Що таке ультразвук і чим він корисний
Що таке ультразвук
Ультразвукові хвилі (нечутний звук) за своєю природою не відрізняються від хвиль чутного діапазону і підкоряються тим же фізичним законам. Але у ультразвуку є специфічні особливості, які визначили його широке застосування в науці і техніці.
Ось основні з них:
- Мала довжина хвилі. Для найнижчого УЗ діапазону довжина хвилі не перевищує в більшості середовищ декількох сантиметрів. Мала довжина хвилі обумовлює променевої характер поширення УЗ хвиль. Поблизу випромінювача УЗ поширюється у вигляді пучків, за розміром близьких до розміру випромінювача. Потрапляючи на неоднорідності в середовищі, УЗ пучок поводиться, як світловий промінь відчуваючи відображення, заломлення, розсіювання, що дозволяє в оптично непрозорих середовищах формувати звукові зображення, використовуючи чисто оптичні ефекти (фокусування, дифракцію і ін.)
- Малий період коливань, що дозволяє випромінювати ультразвук у вигляді імпульсів і здійснювати в середовищі точну тимчасову селекцію розповсюджуються сигналів.
- Можливість отримання високих значень інтенсивності коливань при малій амплітуді, тому що енергія коливань пропорційна квадрату частоти. Це дозволяє створювати УЗ пучки і поля з високим рівнем енергії, не вимагаючи при цьому великогабаритної апаратури.
- В ультразвуковому полі розвиваються значні акустичні течії, тому вплив ультразвуку на середу породжує специфічні фізичні, хімічні, біологічні та медичні ефекти, такі як кавітація, капілярний ефект, диспергування, емульгування, дегазація, знезараження, локальний нагрів і багато інших.
Історія ультразвуку
Увага до акустики було викликано потребами морського флоту провідних держав - Англії і Франції, тому що акустичний - єдиний вид сигналу, здатний далеко поширюватися в воді. У 1826 році французький учений Колладон визначив швидкість звуку у воді. Експеримент Колладона вважається народженням сучасної гідроакустики. Удар в підводний дзвін у Женевському озері відбувався з одночасним підпалом пороху. Спалах від пороху спостерігалася Колладон на відстані 10 миль. Він також чув звук дзвону за допомогою підводного слухової труби. Вимірюючи часовий інтервал між цими двома подіями, Колладон обчислив швидкість звуку - 1435 м / сек. Різниця з сучасними обчисленнями тільки 3 м / сек.
У 1838 році, в США, звук вперше застосували для визначення профілю морського дна. Джерелом звуку, як і в досвіді Колладона, був дзвін, що звучить під водою, а приймачем великі слухові труби, опускалися за борт. Результати експерименту були невтішними - звук дзвону, також як і підрив в воді порохових патронів, давав дуже слабке відлуння, майже не чутне серед інших звуків моря. Треба було йти в область більш високих частот, що дозволяють створювати спрямовані звукові пучки.
Перший генератор ультразвуку зробив в 1883 році англієць Гальтон. Ультразвук створювався подібно звуку високого тону на вістрі ножа, коли на нього потрапляє потік повітря. Роль такого вістря в свистку Гальтона грав циліндр з гострими краями. Повітря (або інший газ), що виходить під тиском через кільцеве сопло, діаметром таким же, як і кромка циліндра, набігав на неї і виникали високочастотні коливання. Продуваючи свисток воднем, вдалося отримати коливання до 170 кГц.
У 1880 році П'єр і Жак Кюрі зробили вирішальний для ультразвукової техніки відкриття. Брати Кюрі помітили, що при чиненні тиску на кристали кварцу генерується електричний заряд, прямо пропорційний прикладається до кристалу силі. Це явище було названо «п'єзоелектрику» від грецького слова, що означає «натиснути». Крім того, вони продемонстрували зворотний п'єзоелектричний ефект, який проявлявся тоді, коли швидко змінюється електричний потенціал застосовувався до кристалу, викликаючи його вібрацію. Відтепер з'явилася технічна можливість виготовлення малогабаритних випромінювачів і приймачів ультразвуку.
Загибель «Титаніка» від зіткнення з айсбергом, необхідність боротьби з новою зброєю - підводними човнами вимагали швидкого розвитку ультразвукової гідроакустики. У 1914 році, французький фізик Поль Ланжевен спільно з українським вченим, які жили в Швейцарії - Костянтином Шиловським вперше розробили гідролокатор, що складається з випромінювача ультразвуку і гідрофону - приймача УЗ коливань, заснований на п'єзоефекті. Гідролокатор Ланжевена - Шиловського, був першим ультразвуковим пристроєм, що застосовувався на практиці. Також на початку століття український вчений С.Я.Соколов розробив основи ультразвукової дефектоскопії в промисловості. У 1937 році німецький лікар-Упсіхіатр Карл Дуссік, разом з братом Фрідріхом, фізиком, вперше застосували ультразвук для виявлення пухлин головного мозку, але результати отримані ними виявилися недостовірними. У медичній діагностиці ультразвук почав застосовуватися тільки з 50-х років XX-го століття в США.
застосування ультразвуку
Різноманітні застосування ультразвуку можна умовно розділити на три напрямки:
- отримання інформації за допомогою ультразвуку
- вплив на речовина, істота
- обробка та передача сигналів
Залежність швидкості поширення і затухання акустичних хвиль від властивостей речовини і процесів в них відбуваються, використовується для:
- контролю протікання хімічних реакцій, фазових переходів, полімеризації і ін.
- визначення міцності і складу матеріалів,
- визначення наявності домішок,
- визначення швидкості течії рідини і газу
За допомогою ультразвуку можна прати, відлякувати гризунів, використовувати в медицині, перевіряти різні матеріали на наявність дефектів і ще багато чого цікавого.
Сучасні прилади використовують ультразвук
Деякі ці прилади дуже прості у використанні і є необхідними в побуті: