На ультразвуковой волне

Содержание

Ультразвук – Физика

На ультразвуковой волне

Ультразвук — упругие звуковые колебания высокой частоты.

Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16-20 кГц; колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости).

Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до миллиарда Гц. Звуковые колебания с более высокой частотой называют гиперзвуком. В жидкостях и твердых телах звуковые колебания могут достигать 1000 ГГц

Хотя о существовании ультразвука ученым было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно. Сейчас ультразвук широко применяется в различных областях физики, технологии, химии и медицины.

Источники Ультразвука

Частота сверхвысокочастотных ультразвуковых волн, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц. Фокусировка таких пучков обычно осуществляется с помощью специальных звуковых линз и зеркал.

Ультразвуковой пучок с необходимыми параметрами можно получить с помощью соответствующего преобразователя. Наиболее распространены керамические преобразователи из титанита бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвукового пучка, обычно используются механические источники ультразвука.

Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены).

В природе УЗ встречается как в качестве компоненты 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.

Примеры излучателей :свисток Гальтона,жидкостный и ультразвуковой свисток,сирена.

Распространение ультразвука .

Распространение ультразвука — это процесс перемещения в пространстве и во времени возмущений, имеющих место в звуковой волне.

Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, жидком или твёрдом состоянии, в том же направлении, в котором происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды.

Деформация заключается в том, что происходит последовательное разряжение и сжатие определённых объёмов среды, причём расстояние между двумя соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны.

Чем больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебаний.

Частицы среды, участвующие в передаче энергии волны, колеблются около положения своего равновесия. Скорость, с которой частицы колеблются около среднего положения равновесия называется колебательной

скоростью.

Дифракция, интерференция

При распространении ультразвуковых волн возможны явления дифракции, интерференции и отражения.

Дифракция (огибание волнами препятствий) имеет место тогда, когда длина ультразвуковой волны сравнима (или больше) с размерами находящегося на пути препятствия. Если препятствие по сравнению с длиной акустической волны велико, то явления дифракции нет.

При одновременном движении в ткани нескольких ультразвуковых волн в определённой точке среды может происходить суперпозиция этих волн. Такое наложение волн друг на друга носит общее название интерференции.

Если в процессе прохождения через биологический объект ультразвуковые волны пересекаются, то в определённой точке биологической среды наблюдается усиление или ослабление колебаний. Результат интерференции будет зависеть от пространственного соотношения фаз ультразвуковых колебаний в данной точке среды.

Если ультразвуковые волны достигают определённого участка среды в одинаковых фазах (синфазно), то смещения частиц имеют одинаковые знаки и интерференция в таких условиях способствует увеличению амплитуды ультразвуковых колебаний.

Если же ультразвуковые волны приходят к конкретному участку в противофазе, то смещение частиц будет сопровождаться разными знаками, что приводит к уменьшению амплитуды ультразвуковых колебаний.

Интерференция играет важную роль при оценке явлений, возникающих в тканях вокруг ультразвукового излучателя. Особенно большое значение имеет интерференция при распространении ультразвуковых волн в противоположных направлениях после отражения их от препятствия.

Поглощение ультразвуковых волн

Если среда, в которой происходит распространение ультразвука, обладает вязкостью и теплопроводностью или в ней имеются другие процессы внутреннего трения, то при распространении волны происходит поглощение звука, то есть по мере удаления от источника амплитуда ультразвуковых колебаний становится меньше, так же как и энергия, которую они несут. Среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через него энергией и часть её поглощает. Преобладающая часть поглощенной энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе необратимые структурные изменения. Поглощение является результатом трения частиц друг об друга, в различных средах оно различно. Поглощение зависит также от частоты ультразвуковых колебаний. Теоретически, поглощение пропорционально квадрату частоты.

Величину поглощения можно характеризовать коэффициентом поглощения, который показывает, как изменяется интенсивность ультразвука в облучаемой среде. С ростом частоты он увеличивается. Интенсивность ультразвуковых колебаний в среде уменьшается по экспоненциальному закону.

Этот процесс обусловлен внутренним трением, теплопроводностью поглощающей среды и её структурой. Его ориентировочно характеризует величина полупоглощающего слоя, которая показывает на какой глубине интенсивность колебаний уменьшается в два раза (точнее в 2,718 раза или на 63 %).

По Пальману при частоте, равной 0,8 МГц средние величины полупоглощающего слоя для некоторых тканей таковы: жировая ткань — 6,8 см; мышечная — 3,6 см; жировая и мышечная ткани вместе — 4,9 см. С увеличением частоты ультразвука величина полупоглощающего слоя уменьшается.

Так при частоте, равной 2,4 МГц, интенсивность ультразвука, проходящего через жировую и мышечную ткани, уменьшается в два раза на глубине 1,5 см.

Кроме того, возможно аномальное поглощение энергии ультразвуковых колебаний в некоторых диапазонах частот — это зависит от особенностей молекулярного строения данной ткани. Известно, что 2/3 энергии ультразвука затухает на молекулярном уровне и 1/3 на уровне микроскопических тканевых структур.

Глубина проникновения ультразвуковых волн

Под глубиной проникновения ультразвука понимают глубину, при которой интенсивность уменьшается на половину. Эта величина обратно пропорциональна поглощению: чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние, на котором интенсивность ультразвука ослабляется наполовину.

Рассеяние ультразвуковых волн

Если в среде имеются неоднородности, то происходит рассеяние звука, которое может существенно изменить простую картину распространения ультразвука и, в конечном счете, также вызвать затухание волны в первоначальном направлении распространения.

