Ультразвук в медицине и его применение в технике

     Таблица 1                       

1.Получение информации о технологических процессах	1. Гидролокация 2. УЗ дефектоскопия 3. контроль размеров 4. Медицинская диагностика 5. Коагуляция аэрозолей 6. Воздействие на горение 7. Воздействие на химические процессы 8. Эмульгирование 9. Диспергирование
2. Воздействие на вещество	1. Диспергирование 2. Распыление 3. Кристаллизация 4. Металлизация, пайка 5. Механическая обработка 6. Сварка 7. Пластическое деформирование 8. Терапия 9. Хирургия
3.Обработка сигналов	1. Акустооптические устройства 2. Преобразователи сигналов в акустоэлектронике

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

Ультразвуковая  очистка

     Качество УЗ очистки несравнимо с другими способами. Например, при полоскании деталей на их поверхности остается до 80% загрязнений, при вибрационной очистке – около 55%, при ручной – около 20%, а при ультразвуковой – не более 0,5%. Кроме того, детали, имеющие сложную форму, труднодоступные места, хорошо можно очистить только с помощью ультразвука. Особое преимущество ультразвуковой очистки заключается в ее высокой производительности при малой затрате физического труда, возможности замены огнеопасных или дорогостоящих органических растворителей безопасными и дешевыми водными растворами щелочей,

жидким фреоном и др. Ультразвуковая очистка – сложный процесс, сочетающий местную кавитацию с действием больших ускорений в очищающей жидкости, что приводит к разрушению загрязнений. Если загрязненную деталь поместить в жидкость и облучить ультразвуком, то под действием ударной волны кавитационных пузырьков поверхность детали очищается от грязи. Серьезной проблемой является борьба с загрязнением воздуха пылью, дымом, копотью, окислами металлов и т.д. 

     Ультразвуковой метод очистки газа и воздуха может применяться в существующих газоотводах независимо от температуры и влажности среды. Если поместить ультразвуковой излучатель в пылеосадочную камеру, то эффективность ее действия возрастает в сотни раз. В чем сущность ультразвуковой очистки воздуха? Пылинки, которые беспорядочно движутся в воздухе, под действием ультразвуковых колебаний чаще и сильнее ударяются друг о друга. При этом они сливаются и размер их увеличивается. Процесс укрупнения частиц называется коагуляцией. Улавливаются укрупненные и утяжеленные частицы специальными фильтрами.

                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

 

Механическая  обработка сверхтвердых

и хрупких материалов

      Если между рабочей поверхностью ультразвукового инструмента и обрабатываемой деталью ввести абразивный материал, то при работе излучателя частицы абразива будут воздействовать на поверхность детали. Материал разрушается и удаляется при обработке под действием большого числа направленных микроударов (рис. 4).

                             

    

	Рис.4 Ультразвуковая обработка  материалов. 1 – ультразвуковой инструмент; 2 – абразивные зерна; 3 – обрабатываемая деталь.

 

Кинематика ультразвуковой обработки складывается из главного движения –

резания, т.е. продольных колебаний  инструмента, и вспомогательного движения –движения подачи. Продольные колебания являются источником энергии абразивных зерен, которые и производят разрушение обрабатываемого материала. Вспомогательное движение – движение подачи – может быть продольным, поперечным и круговым. Ультразвуковая обработка обеспечивает большую точность – от 50 до 1 мк в зависимости от зернистости абразива. Применяя инструменты различной формы можно выполнять не только отверстия, но и сложные вырезы. Кроме того, можно вырезать криволинейные оси, изготавливать матрицы, шлифовать, гравировать и даже сверлить алмаз. Материалы, используемые  в качестве абразива – алмаз, корунд, кремень, кварцевый песок.

