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.

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 применяется при производстве интегральных микросхем.

Российская энциклопедия по охране труда

Упругие волны с частотами прибл. от (1,5 2) 104Гц (15 20 кГц) до 109 Гц (1 ГГц); область частот У. от 109 до 1012 1013 Гц принято наз. гиперзвуком. Область частот У. удобно подразделять на три диапазона: У. низких частот (1,5 104 105 Гц), У.… … Физическая энциклопедия

УЛЬТРАЗВУК, не слышимые человеческим ухом упругие волны, частоты которых превышают 20 кГц. Ультразвук содержится в шуме ветра и моря, издается и воспринимается рядом животных (летучие мыши, дельфины, рыбы, насекомые и др.), присутствует в шуме… … Современная энциклопедия

Не слышимые человеческим ухом упругие волны, частоты которых превышают 20 кГц. Ультразвук содержится в шуме ветра и моря, издается и воспринимается рядом животных (летучие мыши, рыбы, насекомые и др.), присутствует в шуме машин. Применяется в… … Большой Энциклопедический словарь

Упругие волны с частотой колебаний от 20 кГц до 1 ГГц. Важнейшие области применения ультразвука гидролокация, звукоподводная связь, навигация, самонаведение оружия, глубоководные исследования и т. д. EdwART. Толковый Военно морской Словарь, 2010 … Морской словарь

Ультразвук - упругие колебания и волны с частотами выше диапазона слышимости человека...

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 колебательное движение, 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 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 интенсивности звука 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 аппарат. Ультразвук 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.

Если какое-либо тело колеблется в упругой среде быстрее, чем среда успевает обтекать его, оно своим движением то сжимает, то разрежает среду. Слои повышенного и пониженного давления разбегаются от колеблющегося тела во все стороны и образуют звуковые волны. Если колебания тела, создающего волну следуют друг за другом не реже, чем 16 раз в секунду не чаще, чем 18 тысяч раз в секунду, то человеческое ухо слышит их.

Частоты 16 - 18000 Гц, которые способен воспринимать слуховой аппарат человека принято называть звуковыми, например писк комара »10 кГц. Но воздух, глубины морей и земные недра наполнены звуками, лежащими ниже и выше этого диапазона - инфра и ультразвуками. 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. Существование неслышимых звуков было обнаружено с развитием акустики в конце XIX века. Тогда же начались первые исследования ультразвука, но основы его применения были заложены только в первой трети XX-века.

Нижней границей ультразвукового диапазона называют упругие колебания частотой от 18 кГц. Верхняя граница ультразвука определяется природой упругих волн, которые могут распространяться только при том условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул (в газах) или межатомных расстояний (в жидкостях и газах). В газах верхний предел составляет »106 кГц, в жидкостях и твёрдых телах »1010 кГц. Как правило, ультразвуком называют частоты до 106 кГц. Более высокие частоты принято называть гиперзвуком.

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:

• 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.)
• 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.
• Ультразвук неслышим и не создаёт дискомфорта обслуживающему персоналу.

История ультразвука. Кто открыл ультразвук.

Внимание к акустике было вызвано потребностями морского флота ведущих держав - Англии и Франции, т.к. акустический - единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. Эксперимент Колладона считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась Колладоном на расстоянии 10 миль. Он также слышал звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, Колладон вычислил скорость звука - 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.

В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт корабля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола (как, впрочем, и подрыв в воде пороховых патронов), 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.

Получение ультразвука.

Излучатели ультразвука можно разделить на две большие группы:

1) Колебания возбуждаются препятствиями на пути струи газа или жидкости, или прерыванием струи газа или жидкости. Используются ограниченно, в основном для получения мощного УЗ в газовой среде.

2) Колебания возбуждаются преобразованием в механические колебаний тока или напряжения. В большинстве ультразвуковых устройств используются излучатели этой группы: пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи.

Кроме преобразователей, основанных на пьезоэффекте, для получения мощного ультразвукового пучка используются магнитострикционные преобразователи. Магнитострикция - это изменение размеров тел при изменении их магнитного состояния. Сердечник из магнитострикционного материала, помещённый в проводящую обмотку меняет свою длину в соответствии с формой токового сигнала, проходящего по обмотке. Данное явление, открытое в 1842 г. Джеймсом Джоулем, свойственно ферромагнетикам и ферритам. Наиболее употребительные магнитострикционные материалы это сплавы на основе никеля, кобальта, железа и алюминия. Наибольшей интенсивности ультразвукового излучения позволяет достичь сплав пермендюр (49%Co, 2%V, остальное Fe), который используется в мощных УЗ излучателях. В частности в, выпускаемых нашим предприятием.

Применение ультразвука.

Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:

• получение информации о веществе
• воздействие на вещество
• обработка и передача сигналов

Зависимость скорости распространения и затухания акустических волн от свойств вещества и процессов в них происходящих, используется в таких исследованиях:

• изучение молекулярных процессов в газах, жидкостях и полимерах
• изучение строения кристаллов и других твёрдых тел
• контроль протекания химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и др.
• определение концентрации растворов
• определение прочностных характеристик и состава материалов
• определение наличия примесей
• определение скорости течения жидкости и газа

Информацию о молекулярной структуре вещества даёт измерение скорости и коэффициента поглощения звука в нём. Это позволяет измерять концентрацию растворов и взвесей в пульпах и жидкостях, контролировать ход экстрагирования, полимеризации, старения, кинетику химических реакций. Точность определения состава веществ и наличия примесей ультразвуком очень высока и составляет доли процента.

Измерение скорости звука в твёрдых телах позволяет определять упругие и прочностные характеристики конструкционных материалов . Такой косвенный метод определения прочности удобен простотой и возможностью использования в реальных условиях.

Ультразвуковые газоанализаторы осуществляют слежение за процессами накопления опасных примесей. Зависимость скорости УЗ от температуры используется для бесконтактной термометрии газов и жидкостей.

На измерении скорости звука в движущихся жидкостях и газах, в том числе неоднородных (эмульсии, суспензии, пульпы), основаны ультразвуковые расходомеры, работающие на эффекте Допплера. Аналогичная аппаратура используется для определения скорости и расхода потока крови в клинических исследованиях.

Большая группа методов измерения основана на отражении и рассеянии волн ультразвука на границах между средами. Эти методы позволяют точно определять местонахождение инородных для среды тел и используются в таких сферах как:

• гидролокация
• неразрушающий контроль и дефектоскопия
• медицинская диагностика
• определения уровней жидкостей и сыпучих тел в закрытых ёмкостях
• определения размеров изделий
• визуализация звуковых полей - звуковидение и акустическая голография

Отражение, преломление и возможность фокусировки ультразвука используется в ультразвуковой дефектоскопии, в ультразвуковых акустических микроскопах, в медицинской диагностике, для изучения макронеоднородностей вещества. Наличие неоднородностей и их координаты определяются по отражённым сигналам или по структуре тени.

Методы измерения, основанные на зависимости параметров резонансной колебательной системы от свойств нагружающей его среды (импеданс), применяются для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкостей, для измерения толщины деталей, доступ к которым возможен только с одной стороны. Этот же принцип лежит в основе УЗ твердомеров, уровнемеров, сигнализаторов уровня. Преимущества УЗ методов контроля: малое время измерений, возможность контроля взрывоопасных, агрессивных и токсичных сред, отсутствие воздействия инструмента на контролируемую среду и процессы.

Воздействие ультразвука на вещество.

Воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, широко используется в промышленности. При этом механизмы воздействия ультразвука различны для разных сред . В газах основным действующим фактором являются акустические течения, ускоряющие процессы тепломассообмена. Причём эффективность УЗ перемешивания значительно выше обычного гидродинамического, т.к. пограничный слой имеет меньшую толщину и как следствие, больший градиент температуры или концентрации. Этот эффект используется в таких процессах, как:

• ультразвуковая сушка
• горение в ультразвуковом поле
• коагуляция аэрозолей

В ультразвуковой обработке жидкостей основным действующим фактором является кавитация . На эффекте кавитации основаны следующие технологические процессы:

• ультразвуковая очистка
• металлизация и пайка
• звукокапиллярный эффект - проникновение жидкостей в мельчайшие поры и трещины. Применяется для пропитки пористых материалов и имеет место при любой ультразвуковой обработке твёрдых тел в жидкостях.
• кристаллизация
• интенсификация электрохимических процессов
• получение аэрозолей
• уничтожения микроорганизмов и ультразвуковая стерилизация инструментов

Акустические течения - один из основных механизмов воздействия ультразвука на вещество. Он обусловлен поглощением ультразвуковой энергии в веществе и в пограничном слое. Акустические потоки отличаются от гидродинамических малой толщиной пограничного слоя и возможностью его утонения с увеличением частоты колебаний. Это приводит к уменьшению толщины температурного или концентрационного погранслоя и увеличению градиентов температуры или концентрации, определяющих скорость переноса тепла или массы. Это способствует ускорению процессов горения, сушки, перемешивания, перегонки, диффузии, экстракции, пропитки, сорбции, кристаллизации, растворения, дегазации жидкостей и расплавов. В потоке с высокой энергией влияние акустической волны осуществляется за счёт энергии самого потока, путём изменения его турбулентности. В этом случае акустическая энергия может составлять всего доли процентов от энергии потока.

При прохождении через жидкость звуковой волны большой интенсивности, возникает так называемая акустическая кавитация . В интенсивной звуковой волне во время полупериодов разрежения возникают кавитационные пузырьки, которые резко схлопываются при переходе в область повышенного давления. В кавитационной области возникают мощные гидродинамические возмущения в виде микроударных волн и микропотоков. Кроме того, схлопывание пузырьков сопровождается сильным локальным разогревом вещества и выделением газа. Такое воздействие приводит к разрушению даже таких прочных веществ, как сталь и кварц. Этот эффект используется для диспергировании твёрдых тел, получения мелкодисперсных эмульсий несмешивающихся жидкостей, возбуждения и ускорения химических реакций, уничтожения микроорганизмов, экстрагирования из животных и растительных клеток ферментов. Кавитация определяет также такие эффекты как слабое свечение жидкости под действием ультразвука - звуколюминесценция , и аномально глубокое проникновение жидкости в капилляры - звукокапиллярный эффект .

Кавитационное диспергирование кристаллов карбоната кальция (накипи) лежит в основе акустических противонакипных устройств. Под воздействием ультразвука происходит раскалывание частиц, находящихся в воде, их средние размеры уменьшаются с 10 до 1 микрона, увеличивается их количество и общая площадь поверхности частиц. Это приводит к переносу процесса образования накипи с теплообменной поверхности в непосредственно в жидкость. Ультразвук так же воздействует и на сформированный слой накипи, образуя в нем микротрещины способствующие откалыванию кусочков накипи с теплообменной поверхности.

В установках по ультразвуковой очистке с помощью кавитации и порождаемых ею микропотоков удаляют загрязнения как жёстко связанные с поверхностью, типа окалины, накипи, заусенцев, так и мягкие загрязнения типа жирных плёнок, грязи и т.п. Этот же эффект используется для интенсификации электролитических процессов.

Под действием ультразвука возникает такой любопытный эффект, как акустическая коагуляция, т.е. сближение и укрупнение взвешенных частиц в жидкости и газе. Физический механизм этого явления ещё не окончательно ясен. Акустическая коагуляция применяется для осаждения промышленных пылей, дымов и туманов при низких для ультразвука частотах до 20 кГц. Возможно, что благотворное действие звона церковных колоколов основано на этом эффекте.

Механическая обработка твёрдых тел с применением ультразвука основана на следующих эффектах:

• уменьшение трения между поверхностями при УЗ колебаниях одной из них
• снижение предела текучести или пластическая деформация под действием УЗ
• упрочнение и снижение остаточных напряжений в металлах под ударным воздействием инструмента с УЗ частотой
• Комбинированное воздействие статического сжатия и ультразвуковых колебаний используется в ультразвуковой сварке

Различают четыре вида мехобработки с помощью ультразвука:

• размерная обработка деталей из твёрдых и хрупких материалов
• резание труднообрабатываемых материалов с наложением УЗ на режущий инструмент
• снятие заусенцев в ультразвуковой ванне
• шлифование вязких материалов с ультразвуковой очисткой шлифовального круга

Действия ультразвука на биологические объекты вызывает разнообразные эффекты и реакции в тканях организма, что широко используется в ультразвуковой терапии и хирургии. Ультразвук является катализатором, ускоряющим установление равновесного, с точки зрения физиологии состояния организма, т.е. здорового состояния. УЗ оказывает на больные ткани значительно большее влияние, чем на здоровые. Также используется ультразвуковое распыление лекарственных средств при ингаляциях. Ультразвуковая хирургия основана на следующих эффектах: разрушение тканей собственно сфокусированным ультразвуком и наложение ультразвуковых колебаний на режущий хирургический инструмент.

Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электронных сигналов и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. Малая скорость ультразвука используется в линиях задержки. Управление оптическими сигналами основывается на дифракции света на ультразвуке. Один из видов такой дифракции - т.н.брегговская дифракция зависит от длины волны ультразвука, что позволяет выделить из широкого спектра светового излучения узкий частотный интервал, т.е. осуществлять фильтрацию света.

Ультразвук чрезвычайно интересная вещь и можно предположить, что многие возможности его практического применения до сих пор не известны человечеству. Мы любим и знаем ультразвук и будем рады обсудить любые идеи, связанные его применением.

Где применяется ультразвук - сводная таблица

Наше предприятие, ООО «Кольцо-энерго», занимается производством и монтажом акустических противонакипных устройств «Акустик-Т». Устройства, выпускаемые нашим предприятием, отличаются исключительно высоким уровнем ультразвукового сигнала, что позволяет им работать на котлах без водоподготовки и пароводяных бойлерах с артезианской водой. Но предотвращение накипи - очень малая часть того, что может ультразвук. У этого удивительного природного инструмента огромные возможности и мы хотим рассказать вам о них. Сотрудники нашей компании много лет работали в ведущих российских предприятиях, занимающихся акустикой. Мы знаем об ультразвуке очень много. И если вдруг возникнет необходимость применить ультразвук в вашей технологии,

Рис. 2. Акустическое течение, возникающее при распространении ультразвука частотой 5 Мгц в бензоле.

К числу важных нелинейных явлений, возникающих при распространении интенсивного Ультразвук в, относится акустическая - рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в до размеров в доли мм, которые начинают пульсировать с частотой Ультразвук и захлопываются в положительной фазе. При захлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысяч атмосфер, образуются сферические ударные волны. Возле пульсирующих пузырьков образуются акустические микропотоки. Явления в кавитационном поле приводят к ряду как полезных (получение, очистка загрязнённых деталей и др.), так и вредных (эрозия излучателей Ультразвук) явлений. Частоты Ультразвук, при которых используется ультразвуковая в технологических целях, лежат в области УНЧ. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости, частоты звука, температуры и др. факторов. В воде на частоте 20 кгц она составляет около 0,3 вт/см 2 . На частотах УСЧ в ультразвуковом поле с интенсивностью от нескольких вт/см 2 может возникнуть фонтанирование жидкости (рис. 3 ) и распыление её с весьма мелкодисперсного тумана.

Рис. 3. Фонтан жидкости, образующийся при падении ультразвукового пучка изнутри жидкости на её поверхность (частота ультразвука 1,5 Мгц, интенсивность 15 вт/см 2).

Генерация ультразвука . Для генерирования ультразвуковых применяют разнообразные устройства, которые могут быть разбиты на 2 основные группы - механические, в которых Ультразвук является механическая потока газа или, и электромеханические, в которых ультразвуковая энергия получается электрической. Механические излучатели Ультразвук- воздушные и жидкостные и - отличаются сравнительной простотой устройства и, не требуют дорогостоящей электрической энергии высокой частоты, кпд их составляет 10-20%. Основной недостаток всех механических ультразвуковых излучателей - сравнительно широкий спектр излучаемых частот и нестабильность частоты и, что не позволяет их использовать для контрольно-измерительных целей; они применяются главным образом в промышленной ультразвуковой и частично - как средства.