Преломление ультразвуковых волн

Так как акустическое сопротивление мягких тканей человека ненамного отличается от сопротивления воды, можно предполагать, что на границе раздела сред (эпидермис — дерма — фасция — мышца) будет наблюдаться преломление ультразвуковых волн .

Отражение ультразвуковых волн

На явлении отражения основана ультразвуковая диагностика. Отражение происходит в приграничных областях кожи и жира, жира и мышц, мышц и костей.

Если ультразвук при распространении наталкивается на препятствие, то происходит отражение, если препятствие мало, то ультразвук его как бы обтекает.

Неоднородности организма не вызывают значительных отклонений, так как по сравнению с длиной волны (2 мм) их размерами (0,1—0,2 мм) можно пренебречь. Если ультразвук на своём пути наталкивается на органы, размеры которых больше длины волны, то происходит преломление и отражение ультразвука.

Наиболее сильное отражение наблюдается на границах кость — окружающие её ткани и ткани — воздух. У воздуха малая плотность и наблюдается практически полное отражение ультразвука. Отражение ультразвуковых волн наблюдается на границе мышца — надкостница — кость, на поверхности полых органов.

Бегущие и стоячие ультразвуковые волны

Если при распространении ультразвуковых волн в среде не происходит их отражения, образуются бегущие волны. В результате потерь энергии колебательные движения частиц среды постепенно затухают, и чем дальше расположены частицы от излучающей поверхности, тем меньше амплитуда их колебаний.

Если же на пути распространения ультразвуковых волн имеются ткани с разными удельными акустическими сопротивлениями, то в той или иной степени происходит отражение ультразвуковых волн от пограничного раздела. Наложение падающих и отражающихся ультразвуковых волн может приводить к возникновению стоячих волн.

Для возникновения стоячих волн расстояние от поверхности излучателя до отражающей поверхности должно быть кратным половине длины волны.

Источник: https://www.sites.google.com/site/sergkraskaa/zvuk/ultrazvuk

Распространение ультразвуковых волн | теория за 5 минут!

На ультразвуковой волне

Ультразвуковой контроль основан на изменяющихся во времени деформациях материалов, которые деформируются под воздействием ультразвука и обычно называются акустикой (звуковой) деформацией.

Все материальные вещества состоят из атомов. Эти атомы можно заставить двигаться во круг своих точек равновесия по действием ультразвукового импульса.

На атомном уровне существует множество различных моделей колебательного движения, однако большинство из них не имеют отношения к акустике и ультразвуковым исследованиям.

Ультразвуковая акустика ориентирована на частицы, которые содержат много атомов, которые движутся в унисон, чтобы и образовать механическую волну. Именно эти волновые импульсы и используются в методах неразрушающего контроля.

Если материал не подвергается растяжению или сжатию за пределы своего предела упругости, то его отдельные частицы начинают  совершать упругие колебания. А частицы среды вытесняются из своих положений равновесия и возникает внутренние (электростатические) силы восстанавливающие материал.

Именно эти упругие восстанавливающие силы между частицами в сочетании с инерцией частиц приводят к колебательным движениям среды. Что мы и называем ультразвуком.

В твердых телах распространение ультразвуковых импульсов могут распространяться в четырех основных видах, основанных на способе колебаний частиц.

  • Звук может распространяться как продольные волны
  • Поперечные волны
  • Поверхностные волны,
  • В тонких материалах — как пластинчатые волны.

Продольные и поперечные волны являются двумя видами импульсов, наиболее широко используемыми при ультразвуковом контроле.

Движение частиц, ответственное за распространение продольных и поперечных волн, представлено ниже.

Распространение в среде

В продольных волнах колебания происходят в продольном направлении. Поскольку в этих волнах действуют силы сжатия и растяжения, их также называют волнами давления или сжатия.

Такое импульсы иногда называют импульсными-волнами плотности, потому что плотность частиц материала колеблется при движении. Такие  импульсные-волны сжатия могут генерироваться как в жидкости, так и в твердом теле, поскольку энергия проходит через атомную структуру в результате серии движений сжатия и расширения (разрежения).

Для эффективного распространения продольные волны требуют акустически твердого материала и следовательно, не распространяются эффективно в таких материалах, как жидкости или газы.

Поперечные импульсы-волны относительно слабы по сравнению с продольными волнами. Фактически, поперечные волны обычно генерируются в материалах, при этом используют часть энергии от продольных волн, что видно из картинки.

Поперечная волна, также движется и в продольном направлении. 

Виды ультразвуковых волн

В воздухе звук распространяется за счет сжатия и разрежения молекул воздуха в направлении движения. Однако в твердых телах молекулы могут поддерживать колебания в других направлениях, следовательно, возможен ряд различных типов ультразвуковых  волн. Волны могут проявляться в пространстве колебательными структурами, которые способны сохранять свою форму и распространяться стабильно. 

Как упоминалось ранее, продольные и поперечные (сдвиговые) волны чаще всего используются при ультразвуковом контроле. Однако на поверхностях различные типы эллиптических или сложных колебаний частиц создают другие виды волны. Некоторые из этих волновых структур, такие как волны Рэлея и волны Лэмба, также полезны для ультразвукового контроля.

В таблице ниже приведены многие, но не все, волновые виды, возможные в твердых телах.

Типы волн в твердых телах Частица участвующая в Вибрации
Продольная Параллельно направлению волны
Поперечная (сдвиг) Перпендикулярно направлению волны
Поверхностная волна — Рэлея Эллиптическая орбита — симметричный режим
Волна — Лэмба Компонент перпендикулярно поверхности (волна растяжения)

Продольные и поперечные волны обсуждались на предыдущей странице, поэтому давайте коснемся поверхностных и пластинчатых волн здесь.

