21. vek je vek radio elektronike, atoma, istraživanja svemira i ultrazvuka. Nauka o ultrazvuku danas je relativno mlada. Krajem 19. veka, P. N. Lebedev, ruski fiziolog, vodio je svoje prve studije. Nakon toga, mnogi eminentni naučnici počeli su proučavati ultrazvuk.
Šta je ultrazvuk?
Ultrazvuk je talasasto oscilatorno kretanje koje se širi od čestica medija. Ima svoje karakteristike po kojima se razlikuje od zvukova čujnog opsega. Relativno je lako dobiti usmjereno zračenje u ultrazvučnom opsegu. Osim toga, dobro se fokusira, a kao rezultat toga, pojačava se intenzitet oscilacija. Kada se širi u čvrstim, tečnostima i gasovima, ultrazvuk dovodi do zanimljivih pojava koje su našle praktičnu primenu u mnogim oblastima tehnologije i nauke. To je ono što je ultrazvuk, čija je uloga u raznim sferama života danas veoma velika.
Uloga ultrazvuka u nauci i praksi
Ultrazvuk je poslednjih godina počeo da igra u naučnim istraživanjimasve važniju ulogu. Uspješno su provedena eksperimentalna i teorijska istraživanja u oblasti akustičkih strujanja i ultrazvučne kavitacije, što je omogućilo naučnicima da razviju tehnološke procese koji se javljaju pri izlaganju ultrazvuku u tečnoj fazi. To je moćna metoda za proučavanje različitih pojava u takvoj oblasti znanja kao što je fizika. Ultrazvuk se koristi, na primjer, u fizici poluvodiča i čvrstog stanja. Danas se formira posebna grana hemije koja se zove "ultrazvučna hemija". Njegova primjena omogućava ubrzavanje mnogih kemijsko-tehnoloških procesa. Rođena je i molekularna akustika - nova grana akustike koja proučava molekularnu interakciju zvučnih talasa sa materijom. Pojavile su se nove oblasti primene ultrazvuka: holografija, introskopija, akustoelektronika, ultrazvučno fazno merenje, kvantna akustika.
Pored eksperimentalnog i teorijskog rada u ovoj oblasti, danas je urađeno dosta praktičnog rada. Razvijene su specijalne i univerzalne ultrazvučne mašine, instalacije koje rade pod povećanim statičkim pritiskom itd. U proizvodnju su uvedene automatske ultrazvučne instalacije uključene u proizvodne linije koje mogu značajno povećati produktivnost rada.
Više o ultrazvuku
Hajde da razgovaramo više o tome šta je ultrazvuk. Već smo rekli da su to elastični talasi i oscilacije. Frekvencija ultrazvuka je više od 15-20 kHz. Subjektivna svojstva našeg sluha određuju donju granicu ultrazvučnih frekvencija, kojaodvaja je od frekvencije zvučnog zvuka. Ova granica je, dakle, uslovna i svako od nas drugačije definiše šta je ultrazvuk. Gornju granicu označavaju elastični valovi, njihova fizička priroda. Oni se šire samo u materijalnom mediju, to jest, talasna dužina mora biti znatno veća od srednjeg slobodnog puta molekula prisutnih u gasu ili međuatomske udaljenosti u čvrstim materijama i tečnostima. Pri normalnom pritisku u gasovima, gornja granica ultrazvučnih frekvencija je 109 Hz, a u čvrstim materijama i tečnostima - 1012-10 13 Hz.
Ultrazvučni izvori
Ultrazvuk se u prirodi nalazi i kao sastavni dio mnogih prirodnih zvukova (vodopad, vjetar, kiša, kamenčići koje je kotrljao surf, kao i u zvukovima koji prate grmljavinu, itd.), i kao sastavni dio životinjski svijet. Neke vrste životinja ga koriste za orijentaciju u prostoru, otkrivanje prepreka. Također je poznato da delfini koriste ultrazvuk u prirodi (uglavnom frekvencije od 80 do 100 kHz). U ovom slučaju, snaga lokacijskih signala koje emituju može biti vrlo velika. Poznato je da delfini mogu otkriti jata riba do kilometar udaljenosti.