Рис. 4. Излучение (приём) продольных волн L пластинкой, колеблющейся по толщине в твердое тело: 1 - кварцевая пластинка среза Х толщиной l /2, где l - длина волны в кварце; 2 - металлические электроды; 3 - жидкость (трансформаторное масло) для осуществления акустического контакта; 4 - генератор электрических колебаний; 5 - твёрдое тело.

Приём и обнаружение ультразвука. Вследствие обратимости пьезоэффекта он широко применяется и для приёма Ультразвук Изучение ультразвукового поля может производиться и оптическими методами: Ультразвук, распространяясь в какой-либо среде, вызывает изменение её оптического показателя преломления, благодаря чему его можно визуализировать, если среда прозрачна для света. Смежная область и оптики (акустооптика) получила большое развитие, в после появления газовых лазеров непрерывного действия; развились исследования по света на Ультразвук и её различным применениям.

Применения ультразвука. Применения Ультразвук чрезвычайно разнообразны. Ультразвук служит мощным методом исследования различных явлений во многих областях физики. Так, например, ультразвуковые методы применяются в физике твёрдого тела и физике; возникла целая новая область физики - акусто-электроника, на основе достижений которой разрабатываются различные приборы для обработки сигнальной информации в. Ультразвук играет большую роль в изучении. Наряду с методами молекулярной акустики для и газов, в области изучения твёрдых тел с и поглощения a используются для определения модулей и диссипативных характеристик вещества. Получила развитие квантовая, изучающая взаимодействие квантов упругих возмущений - - с, и др. и элементарными в твёрдых телах. Ультразвук широко применяется в технике, а также ультразвуковые методы всё больше проникают в и.

Применение Ультразвук в технике.По данным с и a , во многих технических задачах осуществляется за протеканием того или иного процесса (контроль смеси газов, состава различных и т.д.). Используя Ультразвук на границе различных сред, конструируют ультразвуковые приборы для измерения размеров изделий (например, ультразвуковые толщиномеры), для определения уровня жидкости в больших, недоступных для прямого измерения ёмкостях. Ультразвук сравнительно малой интенсивности (до ~0,1 вт/см 2) широко используется для целей неразрушающего контроля изделий из твёрдых материалов (рельсов, крупных отливок, качественного проката и т.д.) (см.). Быстро развивается направление, получившее название акустической эмиссии, которая состоит в том, что при приложении механического к образцу (конструкции) твёрдого тела он «потрескивает» (подобно тому, как при изгибе «потрескивает» оловянный стержень). Это объясняется тем, что в образце возникает движение, которые при определённых условиях (до конца ещё пока не выясненных) становятся (так же, как и совокупность дислокаций и субмикроскопических трещин) акустических импульсов со спектром, содержащим частоты Ультразвук При помощи акустической эмиссии удаётся обнаружить и развитие трещины, а также определить её местонахождение в ответственных деталях различных конструкций . При помощи Ультразвук осуществляется: преобразуя ультразвуковые в электрические, а последние - в световые, оказывается возможным при помощи Ультразвук видеть те или иные предметы в непрозрачной для света среде. На частотах УЗВЧ создан ультразвуковой микроскоп - прибор, аналогичный обычному микроскопу, преимущество которого перед оптическим состоит и том, что при биологических исследованиях не требуется предварительного окрашивания предмета (рис. 5 ). Развитие привело к определённым успехам в области ультразвуковой.

Рис. 5б. Красные кровяные тельца, полученные ультразвуковым микроскопом.

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 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 - это звуковые волны, которые имеют частоту не воспринимаемые человеческим ухом, обычно, частотой выше 20 000 герц.

В природной среде ультразвук может генерироваться в различных естественных шумах (водопад, ветер, дождь). Многие представители фауны используют ультразвук для ориентирования в пространстве (летучие мыши, дельфины, киты)

Источники ультразвука можно подразделить на две большие группы.

1. Излучатели-генераторы — колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока - струи газа или жидкости.
2. Электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твёрдого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Наука об ультразвуке относительно молода. В конце 19 века русский ученый – физиолог П. Н. Лебедев впервые провел исследования ультразвука.

В настоящее время применение ультразвука достаточно велико. Так как ультразвук довольно легко направить концентрированным «пучком», то его применяют в различных областях: при этом применение основано на различных свойствах ультразвука.

Условно можно выделить три направления использования ультразвука:

1. Передача и обработка сигналов
2. Получение с помощью УЗ волн различной информации
3. Воздействие ультразвука на вещество.

В этой статье мы затронем лишь малую часть возможностей применения УЗ.

1. Медицина. УЗ используется как в стоматологии, так и в хирургии, а так же применятся для Ультразвуковых исследований внутренних органов.
2. Очистка с помощью ультразвука. Особенно наглядно это демонстрируется на примере центра ультрозвукового оборудования ПСБ-Галс. В частности можно рассмотреть применение ультразвуковых ванн http://www.psb-gals.ru/catalog/usc.html , которые используются для очистки, смешивания, перемешивания, измельчения, дегазации жидкостей, ускорения химических реакций, экстракции сырья, получения стойких эмульсий и так далее.
3. Обработка хрупких или сверхтвердых материалов. Преобразование материалов происходит посредством множества микроударов

Это только малейшая часть использования ультразвуковых волн. Если вам интересно – оставляйте комментарии и мы раскроем тему более подробно.

Дмитрий Левкин

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.

, (3)

Для поперечных волн она определяется по формуле

Дисперсия звука - зависимость фазовой скорости монохроматической звуковых волн от их частоты . Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическим свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.

Разновидности ультразвуковых волн

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны .

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны .

Волна Лэмба - упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Визуализация ультразвуковых волн

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

, (5)

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова - вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения , понимая под этим удельную мощность излучателя , т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м 2 . В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик - от пороговых значений ~ 10 -12 Вт/м 2 до сотен кВт/м 2 в фокусе ультразвуковых концентраторов.

Таблица 1 - Свойства некоторых распространенных материалов

Материал	Плотность, кг/м 3	Скорость продольной волны, м/c	Скорость поперечной волны, м/c	, 10 3 кг/(м 2 *с)
Акрил	1180	2670	-	3,15
Воздух	0,1	330	-	0,00033
Алюминий	2700	6320	3130	17,064
Латунь	8100	4430	2120	35,883
Медь	8900	4700	2260	41,830
Стекло	3600	4260	2560	15,336
Никель	8800	5630	2960	49,544
Полиамид (нейлон)	1100	2620	1080	2,882
Сталь (низколегированный сплав)	7850	5940	3250	46,629
Титан	4540	6230	3180	26,284
Вольфрам	19100	5460	2620	104,286
Вода (293К)	1000	1480	-	1,480

Затухание ультразвука

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

Первая из этих причин связана с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и соответственно уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т.е. . Для сферической волны, волновая поверхность которой растёт с расстоянием r от источника как r 2 , амплитуда волны убывает пропорционально , а для цилиндрической волны - пропорционально .

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).

Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле

, (6)

Коэффициент затухания от времени определяется

, (7)

Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае

, (8)

Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике .

, (9)

• где A 1 – амплитуда первого сигнала,
• A 2 – амплитуда второго сигнала

Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:

Отражение ультразвука от границы раздела сред

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом

, (12)

, (13)

• где D – коэффициент прохождения звукового давления

Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т.е. Z 1 >Z 2 , то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ .

Коэффициент пропускания энергии из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны

, (14)

Интерференция и дифракция ультразвуковых волн

Интерференция звука - неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции - сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука - отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука - расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны , степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

, (15)

• где D - поперечник объекта (например, поперечник ультразвукового излучателя или препятствия),
• r - расстояние точки наблюдения от этого объекта

Излучатели ультразвука

Излучатели ультразвука - устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию энергию какого-либо другого вида.

