Ультразвук в медицине и его применение в технике

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

По физике на тему:

«Ультразвук в медицине и  его применение в технике»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Содержание…………………………………………………………………...2

Введение……………………………………………………………………....3

Заключение…………………………………………………………………....4

Ультразвук..........................………………………………………………...5

Ультразвук как упругие волны.................................................................6

Специфические особенности ультразвука.................................................7

Источники и приемники ультразвука........................................................8

Приемники ультразвука.............................................................................9

Применение ультразвука...........................................................................10

Ультразвук в техник

Ультразвуковая очистка...................................................................11

Механическая обработка  сверхтвердых и хрупких материалов…12

Ультразвуковая сварка.....................................................................13

Ультразвуковая пайка и лужение.....................................................14

Ускорение производственных процессов.........................................15

Ультразвуковая дефектоскопия........................................................16

Ультразвук в радиоэлектронике.......................................................17

Ультразвук в медицине...............................................................................18

Вывод……………………………………………………………………........19

Литература..................................................................................................20

           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

Введение

         Наука об ультразвуке сравнительно молодая. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены великим русским ученым-физиком П. Н. Лебедевым в конце XIX, а затем ультразвуком занимались многие видные ученые. Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности по сравнению со звуками слышимого диапазона. В  ультразвуковом диапазоне сравнительно легко

получить направленное излучение; он хорошо поддается фокусировке, в

результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний. При

распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает

интересные явления, многие из которых нашли практическое применение в

различных областях науки и техники. В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое направление химии – ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-технологические процессы. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазомерия, акустоэлектроника. Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ. Разработаны универсальные и специальные ультразвуковые станки, установки, работающие под повышенным статическим давлением, ультразвуковые механизированные установки для очистки деталей, генераторы с повышенной частотой и новой системой охлаждения, преобразователи с равномерно распределенным полем. Созданы и внедрены в производство автоматические ультразвуковые установки, которые включаются в поточные линии, позволяющие значительно повысить производительность труда.

      

 

 

 

 

 

 

3

 

Заключение

      В последнее время ультразвук нашел исключительно широкое применение в самых различных областях науки и техники. Ультразвук используют не только в физики но и в химии, биологии и медицине, в технике и металлургии, при испутании и обработки материалов, а также и в других отраслях.  Можно с уверенностью сказать что ультразвук важен в жизни людей.

                                                                                                                                 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

Ультразвук

      

   Ультразвук (УЗ) – упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 – 20 кГц. Нижняя граница области ультразвуковых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной, так как верхняя граница слухового восприятия у каждого человека своя. Верхняя граница ультразвуковых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. В газах при нормальном давлении верхняя граница частот УЗ составляет » 10⁹ Гц, в жидкостях и твердых телах граничная частота достигает 10¹²-10¹³ Гц.

   В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает различными  специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область

ультразвуковых частот подразделяют на три области:

·        низкие ультразвуковые частоты (1,5×10⁴ – 10⁵ Гц);

·        средние (10⁵ – 10⁷ Гц);

·        высокие (10⁷ – 10⁹ Гц).

Упругие волны с частотами 10⁹ – 10¹³ Гц принято называть гиперзвуком.

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

Ультразвук как  упругие волны

 

   Ультразвуковые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона. В газах и жидкостях распространяются только продольные волны, а в твердых телах – продольные и сдвиговые. Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общими для акустических волн любого диапазона частот. К основным законам распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды. Существенную роль при этом играет соотношение между длиной волны звука l и геометрическим размером D –

размером источника звука  или препятствия на пути волны, размером

неоднородностей среды. При D>l распространение звука вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрической акустики (можно пользоваться законами отражения и преломления). Степень отклонения от геометрической картины распространения и необходимость учета дифракционных явлений определяются

параметром  , где r– расстояние от точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию. Скорость распространения ультразвуковых волн в неограниченной среде определяется характеристиками упругости и плотностью среды. В ограниченных средах на скорость распространения волн влияет наличие и характер границ, что приводит к частотной зависимости скорости (дисперсия скорости звука). Уменьшение амплитуды

и интенсивности ультразвуковой волны по мере ее распространения в заданном направлении, то есть затухание звука, вызывается, как и для волн любой частоты, расхождением фронта волны с удалением от источника, рассеянием и поглощением звука. На всех частотах как слышимого, так и неслышимых диапазонов имеет место так называемое «классическое» поглощение, вызванное сдвиговой вязкостью (внутренним трением)

среды. Кроме того, существует дополнительное (релаксационное) поглощение, часто существенно превосходящее «классическое» поглощение.

