλείου χρησιμοποιώντας υπερήχους, λειαντικό υλικό, τότε τα λειαντικά σωματίδια κατά τη λειτουργίαο πομπός θα επηρεάσει την επιφάνεια αυτού του τμήματος. Σε αυτή την περίπτωση, το υλικό καταστρέφεται και αφαιρείται, υποβάλλεται σε επεξεργασία υπό τη δράση μιας ποικιλίας κατευθυνόμενων μικρο-κρούσεων. Η κινηματική της επεξεργασίας αποτελείται από την κύρια κίνηση - κοπή, δηλαδή τις διαμήκεις δονήσεις που κάνει το εργαλείο, και τη βοηθητική - την κίνηση τροφοδοσίας που εκτελεί το μηχάνημα.
Ο υπέρηχος μπορεί να κάνει διάφορες εργασίες. Για τους λειαντικούς κόκκους, η πηγή ενέργειας είναι οι διαμήκεις κραδασμοί. Καταστρέφουν το επεξεργασμένο υλικό. Η κίνηση τροφοδοσίας (βοηθητική) μπορεί να είναι κυκλική, εγκάρσια και διαμήκης. Η επεξεργασία με υπερήχους είναι πιο ακριβής. Ανάλογα με το μέγεθος των κόκκων του λειαντικού, κυμαίνεται από 50 έως 1 micron. Χρησιμοποιώντας εργαλεία διαφόρων σχημάτων, μπορείτε να κάνετε όχι μόνο τρύπες, αλλά και σύνθετες τομές, καμπυλωτούς άξονες, να χαράξετε, να τρίψετε, να κάνετε μήτρες και ακόμη και να τρυπήσετε ένα διαμάντι. Υλικά που χρησιμοποιούνται ως λειαντικό - κορούνδιο, διαμάντι, χαλαζιακή άμμος, πυριτόλιθος.
Υπερήχος σε ραδιοηλεκτρονικά
Ο υπερήχος στην τεχνολογία χρησιμοποιείται συχνά στον τομέα της ραδιοηλεκτρονικής. Σε αυτήν την περιοχή, συχνά καθίσταται απαραίτητο να καθυστερήσετε ένα ηλεκτρικό σήμα σε σχέση με κάποιο άλλο. Οι επιστήμονες βρήκαν μια καλή λύση προτείνοντας τη χρήση γραμμών καθυστέρησης υπερήχων (LZ για συντομία). Η δράση τους βασίζεται στο γεγονός ότι οι ηλεκτρικοί παλμοί μετατρέπονται σε υπερηχητικούς μηχανικούς κραδασμούς. Πώς συμβαίνει; Το γεγονός είναι ότι η ταχύτητα του υπερήχου είναι σημαντικά μικρότερη από αυτή που αναπτύσσεται από τις ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις. Σφυγμόςη τάση μετά τον αντίστροφο μετασχηματισμό σε ηλεκτρικούς μηχανικούς κραδασμούς θα καθυστερήσει στην έξοδο της γραμμής σε σχέση με τον παλμό εισόδου.
Πιεζοηλεκτρικοί και μαγνητοσυστολείς μορφοτροπείς χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή των ηλεκτρικών δονήσεων σε μηχανικούς και αντίστροφα. Τα LZ, αντίστοιχα, χωρίζονται σε πιεζοηλεκτρικά και μαγνητοσυστολικά.
Ο υπέρηχος στην ιατρική
Διαφορετικοί τύποι υπερήχων χρησιμοποιούνται για να επηρεάσουν τους ζωντανούς οργανισμούς. Στην ιατρική πρακτική, η χρήση του είναι πλέον πολύ δημοφιλής. Βασίζεται στις επιδράσεις που εμφανίζονται στους βιολογικούς ιστούς όταν τους περνάει ο υπέρηχος. Τα κύματα προκαλούν διακυμάνσεις στα σωματίδια του μέσου, γεγονός που δημιουργεί ένα είδος μικρομασάζ ιστών. Και η απορρόφηση των υπερήχων οδηγεί στην τοπική τους θέρμανση. Ταυτόχρονα, ορισμένοι φυσικοχημικοί μετασχηματισμοί συμβαίνουν σε βιολογικά μέσα. Αυτά τα φαινόμενα δεν προκαλούν μη αναστρέψιμες βλάβες σε περίπτωση μέτριας έντασης ήχου. Βελτιώνουν μόνο τον μεταβολισμό και επομένως συμβάλλουν στη ζωτική δραστηριότητα του σώματος που εκτίθεται σε αυτά. Τέτοια φαινόμενα χρησιμοποιούνται στη θεραπεία με υπερήχους.