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи . В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях , магнитострикционных преобразователях , электродинамических излучателях , электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса : они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости .

Характеристики излучателя ультразвука

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр , излучаемая мощность звука , направленность излучения . В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса , границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f 0 преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука - отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью , т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м 2 .

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия , представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Звуковое поле излучателя

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля .

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

, (17)

Однако поскольку D обычно значительно больше , уравнение можно упростить и привести к виду

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, - с активным воздействием на вещество и - с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

Ультразвук - это упругие колебания и волны с частотой выше 20 кГц, не слышимые человеческим ухом. В настоящее время удается получать ультразвуковые колебания с частотой до 10 ГГц. Соответственно указанным частотным диапазонам область длины ультразвуковых волн в воздухе составляет от 1,6 до 0,3?10 - 4 см , в жидкостях - от 6,0 до 1,2?10 - 4 см и в твердых телах - от 20,0 до 4,0?10 - 4 см .

Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона. Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общим для акустических волн любого диапазона частот. К основным законам распространения ультразвука относятся законы отражения и преломления на границах различных сред, дифракции и рассеяния ультразвука при наличии препятствий и неоднородностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды.

Вместе с тем высокая частота ультразвуковых колебаний и малая длина волн обусловливают ряд специфических свойств, присущих только ультразвуку.

Так, возможно визуальное наблюдение ультразвуковых волн с помощью оптических методов. Благодаря малой длине ультразвуковые волны хорошо фокусируются, и, следовательно, возможно полу- чение направленного излучения. Еще одна весьма важная особенность ультразвука заключается в возможности получения высоких значений интенсивности при относительно небольших амплитудах колебаний.

Уменьшение амплитуды и интенсивности ультразвуковой волны по мере ее распространения в заданном направлении, т.е. затухание, определяется рассеянием и поглощением ультразвука, переходом ультразвуковой энергии в другие формы, например, в тепловую.

Источники ультразвука на рабочих местах. К техногенным источникам ультразвука относятся все виды ультразвукового технологического оборудования, ультразвуковые приборы и аппаратура промышленного, медицинского и бытового назначений, которые

генерируют ультразвуковые колебания в диапазоне частот от 20 кГц до 100 МГц и выше. Источником ультразвука может также быть оборудование, при эксплуатации которого ультразвуковые колебания возникают как сопутствующий фактор.

Основными элементами ультразвуковой техники являются ультразвуковые преобразователи и генераторы. Ультразвуковые пре- образователи в зависимости от вида потребляемой энергии подразделяют на механические (ультразвуковые свистки, сирены) и электромеханические (магнитострикционные, пьезоэлектрические, электродинамические). Механические и магнитострикционные преобразователи используются для генерации низкочастотного ультразвука, а пьезоэлектрические преобразователи позволяют получать ультразвуки высокой частоты - до 10 9 Гц.

Ультразвуковые генераторы предназначены для преобразования тока промышленной частоты в ток высокой частоты и для питания электроакустических систем - преобразователей как пьезоэлектрических, так и магнитострикционных.

В настоящее время ультразвук широко применяется в машиностроении, металлургии, химии, радиоэлектронике, строительстве, геологии, легкой и пищевой промышленности, рыбном промысле, медицине и т.д.

Среди многообразия способов применения ультразвука с позиций оценки их возможного неблагоприятного влияния на организм работающих целесообразно выделить два основных направления:

1. Применение низкочастотных (до 100 кГц) ультразвуковых колебаний, распространяющихся контактным и воздушным путями, для активного воздействия на вещества и технологические процессы - очистка, обеззараживание, сварка, пайка, механическая и термическая обработка материалов (сверхтвердых сплавов, алмазов, керамики и др.), коагуляция аэрозолей; в медицине - ультразвуковой хирургический инструментарий, установки для стерилизации рук медперсонала, различных предметов и др.

2. Применение высокочастотных (100 кГц - 100 МГц и выше) ультразвуковых колебаний, распространяющихся исключительно контактным путем, для неразрушающего контроля и измерений; в медицине - диагностика и лечение различных заболеваний.

Анализ распространенности и перспектива применения разнообразных ультразвуковых источников показал, что 60-70% всех работающих в условиях неблагоприятного воздействия ультразву-

ка составляют дефектоскописты, операторы очистных, сварочных, ограночных агрегатов, врачи ультразвуковых исследований (УЗИ), физиотерапевты, хирурги и др.

В целях унификации критериев и методов оценки степени производственных воздействий ультразвука разработана «Гигиеническая классификация ультразвука, воздействующего на человека-оператора». Классифицируемыми признаками воздействующего на работающих ультразвука являются: способ распространения фактора, тип источника ультразвука, способ и режим генерирования колебаний, частотная характеристика ультразвуковых колебаний (табл. 12.1).

Работающие с технологическими и медицинскими ультразвуковыми источниками подвергаются воздействию комплекса неблаго- приятных факторов производственной среды, ведущим из которых является ультразвук с частотой колебаний 20 Гц - 20,0 МГц и интенсивностью 50-160 дБ.

Так, стационарные очистные, сварочные, ограночные установки генерируют постоянные ультразвуковые колебания с частотами

Таблица 12.1. Гигиеническая классификация ультразвука, воздействующего на оператора

Классифицируемый признак	Характеристика классифицируемого признака
1. Способ распространения ультразвуковых колебаний	Контактный (при контакте рук или других частей тела человека с источником ультразвука) Воздушный (акустический)
2. Тип источника ультразвуковых колебаний	Ручной источник Стационарный источник
3. Частотная характеристика ультразвуковых колебаний	Низкочастотный ультразвук 16-63 кГц (указаны среднегеометрические частоты октавных полос) Среднечастотный ультразвук 125-250 кГц Высокочастотный ультразвук 1,0-31,5 МГц
4. Режим генерирования ультразвуковых колебаний	Постоянный Импульсный
5. Способ излучения ультразвуковых колебаний	Магнитострикционный Пьезоэлектрический

24,0-22,0 кГц, распространяющиеся контактным и воздушным путями (25-30% рабочей смены).

Интенсивность ультразвука в зоне контакта с руками операторов очистных, ограночных и сварочных агрегатов составляет 0,03- 1,4 Вт/см 2 , т.е. уровни колеблются от значений практически норма- тивных до 14-кратного превышения ИДУ. Уровни звукового давления в слышимом и ультразвуковом диапазонах частот на рабочих местах достигают 80-101 дБ с максимумом на рабочих частотах установок, что соответствует норме.

Среди многочисленных методов ультразвуковой дефектоскопии наиболее распространен импульсный метод (частоты 0,5-20,0 МГц при частоте следования импульсов в пределах 300-4000 Гц; частоты 50 и 80 кГц с частотой следования импульсов в пределах 100- 4000 Гц).

При ультразвуковом контроле сварных и железобетонных изделий оператор подвергается воздействию ультразвука в течение 72- 75% рабочего времени, интенсивность ультразвука в местах контакта колеблется от 1?10 -3 до 1,0 Вт/см 2 , уровни воздушного ультразвука не превышают ПДУ.

Среднесменное время воздействия контактного ультразвука на работающих зависит от типа ультразвукового источника (ручной или стационарный), для которого оно, как правило, в 2,5-3 раза меньше.

Используемые в лечебно-профилактических учреждениях диагностические установки работают в диапазоне частот 0,8-20,0 МГц, частота следования импульсов - 50-100 Гц. Диагностическое сканирование выполняется ручным ультразвуковым датчиком. Продолжительность одного исследования колеблется от 15-20 мин до 1-1,5 ч. Уровни высокочастотного контактного ультразвука, воздействующего на руки врача, составляют от 0,5-25,0-40,0 мВт/см 2 до 1,0 Вт/см 2 при диагностических исследованиях, занимающих 70% рабочего времени.