При значительной интенсивности  звуковых волн появляются нелинейные эффекты:

·        нарушается принцип суперпозиции и возникает  взаимодействие волн,

приводящее к появлению тонов;

·        изменяется форма волны, ее спектр обогащается  высшими гармониками и соответственно растет поглощение;

·        при  достижении некоторого порогового значения интенсивности УЗ в

жидкости возникает кавитация (см. ниже).

Критерием применимости законов  линейной акустики и возможности  пренебрежения нелинейными эффектами является:  М << 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Параметр М называется «число Маха».

 

6

Специфические особенности ультразвука

        Хотя физическая природа ультразвука и определяющие его распространение основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей. Эти особенности обусловлены относительно высокими частотами ультразвука.

Малость длины волны определяет лучевой характер распространения ультразвуковых волн. Вблизи излучателя волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные препятствия такой пучок ( ультразвука луч) испытывает отражение и преломление. При попадании луча на малые препятствия возникает рассеянная волна, что позволяет обнаруживать в среде малые неоднородности (порядка десятых и сотых долей мм.).

       Отражение и рассеяние УЗ на неоднородностях среды позволяют формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов, используя звуковые фокусирующие системы, подобно тому, как это делается с помощью световых лучей. Фокусировка ультразвука позволяет не только получать звуковые изображения (системы звуковидения и акустической голографии), но и концентрировать звуковую энергию. С помощью ультразвуковых фокусирующих систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими.

    Периодическое изменение показателя преломления световых волн, связанное с изменением плотности в ультразвуковой-волне, вызывает дифракцию света на ультразвуке, наблюдаемую на частотах ультразвука мегагерцевого-гигагерцевого диапазона.Важнейшим нелинейным эффектом в ультразвуковом поле является кавитация –возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их схлопывание, слияние друг с другом и т.д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), возникает перемешивание жидкости, инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы. Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты, например с ростом частоты УЗ увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с увеличением давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий. Увеличение частоты приводит

к повышению порогового значения интенсивности, соответствующей началу

кавитации, которое зависит  от рода жидкости, ее газосодержания, температуры и т.д.. Для воды при атмосферном давлении оно обычно составляет 0,3¸1,0 Вт/см². Кавитация – сложный комплекс явлений. УЗ-вые волны, распространяющиеся в жидкости, образуют чередующиеся области высоких и низких давлений, создающих зоны высоких сжатий и зоны разрежений.

 

 

 

7

 

Источники  и приемники ультразвука

      В природе ультразвук 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.

                           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

Приемники ультразвука

     В качестве приемников ультразвука на низких и средних частотах чаще всего применяют электроакустические преобразователи пьезоэлектрического типа. Такие приемники позволяют воспроизводить форму акустического сигнала, то есть временную зависимость звукового давления. В зависимости от условий применения приемники делают либо резонансными, либо широкополосными. Для получения усредненных по времени характеристик звукового поля используют термическими приемниками звука в виде покрытых звукопоглощающим веществом термопар или термисторов. Интенсивность и звуковое давление можно оценивать и оптическими методами, например по дифракции света на ультразвук.

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

Применение ультразвука

        Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, второе – с активным воздействием на вещество и третье – с обработкой и передачей сигналов. При каждом конкретном применении используется ультразвук определенного частотного диапазона (табл. 1). Расскажем лишь о некоторых из многочисленных областей, где нашел применение ультразвука.