                           

 

 

 

 

 

 

12

 

Ультразвуковая  сварка

        Из существующих методов ни один не подходит для сварки разнородных металлов или если к толстым деталям нужно приварить тонкие пластины. В этом случае ультразвуковая сварка незаменима. Ее иногда называют холодной, потому что детали соединяются в холодном состоянии. Окончательного представления о механизме образования соединений при ультразвуковой сварке нет. В процессе сварки после ввода ультразвуковых колебаний между свариваемыми пластинами образуется слой высоко пластичного металла, при этом пластины очень легко поворачиваются

вокруг вертикальной оси  на любой угол. Но как только ультразвуковое излучение прекращают, происходит мгновенное «схватывание» пластин.

        Ультразвуковая сварка происходит при температуре значительно меньшей температуры плавления, поэтому соединение деталей происходит в твердом состоянии. С помощью ультразвука можно сваривать многие металлы и сплавы (медь, молибден, тантал, титан, многие стали). Наилучшие результаты получаются при сварке тонколистовых разнородных металлов и приварке к толстым деталям тонких листов. При ультразвуковой сварке минимально изменяются свойства металла в зоне сварки. Требования к качеству подготовки поверхности значительно ниже, чем при других методах сварки. УЗ сварке хорошо поддаются и неметаллические материалы (пластмасса, полимеры)

                        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

 

Ультразвуковая  пайка и лужение

    В промышленности все большее значение приобретает ультразвуковая пайка и лужение алюминия, нержавеющей стали и других материалов. Трудность пайки алюминия состоит в том, что его поверхность всегда покрыта тугоплавкой пленкой окиси алюминия, которая образуется практически мгновенно при соприкосновении металла с кислородом воздуха. Эта пленка препятствует соприкосновению расплавленного припоя с поверхностью алюминия. В настоящее время одним из эффективных методов пайки алюминия является ультразвуковой, пайка с применением УЗ производится без флюса. Введение механических колебаний  ультразвуковой частоты в расплавленный припой в процессе пайки способствует механическому разрушению окисной пленки и облегчает смачивание припоем поверхности.

   Принцип ультразвуковой пайки алюминия заключается в следующем. Между паяльником  и деталью создается слой жидкого расплавленного припоя. Под действием ультразвуковых колебаний в припое возникает кавитация, разрушающая оксидную пленку. Перед пайкой  детали нагревают до температуры, превышающей температуру плавления припоя. Большим преимуществом метода является то, что его можно с успехом применять для пайки керамики и стекла.

                    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

 

Ускорение производственных процессов

с помощью ультразвука

        Применение ультразвука позволяет значительно ускорить смешивание

различных жидкостей и  получить устойчивые эмульсии (даже таких  как вода и ртуть).  Воздействуя ультразвуковыми колебаниями большой интенсивности на жидкости,можно получать тонкодисперсные аэрозоли высокой плотности. Сравнительно недавно начали применять ультразвука для пропитки электротехнических намоточных изделий. Применение ультразвука позволяет сократить время пропитки в 3¸5 раз и заменить 2-3 кратную пропитку одноразовой.  Под действием ультразвука значительно ускоряется процесс гальванического осаждения металлов и сплавов.  Если в расплавленный металл вводить ультразвуковые колебания, заметно измельчается зерно, уменьшается пористость. Ультразвук применяется при обработке металлов и сплавов в твердом состоянии, что приводит к «разрыхлению» структуры и к искусственному их старению. Ультразвук при прессовании металлических порошков обеспечивает получение прессованных изделий более высокой плотности и стабильности размеров.

                         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

 

 

 

Ультразвуковая  дефектоскопия

    

 

   Ультразвуковая дефектоскопия – один из методов неразрушающего контроля.

    Свойство ультразвука распространяться в однородной среде направленно и без существенных затуханий, а на границе раздела двух сред (например, металл – воздух) почти полностью отражаться позволило применить ульразвуковые колебания для выявления дефектов (раковины, трещины, расслоения и т.п.) в металлических деталях без их разрушения.

    При помощи ультразвука можно проверять детали больших размеров, так как глубина проникновения ультразвука в металле достигает 8¸10 м. Кроме того, ультразвуком можно обнаружить очень мелкие дефекты (до 10^-6мм).