В ультразвуковой хирургической аппаратуре частота колебаний составляет 26,6-44,0-66,0-88,0 кГц. При работе хирургов отме- чена контактная передача ультразвука на руки, длительность ультразвукового воздействия не превышает 14% рабочего времени. Интенсивность контактного ультразвука находится в пределах 0,07- 1,5 Вт/см 2 , уровни воздушного ультразвука на рабочих местах хирургов ниже допустимых - 80-89 дБ.

Ультразвуковая физиотерапевтическая аппаратура генерирует колебания с частотами 0,88 и 2,64 МГц. Уровни воздействующего на руки медперсонала постоянного и импульсного контактного уль- тразвука, распространяющегося через боковую поверхность ручного излучателя, составляют 0,02-1,5 Вт/см. Длительность одной процедуры не превышает 15 мин, время контакта с ультразвуком равно 33% за смену.

Биологическое действие ультразвука. Ультразвуковые волны способны вызывать разнонаправленные биологические эффекты, характер которых определяется многими факторами: интенсивностью ультразвуковых колебаний, частотой, временными параметрами колебаний (постоянный, импульсный), длительностью воздействия, чувствительностью тканей.

В частности, частота ультразвуковых колебаний определяет глубину проникновения фактора: чем выше частота, тем большая часть энергии поглощается тканями, но при этом ультразвуковые колебания проникают на меньшую глубину. Следует отметить, что поглощение ультразвука в биологических тканях не подчиняется общим закономерностям. Согласно имеющимся данным, в биологических тканях существует не квадратичная, а линейная зависимость поглощения от частоты. Это объясняется большой неоднородностью тканей организма. Неоднородностью биологических тканей обусловлена и разная степень поглощения ультразвука. Наименьшее поглощение наблюдается в жировом слое и почти вдвое большее в мышечной ткани. Серое вещество мозга в 2 раза больше поглощает ультразвук, чем белое; мало абсорбирует ультразвуковую энергию спинно-мозговая жидкость. Наибольшее поглощение наблюдается в костной ткани (табл. 12.2).

При систематическом воздействии интенсивного низкочастотного ультразвука с уровнями, превышающими предельно допустимые, у работающих могут наблюдаться функциональные изменения центральной и периферической нервной систем, сердечно-сосудистой, эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов, гуморальные нарушения.

При экспозиции ультразвуковыми колебаниями 130 дБ на частоте 25 кГц выявлены изменения сердечного ритма, картины крови, эндокринной функции и электрогенеза мозга (уплощение ЭЭГ); отмечаются усталость, повышенная утомляемость, снижение трудоспособности.

Таблица 12.2. Поглощение ультразвука тканями организма человека

Ткань	Глубина, соответствующая уменьшению интенсивности ультразвука в 2 раза, в см
	800 кГц	2400 кГц
Почка
Печень
Сердце
Мышечная ткань
Жировая ткань
Жировая и мышечная ткани

При действии ультразвука частотой 20 кГц с уровнями звукового давления 120, 110 и 100 дБ на слух отмечено отсутствие заметных сдвигов порогов слуховой чувствительности после часовой экспозиции.

Наиболее характерным является наличие вегетососудистой дистонии и астенического синдрома. Лица, длительное время обслуживающие низкочастотное ультразвуковое оборудование, предъявляют жалобы на головную боль, головокружение, общую слабость, быструю утомляемость, расстройство сна, сонливость днем, раздражительность, ухудшение памяти, повышенную чувствительность к звукам, боязнь яркого света. Встречаются жалобы на снижение температуры конечностей, приступы бледности или покраснения лица, нередки жалобы диспепсического характера.

Общецеребральные нарушения часто сочетаются с явлениями умеренного вегетативного полиневрита рук. Это обусловлено тем, что наряду с общим воздействием ультразвука на организм работающих через воздух низкочастотный ультразвук оказывает локальное действие при соприкосновении с обрабатываемыми деталями и средами, в которых возбуждены колебания, или с ручными источниками.

При воздействии низкочастотного ультразвука вегетативно-сосудистые нарушения наступают (при одинаковом стаже работы), как правило, раньше, чем при экспозиции к высокочастотному ультразвуку, и характеризуются наличием трофических расстройств, распространяющихся на мышечную ткань с последующей гипертрофией мышц кисти.

Систематический, даже кратковременный контакт с жидкими и твердыми средами, в которых возбуждены ультразвуковые колебания, заметно усиливает действие воздушного ультразвука.

По сравнению с высокочастотным шумом, ультразвук слабее влияет на слуховую функцию, но вызывает более выраженные отклонения от нормы со стороны вестибулярной функции.

Выявлено неблагоприятное влияние низкочастотного ультразвука на функциональное состояние центральной нервной системы. У рабочих в динамике рабочего дня замедляется скорость выполнения условно-рефлекторных реакций на внешние раздражения, наблюдается напряжение или нарушение терморегуляции и соответственно повышение температуры тела до 37,1-37,3 ?С, диссоциация в степени повышения температуры тела и кожи, отсутствие корреляции между показателями потоотделения, пульса и температуры тела. Отмечаются также: наклонность к снижению диастолического давления, вплоть до артериальной гипотонии, изменения на ЭКГ по экстракардиальному типу, повышение порогов слуховой чувствительности, если уровни звукового давления значительно превышают ПДУ, заметные сдвиги вестибулярной функции (по данным стабилографии).

Эти изменения отчетливо проявляются у лиц, подвергающихся воздействию интенсивного ультразвука (122-130 дБ), и значитель- но менее выражены при воздействии ультразвука средней и малой интенсивностей (92-115 дБ).

Применяемые в промышленности, биологии, медицине интенсивности контактного ультразвука принято подразделять на низкие (до 1,5 Вт/см 2), средние (1,5-3,0 Вт/см 2) и высокие (3,0-10,0 Вт/см 2).

В зависимости от интенсивности контактного ультразвука различают три основных типа его действия:

1) ультразвук низкой интенсивности способствует ускорению обменных процессов в организме, легкому нагреву тканей, микро- массажу и т.д. Низкие интенсивности не приводят к морфологическим изменениям внутри клеток, так как переменное звуковое давление вызывает только некоторое ускорение биофизических процессов, поэтому малые экспозиции ультразвука рассматриваются как физиологический катализатор;

2) ультразвук средней интенсивности за счет увеличения переменного звукового давления вызывает обратимые реакции угнетения, в частности, нервной ткани. Скорость восстановления функций зависит от интенсивности и времени облучения ультразвуком;

3) ультразвук высокой интенсивности вызывает необратимые угнетения, переходящие в процесс полного разрушения тканей.

Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что ультразвуковые колебания, генерируемые в импульсном режиме, оказывают несколько иное биологическое действие, чем постоянные колебания. Своеобразие физиологического действия импульсного ультразвука заключается в меньшей выраженности, но большей мягкости и длительности проявления эффектов. Мягкость действия импульсного контактного ультразвука связана с преобладанием физико-химических эффектов действия над тепловым и механическим.

Воздействие ультразвука на биологические структуры обусловлено рядом факторов. Эффекты, вызываемые ультразвуком, условно подразделяют на:

механические, вызываемые знакопеременным смещением среды, радиационным давлением и т.д. Так, при малых интенсивностях (до 2-3 Вт/см 2 на частотах порядка 10 5 -10 6 Гц) колебания частиц биологической среды производят своеобразный микромассаж тканевых элементов, способствующий лучшему обмену веществ;

физико-химические, связанные с ускорением процессов диффузии через биологические мембраны, изменением скорости биологических реакций;

термические, являющиеся следствием выделения тепла при поглощении тканями ультразвуковой энергии, повышения температуры на границах тканевых структур, нагрева на газовых пузырьках;

Эффекты, связанные с возникновением в тканях ультразвуковой кавитации (образование с последующим захлопыванием парогазовых пузырьков в среде под действием ультразвука). Кавитация приводит к разрыву молекулярных связей. Например, молекулы воды распадаются на свободные радикалы ОН - и Н+, что является первопричиной окисляющего действия ультразвука. Подобным образом происходит расщепление под действием ультразвука высокомолекулярных соединений в биологических объектах, например, нуклеиновых кислот, белковых веществ.