Волны Рэлея

Поверхностные (или Рэлеевские) волны распространяются по поверхности относительно твердого материала, проникающего на глубину длины волны.

Волны Рэлея объединяют в себе продольное и поперечное движение для создания эллиптического движения по орбите, как показано на рисунке и анимации ниже. Большая ось эллипса перпендикулярна поверхности твердого тела.

По мере того как глубина отдельного атома от поверхности увеличивается, ширина его эллиптического движения уменьшается.

Поверхностные волны генерируются, когда продольная волна пересекает поверхность вблизи второго критического угла (дефекта), и они движутся со скоростью от 0,87 до 0,95 поперечной волны. 

Волны Рэлея полезны, потому что они очень чувствительны к поверхностным дефектам (и другим поверхностным элементам).

Волны Лэмба

Волны Лэмба являются наиболее часто используемыми пластинчатыми волнами в неразрушающем контроле. Волны Лэмба — это сложные колебательные волны, которые распространяются параллельно поверхности при испытании по всей толщине материала. Распространение волн Лэмба зависит от плотности и свойств упругости материала.

Они также сильно зависят от частоты импульсов и толщины материала. Волны Лэмба генерируются под углом падения, при котором параллельная составляющая скорости волны в источнике равна скорости волны в исследуемом материале.

Волны Лэмба в стали распространяются на несколько метров и поэтому очень полезны для сканирования стальных материалов, проволоки и труб.

С волнами Лэмба возможны несколько видов колебательных движений, но наиболее распространенными являются симметричные и асимметричные.

Волновое движение в симметричном режиме часто возникает, когда возбуждающий импульс идёт параллельно материалу. Асимметричная волна возникает когда импульс движется перпендикулярно материалу в детали и небольшое движение происходит в параллельном направлении.

Рекомендуем видео по теме:

, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник: https://nova78.ru/rasprostranenie-ultrazvukovyh-voln/

УЛЬТРАЗВУК

На ультразвуковой волне
статьи

УЛЬТРАЗВУК, упругие волны высокой частоты, которым посвящены специальные разделы науки и техники. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16 000 колебаний в секунду (Гц); колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости).

Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до нескольких миллиардов герц. Хотя о существовании ультразвука ученым было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно. Сейчас ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах.

По скорости распространения звука в среде судят о ее физических характеристиках.

Измерения скорости на ультразвуковых частотах производятся с очень большой точностью; вследствие этого с весьма малыми погрешностями определяются, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоемкости газов, упругие постоянные твердых тел.

Гидролокация

В конце Первой мировой войны появилась одна из первых практических ультразвуковых систем, предназначенная для обнаружения подводных лодок.

Пучок ультразвукового излучения может быть сделан остро направленным, и по отраженному от цели сигналу (эхо-сигналу) можно определить направление на эту цель. Измеряя время прохождения сигнала до цели и обратно, определяют расстояние до нее.

К настоящему времени система, именуемая гидролокатором, или сонаром, стала неотъемлемым средством мореплавания. См. также ГИДРОЛОКАТОР.

Если направить импульсное ультразвуковое излучение в сторону дна и измерить время между посылом импульса и его возвратом, можно определить расстояние между излучателем и приемником, т.е. глубину.

Основанные на этом сложные системы автоматической регистрации применяются для составления карт дна морей и океанов, а также русел рек.

Соответствующие навигационные системы атомных подводных лодок позволяют им совершать безопасные переходы даже под полярными льдами.

Дефектоскопия

Зондирование ультразвуковыми импульсами применяется и для исследований свойств различных материалов и изделий из них.

Проникая в твердые тела, такие импульсы отражаются от их границ, а также от различных инородных образований в толще исследуемой среды, таких, как полости, трещины и др., указывая на их расположение. Ультразвук «проверяет» материал, не вызывая в нем разрушений.

Такими неразрушающими методами контроля проверяют качество массивных стальных поковок, алюминиевых блоков, железнодорожных рельсов, сварных швов машин.

Ультразвуковой расходомер

Принцип действия такого прибора основан на эффекте Доплера. Импульсы ультразвука направляются попеременно по потоку и против него. При этом скорость прохождения сигнала то складывается из скорости распространения ультразвука в среде и скорости потока, то эти величины вычитаются.

Возникающая разность фаз импульсов в двух ветвях измерительной схемы регистрируется электронным оборудованием, и в итоге измеряется скорость потока, а по ней и массовая скорость (расход).

Этот измеритель не вносит изменений в поток жидкости и может применяться как к потоку в замкнутом контуре, например, для исследований кровотока в аорте или системы охлаждения атомного реактора, так и к открытому потоку, например реки.

Химическая технология

Вышеописанные методы относятся к категории маломощных, в которых физические характеристики среды не изменяются. Но существуют и методы, в которых на среду направляют ультразвук большой интенсивности.

При этом в жидкости развивается мощный кавитационный процесс (образование множества пузырьков, или каверн, которые при повышении давления схлопываются), вызывая существенные изменения физических и химических свойств среды (см. КАВИТАЦИЯ).

Многочисленные методы ультразвукового воздействия на химически активные вещества объединяются в научно-техническую отрасль знаний, называемую ультразвуковой химией. В ней исследуются и стимулируются такие процессы, как гидролиз, окисление, перестройка молекул, полимеризация, деполимеризация, ускорение реакций.

Ультразвуковая пайка

Кавитация, обусловленная мощными ультразвуковыми волнами в металлических расплавах и разрушающая окисную пленку алюминия, позволяет проводить его пайку оловянным припоем без флюса. Изделия из спаянных ультразвуком металлов стали обычными промышленными товарами.