Emiteri (izvori) ultrazvuka su podijeljeni u 2 velike grupe. Prvi su generatori, u kojima se oscilacije pobuđuju zbog prisutnosti prepreka u njima postavljenih na putu stalnog protoka - mlaza tekućine ili plina. Druga grupa u koju se ultrazvučni izvori mogu kombinovati jeelektroakustični pretvarači koji pretvaraju date fluktuacije struje ili električnog napona u mehaničku vibraciju koju stvara čvrsto tijelo koje zrači akustične valove u okolinu.
Ultrazvučni prijemnici
Na srednjim i niskim frekvencijama, ultrazvučni prijemnici su najčešće piezoelektrični elektroakustični pretvarači. Oni mogu reproducirati oblik primljenog akustičnog signala, predstavljen kao vremenska ovisnost zvučnog pritiska. Uređaji mogu biti širokopojasni ili rezonantni, ovisno o uvjetima primjene za koje su namijenjeni. Termalni prijemnici se koriste za dobijanje vremenski usrednjenih karakteristika zvučnog polja. To su termistori ili termoparovi obloženi supstancom koja apsorbira zvuk. Zvučni pritisak i intenzitet se takođe mogu proceniti optičkim metodama, kao što je difrakcija svetlosti ultrazvukom.
Gdje se koristi ultrazvuk?
Postoje mnoga područja njegove primjene, uz korištenje različitih karakteristika ultrazvuka. Ova područja se mogu grubo podijeliti u tri oblasti. Prvi od njih je povezan sa dobijanjem različitih informacija pomoću ultrazvučnih talasa. Drugi smjer je njegov aktivni utjecaj na supstancu. A treći je povezan sa prijenosom i obradom signala. U svakom slučaju koristi se US određenog frekvencijskog opsega. Pokriti ćemo samo neka od mnogih područja u kojima je pronašao svoj put.
Ultrazvučno čišćenje
Kvalitet ovog čišćenja ne može se porediti sa drugim metodama. Prilikom ispiranja dijelova, na primjer, do 80% zagađivača ostaje na njihovoj površini, oko 55% - kod čišćenja vibracijama, oko 20% - kod ručnog čišćenja, a kod ultrazvučnog čišćenja ne ostane više od 0,5% zagađivača. Detalji složenog oblika mogu se dobro očistiti samo uz pomoć ultrazvuka. Važna prednost njegove upotrebe je visoka produktivnost, kao i niski troškovi fizičkog rada. Štaviše, skupe i zapaljive organske rastvarače možete zamijeniti jeftinim i sigurnim vodenim otopinama, koristiti tečni freon, itd.
Ozbiljan problem predstavlja zagađenje vazduha čađom, dimom, prašinom, metalnim oksidima itd. Ultrazvučnu metodu čišćenja vazduha i gasa možete koristiti u otvorima za gas, bez obzira na vlažnost i temperaturu okoline. Ako se ultrazvučni emiter stavi u komoru za taloženje prašine, njegova efikasnost će se povećati stotinama puta. Šta je suština takvog pročišćavanja? Čestice prašine koje se nasumično kreću u vazduhu udaraju se jače i češće pod uticajem ultrazvučnih vibracija. Istovremeno, njihova veličina se povećava zbog činjenice da se spajaju. Koagulacija je proces povećanja čestica. Specijalni filteri hvataju njihove ponderisane i uvećane klastere.
Obrada krhkih i super tvrdih materijala
Ako uđete između radnog predmeta i radne površine alata pomoću ultrazvuka, abrazivnog materijala, abrazivne čestice u toku radaemiter će uticati na površinu ovog dela. U tom slučaju materijal se uništava i uklanja, podvrgava obradi pod djelovanjem raznih usmjerenih mikro-udara. Kinematika obrade sastoji se od glavnog pokreta - rezanja, odnosno uzdužnih vibracija koje vrši alat, i pomoćnog - pokreta posmaka koji mašina vrši.
Ultrazvuk može obavljati različite poslove. Za abrazivna zrna izvor energije su uzdužne vibracije. Uništavaju obrađeni materijal. Kretanje hrane (pomoćno) može biti kružno, poprečno i uzdužno. Ultrazvučna obrada je preciznija. U zavisnosti od veličine zrna abraziva, kreće se od 50 do 1 mikrona. Koristeći alate različitih oblika, možete napraviti ne samo rupe, već i složene rezove, zakrivljene sjekire, gravirati, brusiti, napraviti matrice, pa čak i izbušiti dijamant. Materijali koji se koriste kao abrazivi - korund, dijamant, kvarcni pijesak, kremen.