Сведения о биологическом действии низкочастотного ультразвука весьма ограничены. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что низкочастотный ультразвук - это фактор, обладающий большой

биологической активностью и способный вызывать функциональные и органические нарушения со стороны нервной, сердечно-сосудистой, кроветворной, эндокринной и других систем организма.

Данные о действии высокочастотного ультразвука на организм человека свидетельствуют о полиморфных и сложных изменениях, происходящих почти во всех тканях, органах и системах.

Происходящие под воздействием ультразвука (воздушного и контактного) изменения подчиняются общей закономерности: малые интенсивности стимулируют и активируют, а средние и большие угнетают, тормозят и могут полностью подавлять функции.

Высокочастотный контактный ультразвук вследствие малой длины волны практически не распространяется в воздухе и оказы- вает воздействие на работающих только при контакте источника ультразвука с поверхностью тела. Изменения, вызванные действием контактного ультразвука, обычно более выражены в зоне контакта, чаще это пальцы рук, кисти, хотя не исключается возможность дистальных проявлений за счет рефлекторных и нейрогуморальных связей.

Длительная работа с ультразвуком при контактной передаче на руки вызывает поражение периферического нейрососудистого аппа- рата, причем степень выраженности изменений зависит от интенсивности ультразвука, времени озвучивания и площади контакта, т.е. ультразвуковой экспозиции, и может усиливаться при наличии сопутствующих факторов производственной среды, усугубляющих его действие (воздушный ультразвук, локальное и общее охлаждения, контактные смазки - различные виды масел, статическое напряжение мышц и т.д.).

Среди работающих с источниками контактного ультразвука отмечен высокий процент жалоб на наличие парестезий, повышенную чувствительность рук к холоду, чувство слабости и боли в руках в ночное время, снижение тактильной чувствительности, потливость ладоней. Имеют место также жалобы на головные боли, головокружение, шум в ушах и голове, на общую слабость, сердцебиение, болевые ощущения в области сердца.

Установлено, что высокочастотный ультразвук, воздействующий контактным путем на протяжении длительного времени, оказывает неблагоприятное воздействие, вызывая у операторов-дефектоскопистов развитие вегетативно-сосудистых поражений рук. У операторов ультразвуковой дефектоскопии выявлена повышенная час-

тота гемодинамических нарушений глаза, преимущественно в виде гипотонического состояния, проявляющегося атонией вен, венул и венозных колен капилляров переднего отдела глазного яблока, снижением ретинального давления, гипотонической ангиопатией сетчатки. Выявленные сосудистые нарушения глаз у данной профессиональной группы следует трактовать как проявление общего вегетососудистого нарушения, связанного с воздействием ультразвуковых колебаний (0,5-5,0 МГц, интенсивность до 1,0 Вт/см 2).

Отмечено неблагоприятное воздействие контактного ультразвука на медицинский персонал, обслуживающий физиотерапевтическую и диагностическую аппаратуру, которое также проявляется развитием вегетативно-сосудистых поражений рук.

Вегетативно-сенсорная (ангионевроз) полинейропатия рук, развивающаяся при воздействии контактного ультразвука, впервые признана профессиональным заболеванием и внесена в список про- фзаболеваний в 1989 г. Установлено, что биологическое действие ультразвуковых колебаний при контактной передаче обусловлено его влиянием на нервно-рецепторный аппарат кожи с последующим включением рефлекторных, нейрогуморальных связей. Оно опреде- ляется механическими и физико-химическими факторами, поскольку роль термического и кавитационного компонентов при уровнях, создаваемых источниками ультразвука в контактных средах, незначительна.

Специфические особенности воздействия на работающих контактного ультразвука, обусловленные его высокой биофизической активностью, проявляются в сенсорных, вегетативно-сосудистых нарушениях и изменениях опорно-двигательного аппарата верхних конечностей.

Наряду с изменениями нейромышечного аппарата у лиц, работающих с источниками контактного ультразвука, выявляются измене- ния костной структуры в виде остеопороза, остеосклероза дистальных отделов фаланг кистей, а также некоторые другие изменения дегенеративно-дистрофического характера. Наиболее информативным рентгенологическим методом, позволяющим дать количественную характеристику состояния минеральной насыщенности костной ткани и оценить степень ее изменений, является метод рентгеноден- ситофотометрии.

Кожа является «входными воротами» для контактного ультразвука, так как при выполнении работ с различными ультразвуковыми

источниками в первую очередь озвучиванию подвергается кожа кистей рук работающих. Интенсивность ультразвуковых колебаний в коже кистей наиболее близка к интенсивности ультразвука на повер- хностях излучателя.

Кожа в разных областях тела человека имеет различную чувствительность: кожа лица чувствительнее кожи живота, а кожа живота чувствительнее кожи конечностей. Ультразвук интенсивностью 0,6 Вт/см 2 (частота 2,5 МГц) вызывает гиперемию кожи, нерезко выраженный отек дермы.

Воздействие ультразвука интенсивностью 0,4 Вт/см 2 (1-2 МГц) сопровождается закономерным снижением величины рН поверхности кожи, что свидетельствует о преимущественном использовании для энергетического обмена углеводов, так как при их усиленных превращениях в тканях накапливаются кислые продукты обмена. Возможно, изменение рН поверхности кожи под влиянием ультразвука связано с повышением функциональной активности сальных желез. При воздействии ультразвука увеличивается число активных потовых желез, а соответственно, повышается экскреция хлоридов.

Клиническое и лабораторное обследование у дефектоскопистов выявляет следующие заболевания кожи: гипергидроз ладоней и подошв, дисгидроз ладоней и подошв, руброфития и эпидермофития стоп и кистей, себорея волосистой части головы и др. У большинства больных гипергидрозом, дисгидрозом и др. выявлена корреляция с сопутствующими заболеваниями, в частности, с нервно-сосудистыми нарушениями, проявляющимися в виде вегетативных полиневри- тов рук, вегетативно-сосудистых дисфункций. Это дает возможность связать кожную патологию с воздействием ультразвука.

При воздействии ультразвука малой интенсивности - 20-35 мВт/см 2 (частота 1 МГц) повышается проницаемость сосудов кожи, тогда как локальное воздействие теплом, приводящее к повышению температуры кожи на 0,8-1,0 ?С, не оказывает какого-либо влияния на сосудистую проницаемость кожи. Следовательно, в процессах изменения сосудистой проницаемости кожи при воздействии ультразвуковых волн большую роль играет не термический фактор, а механический эффект. При высоких интенсивностях ультразвука сосудистая проницаемость может изменяться и посредством рефлек- торных механизмов.

Важным моментом в действии ультразвука и его обезболивающем эффекте является помимо снижения рН среды локальная аккумуля-

ция гистамина, способствующая торможению проведения импульсов в синапсах симпатических ганглиев.

Считается, что ультразвуковое раздражение, попадая на рецепторный аппарат кожи, передается по всем направлениям на периферические и центральные образования симпатической и парасимпатической нервных систем как по специфическому, так и неспецифическому путям.

Выявлены закономерности в изменении сердечно-сосудистой деятельности при воздействии контактного ультразвука. Так, при озвучивании пациентов лечебными дозами ультразвука (2,46 МГц, 1 Вт/см 2) наблюдается учащение сердечного ритма с изменением ЭКГ. Увеличение интенсивности ультразвука приводит к брадикардии, аритмии, снижению биологической активности. Аналогичные реакции наблюдаются при озвучивании не только области сердца, но и соседних с ним участков.

Изучение сосудистых реакций организма на воздействие ультразвука при контактной передаче показало, что малые дозы высокочастотного ультразвука (0,2-1,0 Вт/см 2) вызывают сосудорасширяющий эффект, а большие дозы (3 Вт/см 2 и выше) - сосудосуживающий эффект.