Ультразвуковая механическая обработка

Энергия ультразвука успешно используется при машинной обработке деталей.

Наконечник из малоуглеродистой стали, выполненный в соответствии с формой поперечного сечения желаемого отверстия (или полости), крепится твердым припоем к концу усеченного металлического конуса, на который воздействует ультразвуковой генератор (при этом амплитуда вибраций составляет до 0,025 мм).

В зазор между стальным наконечником и обрабатываемой деталью подается жидкая суспензия абразива (карбида бора).

Поскольку в таком методе режущим элементом выступает абразив, а не стальной резец, он позволяет обрабатывать очень твердые и хрупкие материалы – стекло, керамику, алнико (Fe–Ni–Co–Al-сплав), карбид вольфрама, закаленную сталь; кроме того, ультразвуком можно обрабатывать отверстия и полости сложной формы, так как относительное движение детали и режущего инструмента может быть не только вращательным.

Ультразвуковая очистка

Важной технологической проблемой является очистка поверхности металла или стекла от мельчайших посторонних частиц, жировых пленок и других видов загрязнения. Там, где слишком трудоемка ручная очистка или необходима особая степень чистоты поверхности, применяется ультразвук.

В кавитирующую омывающую жидкость вводится мощное ультразвуковое излучение (создающее переменные ускорения с частотой до 106 Гц), и схлопывающиеся кавитационные пузырьки срывают с обрабатываемой поверхности нежелательные частицы.

В промышленности используется много различного ультразвукового оборудования для очистки поверхностей кварцевых кристаллов и оптического стекла, малых прецизионных шарикоподшипников, снятия заусенец с малогабаритных деталей; применяется оно и на конвейерных линиях.

Применение в биологии и медицине

То, что ультразвук активно воздействует на биологические объекты (например, убивает бактерии), известно уже более 70 лет. Ультразвуковые стерилизаторы хирургических инструментов применяются в больницах и клиниках.

Электронная аппаратура со сканирующим ультразвуковым лучом служит целям обнаружения опухолей в мозгу и постановки диагноза, используется в нейрохирургии для инактивации отдельных участков головного мозга мощным сфокусированным высокочастотным (порядка 1000 кГц) пучком.

Но наиболее широко ультразвук применяется в терапии – при лечении люмбаго, миалгии и контузий, хотя до сих пор среди медиков нет единого мнения о конкретном механизме воздействия ультразвука на больные органы.

Высокочастотные колебания вызывают внутренний разогрев тканей, сопровождаемый, возможно, микромассажем.

Генерация ультразвуковых волн

Ультразвук можно получить от механических, электромагнитных и тепловых источников. Механическими излучателями обычно служат разного рода сирены прерывистого действия.

В воздух они испускают колебания мощностью до нескольких киловатт на частотах до 40 кГц.

Ультразвуковые волны в жидкостях и твердых телах обычно возбуждают электроакустическими, магнитострикционными и пьезоэлектрическими преобразователями.

Магнитострикционные преобразователи

Эти устройства преобразуют энергию магнитного поля в механическую (звуковую или ультразвуковую) энергию. Их действие основано на магнитоупругом эффекте, т.е. на том, что некоторые металлы (железо, никель, кобальт) и их сплавы деформируются в магнитном поле.

Ярко выраженными магнитоупругими свойствами обладают и ферриты (материалы, спекаемые из смеси окиси железа с окислами никеля, меди, кобальта и других металлов). Если магнитоупругий стержень расположить вдоль переменного магнитного поля, то этот стержень станет попеременно сокращаться и удлиняться, т.е.

испытывать механические колебания с частотой переменного магнитного поля и амплитудой, пропорциональной его индукции. Вибрации преобразователя возбуждают в твердой или жидкой среде, с которой он соприкасается, волны ультразвука той же частоты.

Обычно такие преобразователи работают на собственной частоте механических колебаний, так как на ней наиболее эффективно преобразование энергии из одной формы в другую. Магнитострикционные преобразователи из тонкого листового металла работают лучше всего в низкочастотном ультразвуковом диапазоне (от 20 до 50 кГц), на частотах выше 100 кГц у них очень низкий КПД.

Пьезоэлектрические преобразователи

преобразуют электрическую энергию в энергию ультразвука. Действие их основано на обратном пьезоэлектрическом эффекте, проявляющемся в деформациях некоторых кристаллов под действием приложенного к ним электрического поля.

Этот эффект хорошо проявляется у природного или искусственно выращенного монокристалла кварца или сегнетовой соли, а также у некоторых керамических материалов (например, у титаната бария).

Переменное электрическое поле частоты желаемого ультразвука подается через напыленные металлические электроды, располагающиеся на противоположных гранях образца, вырезанного определенным образом из пьезоэлектрика. При этом возникают механические колебания, которые и распространяются в виде ультразвука в сопредельной жидкой или твердотельной среде.

Пьезоэлектрические преобразователи в виде тонких кристаллических пластинок могут излучать мощные ультразвуковые волны частотой до 1 МГц (в лабораторных условиях получены частоты до 1000 МГц). Длина ультразвуковой волны (обратно пропорциональная частоте) очень мала, поэтому из таких волн, как и из световых, можно формировать узконаправленные пучки.

Достоинство керамических пьезоэлектриков состоит в том, что из них можно отливать, прессовать или получать выдавливанием преобразователи разных размеров и форм. Такой преобразователь, выполненный в виде чаши сферического контура, способен сфокусировать ультразвуковое излучение в малое пятно очень большой интенсивности. Ультразвуковые линзы фокусируют звуковые волны так же, как лупы фокусируют свет.

Обнаружение и измерения на ультразвуке

Энергия акустического поля определяется в основном звуковым давлением и скоростью частиц среды, в которой звук распространяется. Обычно звуковое давление в газах (воздухе) и жидкостях (воде) имеет порядок 10-3–10-6 давления окружающей среды (равного 1 атм на уровне моря).

Давление ультразвуковой волны превосходит это значение в тысячи раз и легко обнаруживается с помощью микрофонов в воздухе и гидрофонов в воде. Разработаны специальные средства измерений для приема и получения количественных характеристик ультразвукового излучения, особенно на высоких частотах.

Поскольку волны сжатия и разрежения в газах и жидкостях меняют показатель преломления среды, для визуализации этих процессов созданы оптические методы. При отражении ультразвука в замкнутой системе образуется стоячая волна, воздействующая на излучатель.

В устройствах такого типа, называемых ультразвуковыми интерферометрами, длина волны в среде измеряется с очень большой точностью, что позволяет получать данные о физических характеристиках среды.

С помощью интенсивного ультразвукового пучка можно оценить и измерить давление ультразвукового излучения, аналогично тому, как это делается при измерении светового давления. Это давление связано с плотностью энергии ультразвукового поля и позволяет простейшим способом определить интенсивность распространяющейся ультразвуковой волны.

Источник: https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/ULTRAZVUK.html

Ультразвук: шаг в медицину

На ультразвуковой волне

Сегодня сложно представить медицинскую диагностику без такого метода, как ультразвуковое исследование. Появившись в середине прошлого века, УЗИ-сканеры произвели настоящую революцию в медицине. Ультразвуковая диагностика продолжает активно развиваться.

На смену обычной двухмерной картинке приходят новые технологии. Недавно первый отечественный УЗИ-сканер экспертного класса производства «Калугаприбор» концерна «Автоматика» представил холдинг «Швабе», отвечающий за маркетинговую стратегию и продажи этого оборудования.

О том, что такое ультразвук, как появились УЗИ-сканеры и о новейшей технологии 5D в ультразвуковом исследовании – в нашем материале.

На ультразвуковой волне

Многие помнят определение звука из школьного учебника по физике: «Звуковыми волнами или просто звуком принято называть волны, воспринимаемые человеческим ухом». Таким образом, диапазон звуковых волн лежит в пределах от 20 Гц до 20 кГц. Звуки именно такой частоты способен слышать человек. Волны с частотой менее 20 Гц называются инфразвуком, а с частотой выше 20 кГц – ультразвуком.

В то время как человеку инфразвук и ультразвук недоступны, многие живые существа вполне нормально общаются в этих частотах.

Например, слон различает звук частотой от 1 Гц, а в верхнем пределе слышимости лидируют дельфины – максимум слухового восприятия у них доходит до 150 кГц. Кстати, ультразвук вполне способны уловить собаки и кошки.

Собака может слышать звук до 70 кГц, а верхний порог звукового диапазона у кошек равен 30 Гц.

Если для некоторых животных ультразвук – обычный способ общения, то людям о наличии в природе «невидимых» звуковых волн лишь приходилось догадываться. Опыты в этой сфере проводил еще Леонардо да Винчи в XV веке. Но открыл ультразвук в 1794 году итальянец Ладзаро Спалланцани, доказав, что летучая мышь с заткнутыми ушами перестает ориентироваться в пространстве.

УЗИ: физические основы

В XIX веке ультразвук произвел настоящий бум в научной среде, стали проводиться первые научные опыты. Например, в 1822 году, погрузив в Женевское озеро подводный колокол, удалось вычислить скорость звука в воде, что предопределило рождение гидроакустики.

Ближе к концу века, в 1890 году, учеными Пьером и Жаком Кюри было открыто физическое явление, которое вошло в основу ультразвукового исследования. Братья Кюри обнаружили пьезоэлектрический эффект. Заключается он в том, что при механической деформации некоторых кристаллов между их поверхностями возникает электрическое напряжение.

Пьер Кюри и кварцевый пьезоэлектрометр

На основе таких пьезокерамических материалов и создается главный компонент любого УЗИ-оборудования – преобразователь, или датчик, ультразвука.

На пьезоэлементы подается ток, который преобразуется в механические колебания с излучением ультразвуковых волн.

Пучок ультразвуковых волн распространяется в тканях организма, часть его отражается и возвращается обратно к пьезоэлементу. Основываясь на времени прохождения волны, оценивается расстояние.

Ультразвук в медицине: от лечения артрита до диагностики

В медицине ультразвук вначале использовали как метод лечения артритов, язвенной болезни желудка, астмы. Было это в начале 30-х годов прошлого века.

Считалось, что ультразвук обладает противовоспалительным, анальгезирующим, спазмолитическим действием, также усиливает проницаемость кожи.

Кстати, сегодня на этом основан фонофорез – метод физиотерапии, когда вместо обычного геля для УЗИ наносится лечебное вещество, а ультразвук помогает препарату глубже проникать в ткани.

Но свое основное применение в области медицины ультразвук нашел как метод диагностики. Основателем УЗИ-диагностики считается австрийский невролог, психиатр Дьюссик. В 1947 году он рассмотрел опухоль мозга, учитывая интенсивность, с которой ультразвуковая волна проходила сквозь череп пациента.

Настоящий прорыв в развитии ультразвуковой диагностики произошел в 1949 году, когда в США был создан первый аппарат для медицинского сканирования. Это устройство мало чем напоминало современные УЗИ-сканеры.

Оно представляло собой резервуар с жидкостью, в которую помещался пациент, вынужденный долгое время сидеть неподвижно, пока вокруг него передвигался сканер брюшной полости – сомаскоп. Но начало было положено.

УЗИ-сканеры совершенствовались очень стремительно, и к середине 60-х годов они стали приобретать привычный вид с мануальными датчиками.

Благодаря развитию микропроцессорной технологии в течение 1980-1990-х годов качество УЗИ намного улучшилось.

В это время ультразвуковую диагностику стали активно применять в различных областях медицины, оценив ее безвредность по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в сравнении с магнитно-резонансной томографией.

Особо широкое применение ультразвук нашел в акушерстве и гинекологии. Уже в конце 1990-х годов во многих странах УЗИ стало стандартным исследованием, с помощью которого определяли срок беременности, выявляли пороки развития плода.

Взгляд изнутри: современные технологии в УЗИ

Сегодня отечественное здравоохранение закупает у зарубежных поставщиков порядка 3 тысяч УЗИ-сканеров в год. Дело в том, что до последнего времени такие устройства не выпускались серийно в России.

Эксперименты по применению ультразвука проводились и у нас в стране. В 1954 году в институте акустики Академии наук СССР даже появилось специализированное отделение, а в 1960-е годы был налажен выпуск отечественных УЗИ-сканеров. Но все они так и остались в статусе экспериментальных, не получили массового применения на практике, а к 1990-м годам и вовсе были замещены импортными аналогами.

В прошлом году Ростех в рамках программы импортозамещения наладил серийное производство российских УЗИ-сканеров – «РуСкан 50» и «РуСкан 60» на мощностях «Калугаприбор», входящего в концерн «Автоматика».

Они относятся к среднему и высокому классу, в них применяются новейшие технологии, такие как 3D/4D-изображение, а также эластография, то есть УЗИ с применением дополнительного фактора – давления, помогающего по характеру сокращения тканей определять патологические изменения.

Методы ультразвуковой диагностики продолжают активно развиваться. В этом году к производственной линейке Ростех добавил аппараты экспертного класса. Госкорпорация представила новинку на форуме БИОТЕХМЕД – «РуСкан 65М» в рамках экспозиции холдинга «Швабе», который реализует маркетинговую стратегию и осуществляет продажи изделия. Это первый отечественный УЗИ-сканер экспертного класса.

Что означает определение «экспертный» в классификации УЗИ-сканеров? Основной критерий – это разрешающая способность. Здесь используются высокоплотные датчики, способные различать мельчайшие детали структур.

Как упоминалось выше, каждый преобразователь имеет определенный набор пьезоэлементов. В аппаратах недорогого класса плотность этих элементов невысока.

Чем больше плотность, тем более точной и достоверной будет диагностика.

Второй, не менее важный критерий – какой набор программ заложен в данном оборудовании. Для того чтобы обеспечивать высокий уровень исследования, как правило, применяют очень дорогие пакеты программного обеспечения. Это позволяет визуализировать наиболее тонкие детали, изменения структур органов, сосудов и тканей. Кстати, в «РуСкан 65М» программное обеспечение – российского производства.

В новом изделии не только улучшено качество получаемого изображения, но и внедрены автоматизированные методы его обработки и анализа.

Так, визуальную оценку плода осуществляет программа реконструкции полупрозрачного 3D УЗИ Crystal Vue, которая за счет усиления визуализации одновременно наружных и внутренних структур в одном реконструированном трехмерном изображении позволяет увеличить информативность и диагностическую достоверность исследования за счет повышения контрастности и подсветки внутренних структур дополняет объемное изображение морфологической информацией об объекте исследования, повышая точность диагностики. Среди других технологий новинки – программа автоматического анализа образований молочной железы S-Detect Breast. Еще одна функция изделия – фантастическая 5D Heart Color, которая реконструирует девять проекций сердца плода с одновременным отображением кровотока. Полученные данные позволяют наиболее детально оценить сердце на предмет врожденных патологий.

Таким образом, в течение нескольких десятилетий применение УЗИ в медицине претерпело огромные изменения, особенно в акушерстве: от простого измерения размеров плода до детальной оценки его кровотока и внутренних органов. То, что было технически невозможно еще совсем недавно, сегодня превращается в привычную составляющую рутинного ультразвукового исследования.

Источник: https://rostec.ru/news/ultrazvuk-shag-v-meditsinu/

Без колебания о колебаниях

На ультразвуковой волне

18 Марта 2018

Автор статьи инженер-технолог компании “Диполь”, к.х.н. Татьяна Кузнецова

Использование ультразвука в процессе отмывки

Успех выполнения процесса отмывки в электронике зависит от огромного количества составляющих. И немалый вклад в положительный результат вносит оборудование. Причиной этого является наличие в оборудовании агитации — воздействия, которое ускоряет и увеличивает эффективность операции отмывки.

Основным видом агитации при отмывке погружением считается ультразвук. Очень часто в своей практике я вижу принципиально разные отношения к ультразвуку: одни специалисты считают, что ультразвук моет все и это самый лучший вид агитации, другие уверены, что ультразвук портит все и использовать его категорически нельзя.

Но, как обычно, истина где-то посередине, и тому, где именно ее искать, и посвящена эта статья.

Ну и начнем мы с обсуждения того, что же такое ультразвук

Ультразвук — звуковые волны, имеющие частоту выше воспринимаемых человеческим ухом, обычно, под ультразвуком понимают частоты выше 20 кГц. По физической природе ультразвукпредставляет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука, поэтому частотная граница между звуковыми и УЗ-волнами условна.

Главное, что нам надо понять, что ультразвуковые колебания перемещаются в виде волны и, по сути, к ним применимы все те законы, что мы с Вами учили в курсе оптики.

Но в отличие от световых волн ультразвук распространяется в упругой среде (это в первую очередь жидкости и твердые тела) в вакууме ультразвук не распространяется (так как по сути передача ультразвука – это смещение частиц вещества под действием УЗ излучения и так как в вакууме вещества нет, а в газах его очень мало, то условно считаем, что там ультразвук не распространяется). Колебания, вызываемые источником ультразвука, вызывают смещение среды в направлении перпендикулярном движению волны (рис.1).

Если наполнить ультразвуковую ванночку чистой водой и включить ультразвук мы можем визуально увидеть круги, расходящиеся по воде (рис. 2).

Рис. 1. Смещение среды вследствие колебаний, вызываемых источником ультразвука

Рис. 2. Воздействие ультразвука на воду в ультразвуковой ванночке

В однородной среде ультразвук распространяется прямолинейно и равномерно; на границе двух сред он будет отражаться, преломляться и рассеиваться; а также будет затухать на определенной длине от источника и поглощаться средой, превращаясь в тепло.

Также, колебания ультразвука могут вызывать резонанс, что является причиной повреждения кварцевых генераторов, частота которых близка к частоте колебаний ультразвука (а именно часовых кварцев с частотой 32,768 кГц).

Тут же сразу хочется оговорится, что частота используемого в целях отмывки ультразвука лежит в области 25-45 кГц и никак не может вступать в резонанс с мегагерцовыми колебаниями, а все остальные резонаторы, за исключением часовых кварцев, работают именно в Мегагерцовом диапазоне). Т.е.

те резонаторы, чья частота далека от 25-45 кГц никак не повреждаются ультразвуком, если конечно их корпус выдерживает отмывку (рис. 3).

Рис. 3. Воздействие ультразвука на резонаторы: а) мегагерцевый резонатор не повреждается ультразвуком; б) часовые кварцы могут повреждаться при использовании частоты ультразвука 35 кГц, но не будут повреждаться при 40 или 25 кГц

Встретив препятствие, ультразвук либо обогнет его (если размеры препятствия существенно меньше длины волны), либо отразится от препятствия (если размеры сопоставимы или больше длины волны). Для частоты 35 кГц длина волны УЗ волн в воде будет порядка 4.

2 см (вычислено по формуле λ=с/f, при помощи данных о скорости УЗ в воде – 1480 м/с, взятых из [3]).Таким образом,от крупных компонентов, лежащих на дне ванне изделий и т.п., ультразвук будет отражаться, а вот мелкие загрязнения в растворе, и мелкие компоненты для волны препятствием являться не будут, т.е.

очистка будет происходить и под ними.

Также из вышенаписанного следует, что для обеспечения прохождения волны, изделия в ультразвуковую ванну следует помещать вертикально, причем категорически нельзя использовать корзины, дно которых закрыто, толщина сетки которых больше 5мм, а также нельзя класть платы параллельно излучателю (все это относится к большинству оборудования, у которого излучатели располагаются на дне ванны либо сам корпус является резонатором). Возможно, если класть изделия навалом на дно, то их помещается больше, возможно высота ванночки меньше высоты платы, но все это не отменяет того, что Вы таким образом вместо отмывки просто портите свою ванну (рис. 4).

Рис. 4. Помещение изделий в ультразвуковую ванну: а) правильно; б) неправильно

В продолжение разговора о корзинах, надо добавить, что “правильная” корзина никогда не стоит на дне ванны, она стоит на ножках на высоте 15-30 мм над дном, причем так, чтобы ножки не попадали на излучатели. Нахождение посторонних предметов на излучателях вызывает избыточный шум, неправильную работу и в конечном итоге порчу излучателей.

Так что же происходит в УЗ ванне?Если говорить простыми словами, то под действием ультразвука частички жидкости двигаются вправо-влево, образуя разрывы, в которых пустота (вакуум), а также пары жидкости и области, где этот разрыв схлопывается с достаточно большой силой. Т. е.

по ходу движения волны в первой фазе, фазе разрыва, жидкость расходится, а во второй фазе при схлопывании возникает локальное повышение давления и температуры. Такое явление называется “кавитация”.

Кавитационные пузырьки возникают преимущественно в граничных поверхностях между жидкостью и очищаемыми изделиями, так как дефекты поверхности и загрязнения в растворе способствуют разрыву жидкости.

И собственно то механическое очищающее действие, которое оказывает ультразвук, осуществляется по большей части за счет этого явления, которое является механическим воздействием на очищаемое изделие. Надо понимать, что такое явление выражено тем сильнее, чем меньше частота (количество колебаний в единицу времени), так как размер пузырька с уменьшением длины волны и увеличением частоты будет сильно падать (он примерно равен 1/6πλ3 и значит, при уменьшении длины волны в 2 раза уменьшится в 8 раз).

Рис. 5. Фазы разрыва и схлопывания жидкости

Описанное явление кавитации происходит только при определенной мощности, которая зависит от частоты ультразвука и применяемой жидкости. Для воды в низкочастотном диапазоне при атмосферном давлении – это 300-1000 Вт/л. Сравнивая эти цифры, с цифрами из таблицы 1, можно сделать вывод, что при отмывке электроники кавитации не происходит.

А что же еще нам дает эффективную отмывку?Как было отмечено выше – скорость ультразвука в воде 1480 м/с (1,5 км в секунду!!!) и если на пути его встречается препятствие, то при его огибании возникают акустические течения. Природа акустических течений объясняется законом сохранения импульса.

Звуковая волна, проходящая через среду, несёт в себе импульс, который постепенно передаётся частицам среды, вызывая их упорядоченное движение. Такие течения способны «отколотить» препятствие, если оно плохо держится на поверхности и ускорить процесс растворения растворимых загрязнений на поверхности.