ультразвуковые дефектоскопы позволяют выявлять не только образовавшиеся дефекты, но и определять момент повышенной усталости металла.

    Существует несколько методов ультразвуковой дефектоскопии, основными из которых являются теневой, импульсный, резонансный, метод структурного анализа, ультразвуковой визуализации.

Теневой метод основан  на ослаблении проходящих ультразвуковых волн при наличии внутри детали дефектов, создающих ультразвуковую тень. При этом методе используется два преобразователя. Один из них излучает ультразвуковые колебания, другой принимает их (рис. 5). Теневой метод малочувствителен, дефект можно обнаружить если вызываемое им изменение сигнала составляет не менее 15¸20%.

      Существенный недостаток теневого метода в том, что он не позволяет определить на какой глубине находится дефект.

    

           

16

Ультразвук в  радиоэлектронике

     В радиоэлектронике часто возникает необходимость задержать один электрический сигнал относительно другого. Удачное решение нашли ученые, предложив ультразвуковые линии задержки (ЛЗ). Действие их основано на преобразовании электрических импульсов в импульсы ультразвуковых механических колебаний, скорость распространения которых значительно меньше скорости распространения электромагнитных колебаний.  После обратного преобразования механических колебаний в электрические импульс напряжения на выходе линии будет задержан относительно входного импульса. Для преобразования электрических колебаний в механические и обратно используют магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи.Соответственно этому ЛЗ подразделяются на магнитострикционные и пьезоэлектрические.

     Магнитострикционная ЛЗ состоит из входного и выходного преобразователей, магнитов, звукопровода и поглотителей. Входной преобразователь состоит из катушки, по которой протекает ток входного сигнала, участка звукопровода из магнитострикционного материала, в котором возникают механические колебания ультразвуковой частоты, и магнита, создающего постоянное подмагничивание зоны преобразования. Выходной преобразователь по устройству почти не отличается от входного.

      Звукопровод представляет собой стержень из магнитострикционного материала, в котором возбуждаются ультразвуковые колебания, распространяющиеся со скоростью примерно 5000 м/с. для задержки импульса, например, на 100 мкс длина звукопровода должна быть около 43 см. Магнит нужен для создания начальной магнитной индукции и подмагничивания зоны преобразования. Поглотители для уменьшения уровня паразитных отраженных сигналов

располагаются на обоих концах звукопровода.

       Принцип действия магнитострикционной ЛЗ основан на изменении размеров ферромагнитных материалов под воздействием магнитного поля. Механическое возмущение, вызванное магнитным полем катушки входного преобразователя, передается по звокопроводу и, дойдя до катушки выходного преобразователя, наводит в ней электродвижущую силу.

      Пьезоэлектрические ЛЗ устроены следующим образом. На пути электрического сигнала ставят пьезоэлектрический преобразователь (пластинку кварца), который жестко соединен с металлическим стержнем (звукопроводом). Ко второму концу стержня прикреплен второй пьезоэлектрический преобразователь. Сигнал, подойдя к входному преобразователю, вызывает механические колебания ультразвуковой частоты, которые затем распространяются в звукопроводе. Достигнув второго преобразователя, ультразвуковые колебания вновь преобразуются в электрические. Но так как скорость распространения ультразвук в звукопроводе значительно меньше скорости меньше скорости распространения электрического сигнала, сигнал, на пути которого был звукопровод, отстает от другого на величину, равную разности скорости распространения ультразвука и электромагнитных сигналов на определенном участке.

17

 

Ультразвук в  медицине

 

     Применение ультразвука для активного воздействия на живой организм в медицине основывается на эффектах, возникающих в биологических тканях при прохождении через них ультразвуковых волн. Колебания частиц среды в волне вызывают своеобразный микромассаж тканей, поглощение ультразвука – локальное нагревание их. Одновременно под действием ультразвука происходят физико-химические превращения в биологических средах.