Υπερηχογράφημα στη χειρουργική
Η σπηλαίωση και η ισχυρή θέρμανση σε υψηλές εντάσεις οδηγούν σε καταστροφή των ιστών. Αυτό το αποτέλεσμα χρησιμοποιείται σήμερα στη χειρουργική. Το εστιασμένο υπερηχογράφημα χρησιμοποιείται για χειρουργικές επεμβάσεις, το οποίο επιτρέπει την τοπική καταστροφή στις βαθύτερες δομές (για παράδειγμα, τον εγκέφαλο), χωρίς να καταστρέφονται οι γύρω. Το υπερηχογράφημα χρησιμοποιείται επίσης στη χειρουργικήεργαλεία στα οποία το άκρο εργασίας μοιάζει με λίμα, νυστέρι, βελόνα. Οι δονήσεις που τους επιβάλλονται δίνουν νέες ιδιότητες σε αυτά τα όργανα. Η απαιτούμενη δύναμη μειώνεται σημαντικά, επομένως μειώνεται ο τραυματισμός της επέμβασης. Επιπλέον, εκδηλώνεται αναλγητικό και αιμοστατικό αποτέλεσμα. Η κρούση με αμβλύ όργανο με χρήση υπερήχων χρησιμοποιείται για την καταστροφή ορισμένων τύπων νεοπλασμάτων που έχουν εμφανιστεί στο σώμα.
Οι επιπτώσεις στους βιολογικούς ιστούς πραγματοποιείται για την καταστροφή μικροοργανισμών και χρησιμοποιείται στις διαδικασίες αποστείρωσης φαρμάκων και ιατρικών οργάνων.
Έρευνα εσωτερικών οργάνων
Κυρίως μιλάμε για τη μελέτη της κοιλιακής κοιλότητας. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιείται μια ειδική συσκευή. Το υπερηχογράφημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εύρεση και αναγνώριση διαφόρων ιστικών και ανατομικών ανωμαλιών. Η πρόκληση είναι συχνά η εξής: υπάρχει υποψία κακοήθειας και πρέπει να διακριθεί από μια καλοήθη ή μολυσματική βλάβη.
Το υπερηχογράφημα είναι χρήσιμο για την εξέταση του ήπατος και για άλλες εργασίες, που περιλαμβάνουν την ανίχνευση αποφράξεων και ασθενειών των χοληφόρων οδών, καθώς και την εξέταση της χοληδόχου κύστης για την ανίχνευση της παρουσίας λίθων και άλλων παθολογιών σε αυτήν. Επιπλέον, μπορεί να χρησιμοποιηθεί εξέταση για κίρρωση και άλλες διάχυτες καλοήθεις παθήσεις του ήπατος.
Στον τομέα της γυναικολογίας, κυρίως στην ανάλυση των ωοθηκών και της μήτρας, η χρήση του υπερήχου είναι μεγάλητην κύρια κατεύθυνση στην οποία πραγματοποιείται με ιδιαίτερη επιτυχία. Συχνά, εδώ χρειάζεται και διαφοροποίηση καλοήθων και κακοήθων σχηματισμών, που συνήθως απαιτεί την καλύτερη αντίθεση και χωρική ανάλυση. Παρόμοια συμπεράσματα μπορεί να είναι χρήσιμα στη μελέτη πολλών άλλων εσωτερικών οργάνων.
Η χρήση του υπερήχου στην οδοντιατρική
Ο υπέρηχος έχει βρει τον δρόμο του και στην οδοντιατρική, όπου χρησιμοποιείται για την αφαίρεση πέτρας. Σας επιτρέπει να αφαιρείτε γρήγορα, αναίμακτα και ανώδυνα την πλάκα και την πέτρα. Ταυτόχρονα, ο στοματικός βλεννογόνος δεν τραυματίζεται, και οι «τσέπες» της κοιλότητας απολυμαίνονται. Αντί για πόνο, ο ασθενής αισθάνεται μια αίσθηση ζεστασιάς.
