Das 21. Jahrhundert ist das Jahrhundert der Funkelektronik, des Atoms, der Weltraumforschung und des Ultraschalls. Die Wissenschaft des Ultraschalls ist heute relativ jung. Ende des 19. Jahrhunderts führte P. N. Lebedev, ein russischer Physiologe, seine ersten Studien durch. Danach begannen viele bedeutende Wissenschaftler, Ultraschall zu studieren.
Was ist Ultraschall?
Ultraschall ist eine sich ausbreitende wellenförmige Schwingungsbewegung, die die Partikel des Mediums machen. Es hat seine eigenen Eigenschaften, in denen es sich von den Klängen des hörbaren Bereichs unterscheidet. Im Ultraschallbereich ist es relativ einfach, gerichtete Strahlung zu erh alten. Darüber hinaus fokussiert es gut, wodurch die Intensität der erzeugten Schwingungen zunimmt. Bei der Ausbreitung in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen führt Ultraschall zu interessanten Phänomenen, die in vielen Bereichen der Technik und Wissenschaft praktische Anwendung gefunden haben. Das ist Ultraschall, dessen Rolle in verschiedenen Lebensbereichen heute sehr groß ist.
Die Rolle des Ultraschalls in Wissenschaft und Praxis
Ultraschall begann in den letzten Jahren in der wissenschaftlichen Forschung zu spieleneine immer wichtigere Rolle. Experimentelle und theoretische Studien auf dem Gebiet der akustischen Strömungen und der Ultraschallkavitation wurden erfolgreich durchgeführt, was es den Wissenschaftlern ermöglichte, technologische Prozesse zu entwickeln, die auftreten, wenn sie Ultraschall in der flüssigen Phase ausgesetzt werden. Es ist eine leistungsstarke Methode zum Studium verschiedener Phänomene in einem Wissensgebiet wie der Physik. Ultraschall wird beispielsweise in der Halbleiter- und Festkörperphysik eingesetzt. Heute bildet sich ein eigener Zweig der Chemie heraus, die „Ultraschallchemie“. Seine Anwendung ermöglicht die Beschleunigung vieler chemisch-technologischer Prozesse. Auch die Molekularakustik war geboren – ein neuer Zweig der Akustik, der die molekulare Wechselwirkung von Schallwellen mit Materie untersucht. Neue Anwendungsgebiete des Ultraschalls sind entstanden: Holographie, Introskopie, Akustikelektronik, Ultraschall-Phasenmessung, Quantenakustik.
Neben experimenteller und theoretischer Arbeit auf diesem Gebiet wurde heute viel praktische Arbeit geleistet. Es wurden spezielle und universelle Ultraschallmaschinen entwickelt, Anlagen, die unter erhöhtem statischen Druck arbeiten usw. In die Produktion wurden automatische Ultraschallanlagen integriert in Produktionslinien eingeführt, die die Arbeitsproduktivität erheblich steigern können.
Mehr über Ultraschall
Lassen Sie uns mehr darüber sprechen, was Ultraschall ist. Wir haben bereits gesagt, dass es sich um elastische Wellen und Schwingungen handelt. Die Ultraschallfrequenz beträgt mehr als 15-20 kHz. Die subjektiven Eigenschaften unseres Gehörs bestimmen die untere Grenze der Ultraschallfrequenzen, dietrennt sie von der Frequenz des hörbaren Schalls. Diese Grenze ist daher bedingt, und jeder von uns definiert anders, was Ultraschall ist. Die Obergrenze wird durch elastische Wellen, ihre physikalische Natur, angegeben. Sie breiten sich nur in einem materiellen Medium aus, dh die Wellenlänge muss deutlich größer sein als die mittlere freie Weglänge der im Gas vorhandenen Moleküle oder die Atomabstände in Festkörpern und Flüssigkeiten. Bei Normaldruck in Gasen beträgt die Obergrenze der Ultraschallfrequenzen 109 Hz und in Feststoffen und Flüssigkeiten - 1012-10 13 Hz.
Ultraschallquellen
Ultraschall findet sich in der Natur sowohl als Bestandteil vieler natürlicher Geräusche (Wasserfall, Wind, Regen, von der Brandung gerollte Kieselsteine, als auch in Begleitgeräuschen von Gewittern etc.) als auch als integraler Bestandteil von die Tierwelt. Einige Tierarten verwenden es zur Orientierung im Weltraum und zur Erkennung von Hindernissen. Es ist auch bekannt, dass Delphine in der Natur Ultraschall verwenden (hauptsächlich Frequenzen von 80 bis 100 kHz). Dabei kann die Leistung der von ihnen ausgesendeten Ortungssignale sehr groß sein. Es ist bekannt, dass Delfine Fischschwärme in einer Entfernung von bis zu einem Kilometer erkennen können.
Sender (Quellen) von Ultraschall werden in 2 große Gruppen eingeteilt. Die erste sind Generatoren, bei denen Schwingungen aufgrund des Vorhandenseins von Hindernissen angeregt werden, die im Weg eines konstanten Flusses installiert sind - eines Flüssigkeits- oder Gasstrahls. Die zweite Gruppe, zu der Ultraschallquellen zusammengefasst werden können, istelektroakustische Wandler, die gegebene Schwankungen von Strom oder elektrischer Spannung in eine mechanische Schwingung umwandeln, die von einem Festkörper erzeugt wird, der Schallwellen in die Umgebung abstrahlt.