Также свой вклад вносит звуковое давление, создающее периодические импульсы на границе отмывочной среды и препятствия.

Таблица 1

Объем бака, л Мощность ультразвука Вт/л
Магнитострикционный преобразователь Пьезоэлектрический преобразователь
19 66-76 33-38
38 53-68 26,5-29
95 и выше 21-32 10,5-16

Рекомендуемые для очистки электроники частоты лежат в диапазоне 30-45 кГц (больше не эффективно, меньше слишком разрушительно).

Стоит также отметить, что не желательно включать ультразвук совместно с барботажем, потому что иначе у нас вместо областей вакуума, будут области с воздухом, на сжатие которого будет тратится наша механическая энергия.

Никакой нормальной очистки при этом происходить не будет, а вот перегрев жидкости гарантирован.

Очень часто в рекламе оборудования мы можем увидеть, что воздух в жидкости мешает работать ультразвуку, поэтому «покупайте у нас оборудование с функции дегазации». Гнаться за кнопкой Degas не надо,дегазация выполнится сама собой, если мы просто включим ванночку с ультразвуком минут на 10-20 до начала работы.

В стандарте IPC-СН-65 написано, что наибольшая эффективность ультразвука достигается в водных растворах и при температурах от 40 до 75 градусов. Но объяснения почему именно так, нет, хотя, на мой взгляд, это объяснение примитивно просто. Если вновь мы обратимся к рис.

5 и вспомним, что ультразвук вызывает колебания жидкости и в результате этих колебаний происходит образование и схлопывание полостей, то нам станет понятно, что наиболее легко раздвигаться и схлопываться будут наиболее плотные и наименее вязкие жидкости.

А если обратится к справочникам, то можно увидеть, что наиболее плотной и наименее вязкой средой является вода и водные растворы. Для того, чтобы понять почему рекомендуют использовать ультразвук при температурах выше 45 мы посмотрим на рис 6. Как мы видим, после температуры 40 градусов, вязкость всех показанных на рисунке веществ падает и становится меньше 1.

5 мПа/с, т. е. все растворители при такой температуре становятся маловязкими, а плотность их все еще достаточно велика. (Например для воды плотность при 20°С – 999,2 кг/м3, а при 50°С – 988 кг/м3).

Рис. 6. Зависимость вязкости веществ от температуры

Также коротко остановимся на мощности ультразвуковой ванны.

Обратим внимание, что для разных объемов и разных генераторов мы видим разные цифры удельной мощности (таблица 1), причем видно, что тем больше объем ванны, тем меньше значение мощности в Вт/л, рекомендуемой для отмывки. Это связано с тем, что не вся энергия уходит на создание колебаний в жидкости, и чем больше ванна тем выше КПД передачи мощности в жидкость.

После того, как небольшой экскурс в физику явления мы сделали, надо бы ответить на вопрос: а что же мы реально можно повредить ультразвуком и как это проверить?

Следует сразу обозначить ряд элементов, которые могут быть повреждены при отмывке ультразвуком:

  • реле за счет «залипания» контактов;
  • предохранители в стеклянном корпусе;
  • часовые кварцы, при использовании частоты 35 кГц;
  • «советские» микросхемы в металлическом корпусе.

Что касается последних, то именно из-за них бытует мнение, что никакие микросхемы нельзя мыть в ультразвуке, но это совсем не соответствует действительности.

Лет 40 назад «в те далекие времена, когда компьютеры были большими, а программы меленькими», микросхемы делались так: на подложку помещался кристалл, разваривали его золотыми проводками к «ногам» микросхемы и одевали металлический кожух.(рис.

7) Именно эти микросхемы боялись и продолжают бояться ультразвука, потому что вибрации ультразвука, передаваясь на корпус микросхемы повреждают эти самые тонкие золотые разварки, действуя на них, подобно пальцам гитариста на струны гитары.

Рис. 7. Разварка кристалла
Но с тех пор изменился не только размер компьютеров и программ для них, изменился и подход к корпусированию. Теперь большиснство схем, особенно импортного производства,заливается компаундом, делающим разварки неподвижными, а во многих микросхемах исчезли и разварки как таковые.

Поэтому прежде чем начать бояться мыть микросхему в ультразвуке есть смысл внимательно посмотреть на нее и на ее даташит, в котором как правило есть раздел Cleaning – очень рекомендую читать этот раздел заранее, в нем бывает много неприятных неожиданностей, связанных отнюдь не только с ультразвуком.

Если же у Вас остались сомнения, то в стандарте IPC-TM-650 тест 2.6.9.2.

описана следующая процедура проверки: налить в УЗ ванну, работающую на частоте примерно 40 кГц и с мощностью УЗ как в таблице 1 деионизованную воду (причина использования воды, как тестовой жидкости уже обсуждалась выше), нагреть до 60°С, включить ультразвук на примерно 15 минут для дегазации жидкости, после чегов корзину положить статистически достоверное количество каждого типа микросхем, устойчивость которых к ультразвуку мы хотим проверить (не забываем, что один и два статистически достоверным количеством не является) и включить ультразвук.Время воздействия ультразвука выбирается как предполагаемое время воздействия в процессе отмывки х10 (т.е. если мы полагаем что время отмывки будет 5 минут, мы помещаем микросхемы в ванну с УЗ на 50 минут.

По окончании теста вынимаем микросхемы, сушим, осматриваем на предмет визуальных повреждений и проводим функциональный тест. По результатам этого теста и принимается решение о «мыть или не мыть».

Источник: https://www.dipaul.ru/pressroom/bez_kolebaniya_o_kolebaniyakh/

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.