Снижение сосудистого тонуса и расширение сосудов отмечается не только в области, подвергающейся воздействию ультразвука, но и на симметричных участках, что позволяет говорить о важной роли нервно-рефлекторных механизмов в формировании ответной реакции на действие ультразвука.

Воздействие ультразвука на организм сопровождается биохимическими изменениями: уменьшается количество белков в сыворотке крови, интенсифицируется обмен углеводов, увеличивается содержание в крови связанного билирубина, снижается активность ферментов, в частности, каталазы крови, увеличивается уровень адренокортикотропного гормона гипофиза (АКТГ) в плазме крови. Считают, что оптимальное стимулирующее действие на ферментативные процессы в тканях оказывает ультразвук интенсивностью 0,1-0,3 Вт/см 2 .

Изучение противоопухолевого действия высокочастотного ультразвука показало, что высокие интенсивности ультразвука (3,0- 10,0 Вт/см 2) способствуют разрушению опухолевых клеток, тормозят рост опухолей.

При воздействии высокочастотного ультразвука на костную ткань отмечается нарушение минерального обмена - уменьшается содер- жание солей кальция в костях.

Таким образом, при воздействии контактного ультразвука возможно развитие генерализованных рефлекторно-сосудистых изменений. Однако патогенез изменений, выявленных у больных с выраженными проявлениями ультразвуковой патологии желудочно-кишечного тракта, почек, сердечно-сосудистой системы, пока изучен недостаточно.

В настоящее время разработана математическая модель прогноза вероятности развития профессиональной патологии у работающих с источниками контактного ультразвука различной частоты в зависимости от интенсивности и длительности контакта, что позволяет определять безопасный стаж работы в профессии, т.е. управлять риском нарушения здоровья путем «защиты временем». Расчетные данные вероятности развития полиневропатии рук ультразвуковой этиологии представлены в табл. 12.3.

Гигиеническое нормирование воздушного и контактного ультразвука. При разработке эффективных профилактических мероприятий, направленных на оптимизацию и оздоровление условий труда работников ультразвуковых профессий, на первое место выдвигаются вопросы гигиенического нормирования ультразвука как неблагоприятного физического фактора производственной среды и среды обитания.

Материалы проведенных в ГУ НИИ медицины труда РАМН комплексных исследований послужили основанием для разработки новой системы гигиенической регламентации ультразвука, что нашло отражение в санитарных нормах и правилах «Гигиенические требования при работах с источниками воздушного и контактного ультразвука промышленного, медицинского и бытового назначения».

Санитарные нормы и правила устанавливают гигиеническую классификацию ультразвука, воздействующего на человека-опера- тора; нормируемые параметры и предельно допустимые уровни ультразвука для работающих и населения; требования к контролю воздушного и контактного ультразвука, меры профилактики. Следует отметить, что настоящие нормы и правила не распространяются на лиц (пациентов), подвергающихся воздействию ультразвука в лечебно-диагностических целях.

Таблица 12.3. Вероятность развития полиневропатии рук работающих с источниками контактного ультразвука, распространяющегося в жидких и твердых средах

Нормируемыми параметрами воздушного ультразвука являются уровни звукового давления в децибелах в третьоктавных полосах со среднегеометрическими частотами 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100 кГц.

Нормируемыми параметрами контактного ультразвука являются пиковые значения виброскорости или ее логарифмические уровни в дБ в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 16; 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000; 16 000; 31 500 кГц, определяемые по формуле:

L v = 20 lgV/V0,

где:

V - пиковое значение виброскорости, м/с;

V0 - опорное значение виброскорости, равное 5?10 -8 м/с.

В табл. 12.4 представлены предельно допустимые уровни воздушного ультразвука на рабочих местах и контактного ультразвука в зонах контакта рук или других частей тела работающих с источни- ками ультразвуковых колебаний или средами, в которых они распространяются.

Новые нормативы построены по спектральному принципу с учетом совместного воздействия контактного и воздушного ультразвука путем установления понижающей поправки, равной 5 дБ, к ПДУ кон- тактного ультразвука, обладающего более высокой биологической активностью.

При использовании ультразвуковых источников бытового назначения (стиральные машины, устройства для отпугивания насекомых, грызунов, собак, охранная сигнализация и т.д.), как правило, работающих на частотах ниже 100 кГц, нормативные уровни воздушного и контактного ультразвука, воздействующего на человека, не должны превышать 75 дБ на рабочей частоте.

Кроме санитарных правил и норм разработан ряд нормативнометодических документов, регламентирующих, в частности, условия труда медработников, использующих ультразвуковые источники в виде аппаратуры, оборудования или инструментария.

Таблица 12.4. Предельно допустимые уровни ультразвука на рабочих местах

Примечание. 1 Предельно допустимые уровни контактного ультразвука следует принимать на 5 дБ ниже табличных данных при совместном воздействии на работающих воздушного и контактного ультразвука.

ультразвуковой диагностики, организации и проведению диагностических исследований, а также санитарно-гигиенические и медикопрофилактические мероприятия по ограничению неблагоприятного влияния контактного ультразвука на медперсонал. Например, в соответствии с гигиеническими рекомендациями площадь кабинета для проведения ультразвуковых исследований (УЗИ) должна быть не менее 20 м 2 при условии размещения в нем одной ультразвуковой диагностической установки. Помещение для проведения УЗИ должно иметь естественное и искусственное освещения, раковину с подводкой холодной и горячей воды, общеобменную приточновытяжную систему вентиляции с кратностью воздухообмена 1:3, допускается установка кондиционеров. В помещении следует поддерживать определенные параметры микроклимата: температура воз- духа - 22 ?С, относительная влажность 40-60%, скорость движения воздуха не выше 0,16 м/с.

При измерении воздушного и контактного ультразвука, генерируемого бытовыми приборами и оборудованием, следует руководс-

твоваться требованиями, изложенными в действующих санитарных нормах и правилах.

Профилактические мероприятия. Мероприятия по защите работающих от неблагоприятного воздействия контактного ультразвука и сопутствующих факторов производственной среды и трудового процесса включают:

1. Медико-биологический скрининг при приеме на работу с учетом субъективных (индивидуальных) и объективных (профессионально-производственных) факторов риска.

2. Применение различных режимов труда (сменных и скользящих недельных, декадных, месячных, квартальных и др.) и контрактной системы ведения работ на срок прогнозируемой продолжительности безопасности стажа.

3. Гигиенический, в том числе экспозиционный, и клиникофизиологический мониторинг.

4. Мероприятия медико-профилактического характера по оздоровлению работающих.

Медико-биологический скрининг при приеме на работу целесообразно проводить в несколько этапов:

I-й этап - социальный отбор. Согласно действующим гигиеническим нормам и правилам, основным противопоказанием для работы в условиях воздействия ультразвука является возраст моложе 18 лет.

II-й этап - медицинский отбор, включающий предварительный медицинский осмотр и проведение функциональных исследований с учетом специфики действия контактного ультразвука и факторов риска (как выявленных индивидуальных, так и конкретных профессионально-производственных, установленных при аттестации или лицензировании рабочего места, на которое предполагается трудоустройство).

Предварительный медицинский осмотр проводится в соответствии с действующим приказом. При проведении предварительных медицинских осмотров следует учитывать противопоказания для работы в «ультразвуковых» профессиях, к числу которых наряду с общими медицинскими противопоказаниями к допуску на работу в контакте с вредными, опасными веществами и производственными факторами отнесены хронические заболевания периферической нервной системы, облитерирующие заболевания артерий и периферический ангиоспазм.

Помимо медицинских противопоказаний определены индивидуальные и объективные факторы риска, способные усугублять воздействие контактного ультразвука. К субъективным (личностным) факторам риска следует отнести наследственную отягощенность по сосудистым заболеваниям, астенический тип конституции, холодовую аллергию, травмы конечностей и их отморожение в анамнезе, вегетативную лабильность, преимущественно с преобладанием тонуса симпатической нервной системы, длительный стаж работы в профессии и др.

Объективными или производственно-профессиональными факторами риска являются высокие уровни контактного и воздушного ультразвука, передача ультразвуковых колебаний через жидкую среду, большая площадь контакта с источником, загрязнение рук контактными смазками, охлаждение рук, высокий ультразвуковой индекс источников, статическая нагрузка на мышцы пальцев и кистей рук, вынужденная поза, охлаждающий микроклимат, высокие уровни суммарного индекса одночисловой оценки комплексного воздействия факторов и т.д.

Большое значение в профилактике ультразвукового воздействия имеют рациональные режимы труда, устанавливаемые для конкретного рабочего места или источника колебаний. При разработке режи- мов труда необходимо руководствоваться следующими принципами:

Сокращение суммарного времени контакта и уменьшение экспозиции ультразвукового озвучивания при превышении нормативов;

Ведение работ с регулярно прерывающимися ультразвуковыми воздействиями;

Организация двух регламентированных перерывов, первый - продолжительностью 10 мин, второй - 15 мин для активного отдыха, проведения специального комплекса производственной гимнастики, физио-профилактических процедур и т.д. Первый перерыв рационально устраивать через 1,5-2 ч после начала смены, второй - через 1,5 ч после обеденного перерыва;

Обеденный перерыв продолжительностью не менее 30 мин. Помимо сменных режимов труда, целесообразно внедрение сколь- зящих режимов - недельных, декадных, месячных, квартальных и т.д. Эти современные формы режимов труда наиболее приемлемы для медицинских работников, когда ультразвуковая нагрузка на работающих, превышающая допустимую, может быть равномерно разнесена во времени.

К мероприятиям, направленным на повышение сопротивляемости организма, в том числе и при воздействии контактного ультразвука, относятся различные виды физиопрофилактических процедур, реф- лексопрофилактика, производственная гимнастика, рациональное сбалансированное питание, витаминизация, психофизиологическая разгрузка.

Вводная гимнастика проводится до работы и рекомендуется всем без исключения работающим. Основная ее задача - поднять общий тонус организма, активизировать деятельность органов и систем, помочь быстрее включиться в рабочий ритм и сократить период врабатываемости. Комплекс включает в себя 7-9 упражнений и выполняется в течение 5-7 мин перед началом работы.

В результате многочисленных экспериментальных исследований были подобраны наиболее эффективные способы защиты рук рабо- тающих от воздействия низкочастотного и высокочастотного ультразвука, распространяющегося в твердой и жидкой средах.

Работающим с низкочастотными источниками

При распространении колебаний в твердой среде - две пары плотных хлопчатобумажных перчаток;

При распространении колебаний в жидкой среде - две пары перчаток: нижние - хлопчатобумажные и верхние - плотные рези- новые.

Работающим с высокочастотными источниками контактного ультразвука рекомендуется применять:

При распространении колебаний в твердой среде - одну пару хлопчатобумажных перчаток, или хлопчатобумажные перчатки с непромокаемой ладонной поверхностью (выполненной, например, из непромокаемых синтетических материалов), или хлопчатобумажные напальчники;

При распространении колебаний в жидкой среде - две пары перчаток: нижние - хлопчатобумажные и верхние - резиновые.

В качестве средства индивидуальной защиты от воздействия шума и воздушного ультразвука работающие должны применять противошумы - вкладыши, наушники.

Среди мероприятий по защите работающих от ультразвукового воздействия важное место занимают вопросы обучения работающих основам законодательства об охране труда, правилам техники

безопасности и мерам профилактики при работе с источниками контактного ультразвука; санитарное просвещение среди работающих, пропаганда здорового образа жизни.

Мероприятия по формированию и управлению качеством производственной среды на рабочих местах с источниками ультразвука в целях снижения риска нарушения здоровья работающих. Важную роль в управлении качеством производственной среды отводят средствам и методам коллективной защиты работающих. Наиболее эффективными в этом плане считаются организационно-технические меры в источнике, снижающие уровни контактного ультразвука, воздействующего на работающих, сокращающие время контакта с ним и ограничивающие влияние неблагоприятных сопутствующих факторов производственной среды, в частности:

Разработка и внедрение нового, усовершенствованного оборудования с улучшенными ультразвуковыми характеристиками;

Создание автоматического ультразвукового оборудования, например, для очистки деталей, дефектоскопии, механической обработки материалов и др.;

Создание установок с дистанционным управлением;

Использование маломощных ультразвуковых генераторов в оборудовании, если это не противоречит требованиям технологических процессов;

Проектирование ультразвуковых установок с рабочими частотами, максимально удаленными от слышимого диапазона частот (не ниже 22 кГц), чтобы избежать действия выраженного высокочастотного шума;

Блокирование, т.е. автоматическое отключение оборудования, приборов при выполнении вспомогательных операций по загрузке и выгрузке продукции, нанесении контактных смазок и т.д.;

Проектирование искателей и датчиков, удерживаемых руками, с учетом необходимости обеспечения минимального напряжения мышц кисти;

Применение снабженных ручками сеток и различных приспособлений при загрузке и выгрузке деталей из ультразвуковых волн или специальных приспособлений (зажимов, штативов, крючков и т.д.) для удержания обрабатываемых деталей или источника ультразвука;

Облицовка мест контакта рук оператора с источником (сканирующие устройства дефектоскопов и диагностической аппаратуры,

рукояток ручного ультразвукового инструмента и т.д.) изоляционным материалом;

Осуществление контроля за своевременностью проведения профилактического и текущего ремонта ультразвуковой аппаратуры и оборудования;

Оборудование ультразвуковых установок звукоизолирующими устройствами (кожухи, экран) из листовой стали или дюрали, покрытие их резиной, противошумной мастикой или другими материалами, оборудование звукоизолирующих кабин, боксов;

Экранировка фидерных линий;

Оборудование эффективной вентиляции.

Кроме того, при проектировании и разработке новой ультразвуковой аппаратуры с видеотерминальными устройствами необходимо соблюдать следующие технико-гигиенические требования:

Яркость свечения экрана не менее 100 кд/м 2 ;

Минимальный размер светящейся точки для монохромного дисплея - 0,4 мм, для цветного дисплея - 0,6 мм;

Контрастность изображения знаков не менее 0,8;

Низкочастотное дрожание изображения в диапазоне 0,05-1,0 Гц в пределах 0,1 мм;

Частота регенерации изображения при работе с позитивным контрастом не менее 72 Гц;

Наличие антибликерного покрытия экрана.

Оптимизация факторов, определяющих тяжесть труда, достигается в результате правильного выбора позы за счет рациональной компоновки рабочего места. Для этого, прежде всего, необходимо подобрать производственное оборудование и рабочую мебель, соответствующие антропометрическим данным и психофизиологическим возможностям человека.

Следует выдерживать размеры рабочей зоны, включающей пространство, в котором располагаются органы управления оборудова- нием, заготовками, деталями, инструмент, т.е. все то, что необходимо для выполнения работ.

В процессе выполнения трудовых операций целесообразно по возможности исключить статические нагрузки, возникающие при поддержании, например, заготовок, деталей и т.д. за счет устройства верстаков, подставок для обрабатываемых деталей, а также применения манипуляторов, тележек, различных средств малой механизации для снижения динамической нагрузки и перенапряжения опорно-двигательного аппарата.

В комплексе мероприятий по научной организации труда особое место занимают рекомендации по рационализации рабочих движений и усилий.

Для оптимизации факторов, определяющих напряженность труда, целесообразно:

Создание рациональной системы освещения в каждом конкретном случае (или, наоборот, затемнения, например, при дефектоскопии и ультразвуковой диагностике), правильное размещение светильников;

Борьба с блесткостью экранов ультразвукового оборудования;

Создание необходимого цветового климата в производственных помещениях;

Устройство световой и звуковой индикаций дефектов при ультразвуковой дефектоскопии;

Внедрение режимов труда и отдыха (гимнастика для глаз, производственная гимнастика, психофизиологическая разгрузка и т.д.).