Ultraschallempfänger
Bei mittleren und niedrigen Frequenzen sind Ultraschallempfänger meistens piezoelektrische elektroakustische Wandler. Sie können die Form des empfangenen akustischen Signals wiedergeben, dargestellt als Zeitabhängigkeit des Schalldrucks. Geräte können entweder breitbandig oder resonant sein, abhängig von den Anwendungsbedingungen, für die sie bestimmt sind. Thermische Empfänger werden verwendet, um zeitlich gemittelte Schallfeldeigenschaften zu erh alten. Sie sind Thermistoren oder Thermoelemente, die mit einer schallabsorbierenden Substanz beschichtet sind. Schalldruck und -intensität können auch durch optische Verfahren, wie z. B. die Beugung von Licht durch Ultraschall, abgeschätzt werden.
Wo wird Ultraschall eingesetzt?
Es gibt viele Anwendungsgebiete, wobei verschiedene Funktionen des Ultraschalls verwendet werden. Diese Bereiche lassen sich grob in drei Bereiche unterteilen. Der erste von ihnen ist mit der Gewinnung verschiedener Informationen mittels Ultraschallwellen verbunden. Die zweite Richtung ist sein aktiver Einfluss auf die Substanz. Und der dritte ist mit der Übertragung und Verarbeitung von Signalen verbunden. Dabei wird jeweils US eines bestimmten Frequenzbereichs verwendet. Wir werden nur einige der vielen Bereiche behandeln, in denen es seinen Weg gefunden hat.
Ultraschallreinigung
Die Qualität dieser Reinigung ist mit anderen Methoden nicht zu vergleichen. So verbleiben beim Spülen von Teilen bis zu 80 % der Verunreinigungen auf deren Oberfläche, bei der Vibrationsreinigung etwa 55 %, bei der manuellen Reinigung etwa 20 % und bei der Ultraschallreinigung nicht mehr als 0,5 % der Verunreinigungen. Komplex geformte Details lassen sich nur mit Hilfe von Ultraschall gut reinigen. Ein wichtiger Vorteil seiner Verwendung ist eine hohe Produktivität sowie niedrige Kosten für körperliche Arbeit. Darüber hinaus können Sie teure und brennbare organische Lösungsmittel durch billige und sichere wässrige Lösungen ersetzen, flüssiges Freon verwenden usw.
Ein ernstes Problem ist die Luftverschmutzung durch Ruß, Rauch, Staub, Metalloxide usw. Sie können das Ultraschallverfahren zur Reinigung von Luft und Gas in Gasauslässen verwenden, unabhängig von der Umgebungsfeuchtigkeit und -temperatur. Wenn ein Ultraschallsender in einer Staubabscheidekammer platziert wird, erhöht sich seine Effizienz um das Hundertfache. Was ist die Essenz einer solchen Reinigung? Staubpartikel, die sich zufällig in der Luft bewegen, treffen unter dem Einfluss von Ultraschallschwingungen stärker und häufiger aufeinander. Gleichzeitig nimmt ihre Größe zu, da sie verschmelzen. Koagulation ist der Prozess der Partikelvergrößerung. Spezielle Filter fangen ihre gewichteten und vergrößerten Cluster ein.
Bearbeitung spröder und superharter Werkstoffe
Wenn Sie zwischen dem Werkstück und der Arbeitsfläche des Werkzeugs mit Ultraschall abrasives Material eingeben, dann die abrasiven Partikel während des BetriebsDer Emitter beeinflusst die Oberfläche dieses Teils. In diesem Fall wird das Material zerstört und entfernt, einer Bearbeitung unter der Einwirkung einer Vielzahl von gerichteten Mikrostößen unterzogen. Die Kinematik der Bearbeitung besteht aus der Hauptbewegung - dem Schneiden, dh den Längsschwingungen des Werkzeugs, und der Hilfsbewegung - der Vorschubbewegung, die die Maschine ausführt.
Ultraschall kann verschiedene Aufgaben übernehmen. Bei Schleifkörnern sind Längsschwingungen die Energiequelle. Sie zerstören das verarbeitete Material. Die Vorschubbewegung (Hilfsbewegung) kann kreisförmig, quer und längs erfolgen. Die Ultraschallbearbeitung ist präziser. Je nach Körnung des Schleifmittels liegt sie zwischen 50 und 1 Mikron. Mit Werkzeugen in verschiedenen Formen können Sie nicht nur Löcher machen, sondern auch komplexe Schnitte, gebogene Äxte, Gravuren, Schleifen, Matrizen herstellen und sogar einen Diamanten bohren. Als Schleifmittel verwendete Materialien - Korund, Diamant, Quarzsand, Feuerstein.
Ultraschall in der Funkelektronik
Ultraschall in der Technik wird häufig im Bereich der Funkelektronik eingesetzt. In diesem Bereich wird es oft notwendig, ein elektrisches Signal relativ zu einem anderen zu verzögern. Wissenschaftler haben eine gute Lösung gefunden, indem sie den Einsatz von Ultraschall-Verzögerungsleitungen (kurz LZ) vorgeschlagen haben. Ihre Wirkung beruht darauf, dass elektrische Impulse in mechanische Ultraschallschwingungen umgewandelt werden. Wie passiert es? Tatsache ist, dass die Geschwindigkeit von Ultraschall deutlich geringer ist als die von elektromagnetischen Schwingungen. ImpulsSpannung nach der Rückwandlung in elektrisch-mechanische Schwingungen am Ausgang der Leitung gegenüber dem Eingangsimpuls verzögert.
Piezoelektrische und magnetostriktive Wandler werden verwendet, um elektrische Schwingungen in mechanische umzuwandeln und umgekehrt. LZ sind jeweils in piezoelektrisch und magnetostriktiv unterteilt.
Ultraschall in der Medizin
Verschiedene Arten von Ultraschall werden verwendet, um lebende Organismen zu beeinflussen. In der medizinischen Praxis ist seine Verwendung mittlerweile sehr beliebt. Sie basiert auf den Effekten, die in biologischen Geweben auftreten, wenn Ultraschall sie durchdringt. Die Wellen verursachen Schwankungen in den Partikeln des Mediums, wodurch eine Art Mikromassage des Gewebes entsteht. Und die Absorption von Ultraschall führt zu ihrer lokalen Erwärmung. Gleichzeitig finden in biologischen Medien bestimmte physikalisch-chemische Umwandlungen statt. Diese Phänomene verursachen bei mäßiger Schallintensität keine irreversiblen Schäden. Sie verbessern nur den Stoffwechsel und tragen daher zur Vitalaktivität des ihnen ausgesetzten Körpers bei. Solche Phänomene werden in der Ultraschalltherapie genutzt.
Ultraschall in der Chirurgie
Kavitation und starke Erwärmung bei hohen Intensitäten führen zur Gewebezerstörung. Dieser Effekt wird heute in der Chirurgie genutzt. Bei chirurgischen Eingriffen wird fokussierter Ultraschall verwendet, der eine lokale Zerstörung in den tiefsten Strukturen (z. B. dem Gehirn) ermöglicht, ohne die umliegenden zu schädigen. Ultraschall wird auch in der Chirurgie eingesetztWerkzeuge, bei denen das Arbeitsende wie eine Feile, ein Skalpell oder eine Nadel aussieht. Die ihnen aufgeprägten Schwingungen verleihen diesen Instrumenten neue Qualitäten. Die erforderliche Kraft wird erheblich reduziert, daher wird die Traumatisierung der Operation reduziert. Darüber hinaus zeigt sich eine analgetische und hämostatische Wirkung. Der Schlag mit einem stumpfen Instrument unter Verwendung von Ultraschall wird verwendet, um bestimmte Arten von Neoplasmen zu zerstören, die im Körper aufgetreten sind.
Einwirkung auf biologisches Gewebe wird durchgeführt, um Mikroorganismen zu zerstören und wird bei Sterilisationsprozessen von Arzneimitteln und medizinischen Instrumenten verwendet.
Forschung der inneren Organe
Wir sprechen hauptsächlich über das Studium der Bauchhöhle. Dazu wird ein spezieller Apparat verwendet. Ultraschall kann verwendet werden, um verschiedene Gewebe- und anatomische Anomalien zu finden und zu erkennen. Die Herausforderung besteht oft darin, dass ein Malignom vermutet wird und von einer gutartigen oder infektiösen Läsion unterschieden werden muss.
Ultraschall ist nützlich bei der Untersuchung der Leber und für andere Aufgaben, darunter die Erkennung von Verstopfungen und Erkrankungen der Gallengänge sowie die Untersuchung der Gallenblase, um das Vorhandensein von Steinen und anderen Pathologien darin zu erkennen. Darüber hinaus können Tests auf Zirrhose und andere diffuse gutartige Lebererkrankungen durchgeführt werden.
Im Bereich der Gynäkologie, hauptsächlich bei der Analyse der Eierstöcke und der Gebärmutter, wird Ultraschall schon lange eingesetztdie Hauptrichtung, in der sie besonders erfolgreich durchgeführt wird. Oft ist auch hier eine Differenzierung von gutartigen und bösartigen Formationen erforderlich, was meist den besten Kontrast und die beste räumliche Auflösung erfordert. Ähnliche Schlussfolgerungen können bei der Untersuchung vieler anderer innerer Organe nützlich sein.
Der Einsatz von Ultraschall in der Zahnheilkunde
Ultraschall hat auch Einzug in die Zahnheilkunde geh alten, wo er zur Entfernung von Zahnstein eingesetzt wird. Es ermöglicht Ihnen eine schnelle, unblutige und schmerzlose Entfernung von Plaque und Steinen. Gleichzeitig wird die Mundschleimhaut nicht verletzt und die "Taschen" der Höhle desinfiziert. Statt Schmerzen verspürt der Patient ein Wärmegefühl.