Ultrazvuk u radio elektronici
Ultrazvuk u tehnologiji se često koristi u oblasti radio elektronike. U ovoj oblasti često postaje potrebno odgoditi električni signal u odnosu na neki drugi. Naučnici su pronašli dobro rješenje predlažući korištenje ultrazvučnih linija za kašnjenje (skraćeno LZ). Njihovo djelovanje temelji se na činjenici da se električni impulsi pretvaraju u ultrazvučne mehaničke vibracije. Kako se to dešava? Činjenica je da je brzina ultrazvuka znatno manja od brzine koju razvijaju elektromagnetne oscilacije. Pulsnapon nakon obrnute transformacije u električne mehaničke vibracije će biti odgođen na izlazu linije u odnosu na ulazni impuls.
Pijezoelektrični i magnetostriktivni pretvarači se koriste za pretvaranje električnih vibracija u mehaničke i obrnuto. LZ se dijele na piezoelektrične i magnetostriktivne.
Ultrazvuk u medicini
Različite vrste ultrazvuka se koriste da utiču na žive organizme. U medicinskoj praksi njegova upotreba je sada vrlo popularna. Zasnovan je na efektima koji se javljaju u biološkim tkivima kada ultrazvuk prolazi kroz njih. Talasi uzrokuju fluktuacije u česticama medija, što stvara neku vrstu mikromasaže tkiva. A apsorpcija ultrazvuka dovodi do njihovog lokalnog zagrijavanja. Istovremeno se u biološkim medijima dešavaju određene fizičko-hemijske transformacije. Ove pojave ne uzrokuju nepovratnu štetu u slučaju umjerenog intenziteta zvuka. Oni samo poboljšavaju metabolizam, pa stoga doprinose vitalnoj aktivnosti tijela izloženog njima. Ovakvi fenomeni se koriste u ultrazvučnoj terapiji.
Ultrazvuk u operaciji
Kavitacija i jako zagrevanje pri visokim intenzitetima dovode do razaranja tkiva. Ovaj efekat se danas koristi u hirurgiji. Za hirurške operacije koristi se fokusirani ultrazvuk koji omogućava lokalnu destrukciju u najdubljim strukturama (npr. mozak), bez oštećenja okolnih. Ultrazvuk se takođe koristi u hirurgijialati kod kojih radni kraj izgleda kao turpija, skalpel, igla. Vibracije koje su im nametnute daju nove kvalitete ovim instrumentima. Potrebna sila je značajno smanjena, pa se smanjuje traumatizam operacije. Osim toga, očituje se analgetski i hemostatski učinak. Udar tupim instrumentom ultrazvukom se koristi za uništavanje određenih vrsta neoplazmi koje su se pojavile u tijelu.
Uticaj na biološka tkiva vrši se radi uništavanja mikroorganizama i koristi se u procesima sterilizacije lijekova i medicinskih instrumenata.
Istraživanje unutrašnjih organa
Uglavnom govorimo o proučavanju trbušne šupljine. U tu svrhu koristi se poseban aparat. Ultrazvuk se može koristiti za pronalaženje i prepoznavanje različitih tkivnih i anatomskih anomalija. Izazov je često sljedeći: sumnja se na malignitet i treba ga razlikovati od benigne ili infektivne lezije.
Ultrazvuk je koristan u pregledu jetre i za druge poslove koji uključuju otkrivanje opstrukcija i bolesti žučnih puteva, kao i pregled žučne kese radi otkrivanja prisustva kamenaca i drugih patologija u njoj. Osim toga, može se koristiti testiranje na cirozu i druge difuzne benigne bolesti jetre.
U oblasti ginekologije, uglavnom u analizi jajnika i materice, upotreba ultrazvuka je dugotrajnaglavni pravac u kome se posebno uspešno sprovodi. Često je ovdje potrebna i diferencijacija benignih i malignih formacija, što obično zahtijeva najbolji kontrast i prostornu rezoluciju. Slični zaključci mogu biti korisni u proučavanju mnogih drugih unutrašnjih organa.
Primjena ultrazvuka u stomatologiji
Ultrazvuk je također pronašao put u stomatologiji, gdje se koristi za uklanjanje kamenca. Omogućava brzo, beskrvno i bezbolno uklanjanje plaka i kamenca. Istovremeno, oralna sluznica nije ozlijeđena, a "džepovi" šupljine su dezinficirani. Umjesto bola, pacijent doživljava osjećaj topline.
