ультразвук

Ультразвук у до, пружні коливання і хвилі з частотами приблизно від 1,5- 2 × 104 гц (15-20 кГц) і до 109 гц (1 Ггц), область частот В. від 109 до 1012-13 гц прийнято називати гіперзвуком . Область частот В. можна поділити на три підобласті: В. низьких частот (1,5 × 104-105 гц) - УНЧ, У. середніх частот (105 - 107 гц) - УСЧ і область високих частот У. (107-109 гц ) - УЗВЧ. Кожна з цих підобластей характеризується своїми специфічними особливостями генерації, прийому, поширення і застосування.

Фізичні властивості і особливості поширення ультразвуку. По своїй фізичній природі В. є пружні хвилі і в цьому він не відрізняється від звуку . Частотна межа між звуковими і ультразвуковими хвилями тому умовний; вона визначається суб'єктивними властивостями людського слуху і відповідає усередненої верхній межі чутного звуку. Проте завдяки вищим частотам і, отже, малим довжинах хвиль має місце ряд особливостей поширення В. Так, для УЗВЧ довжини хвиль в повітрі складають 3,4 × 10-3-3,4 × 10-5 см, у воді 1,5 × 10-2-1,5 × 1 0-4 см і в стали 5 × 10-2- 5 × 10-4 см. У. в газах і, зокрема, в повітрі поширюється з великим загасанням (див. поглинання звуку ). Рідини і тверді тіла (особливо монокристали) є, як правило, хороші провідники В., загасання в яких значно менше. Так, наприклад, у воді загасання В. за інших рівних умов приблизно в 1000 разів менше, ніж в повітрі. Тому області використання УСЧ і УЗВЧ відносяться майже виключно до рідин і твердих тіл, а в повітрі і газах застосовують лише УНЧ. Зважаючи на малу довжини хвилі У. на характері його поширення позначається молекулярна структура середовища, тому, вимірюючи швидкість У. з і коефіцієнт поглинання a, можна судити про молекулярні властивості речовини. Цими питаннями займається молекулярна акустика . Характерна особливість поширення В. у газах і рідинах - існування виразно виражених областей дисперсії, що супроводжується різким зростанням його поглинання (див. дисперсія звуку ). Коефіцієнт поглинання В. у ряді рідин істотно перевершує розрахований по класичній теорії і не виявляє передбаченого цією теорією збільшення, пропорційного квадрату частоти. Всі ці ефекти знаходять пояснення в релаксаційної теорії (див. релаксація ), Яка описує поширення У. в будь-яких середовищах і є теоретичною базою сучасної молекулярної акустики, а основний експериментальний метод - вимір залежності з і особливо a від частоти і від зовнішніх умов (температури, тиску та ін.).

Сукупність ущільнень і розрідження, що супроводжує поширення ультразвукової хвилі, являє собою своєрідну решітку, дифракцію світлових хвиль на якій можна спостерігати в оптично прозорих тілах. Мала довжина ультразвукових хвиль є основою для того, щоб розглядати їх поширення в ряді випадків методами геометричній акустики . Фізично це призводить до променевої картини поширення. Звідси випливають такі властивості В., як можливість геометричного віддзеркалення і заломлення, а також фокусування звуку (Рис. 1).

Наступна важлива особливість У, - можливість отримання великої інтенсивності навіть при порівняно невеликих амплітудах коливань, так як при даній амплітуді щільність потоку енергії пропорційна квадрату частоти. Ультразвукові хвилі великої інтенсивності супроводжуються низкою ефектів, які можуть бути описані лише законами нелінійної акустики . Так, поширенню ультразвукових хвиль в газах і в рідинах супроводить рух середовища, яке називають акустичним плином (рис. 2). Швидкість акустичного течії залежить від в'язкості середовища, інтенсивності В. і його частоти; взагалі кажучи, вона мала і складає долі% від швидкості У.

До числа важливих нелінійних явищ, що виникають при поширенні інтенсивного В. у рідинах, відноситься акустична кавітація - зростання в ультразвуковому полі бульбашок з наявних субмикроскопических зародків газу або пари в рідинах до розмірів в долі мм, які починають пульсувати з частотою В. і закриваються в позитивній фазі тиску. При закритті бульбашок газу виникають великі локальні тиску порядку тисяч атмосфер, утворюються сферичні ударні хвилі. Біля пульсуючих бульбашок утворюються акустичні мікропотоки. Явища в кавітаційному полі призводять до ряду як корисних (отримання емульсій, очищення забруднених деталей і ін.), Так і шкідливих (ерозія випромінювачів В.) явищ. Частоти У., при яких використовується ультразвукова кавітація в технологічних цілях, лежать в області УНЧ. Інтенсивність, відповідна порогу кавітації, залежить від роду рідини, частоти звуку, температури і ін. Чинників. У воді на частоті 20 кГц вона становить близько 0,3 вт / см2. На частотах діапазону УСЧ в ультразвуковому полі з інтенсивністю від декількох вт / см2 може виникнути фонтанування рідини (рис. 3) і розпорошення її з утворенням досить дрібнодисперсного туману.

Генерація ультразвуку. Для генерування ультразвукових коливань застосовують різноманітні пристрої, які можуть бути розбиті на 2 основні групи - механічні, в яких джерелом В. є механічна енергія потоку газу або рідини, і електромеханічні, в яких ультразвукова енергія виходить перетворенням електричної. Механічні випромінювачі У.- повітря і рідинні свистки і сирени - відрізняються порівняльною простотою пристрої і експлуатації, не вимагають дорогої електричної енергії високої частоти, ккд їх становить 10-20%. Основний недолік всіх механічних ультразвукових випромінювачів - порівняно широкий спектр випромінюваних частот і нестабільність частоти і амплітуди, що не дозволяє їх використовувати для контрольно-вимірювальних цілей; вони застосовуються головним чином в промисловій ультразвукової технології і частково - як засоби сигналізації.

Основний метод випромінювання У.- перетворення той чи інший спосіб електричних коливань в коливання механічні. У діапазоні УНЧ можливе застосування електродинамічних і електростатичних випромінювачів. Широке застосування в цьому діапазоні частот знайшли випромінювачі В., що використовують магнітострикційні ефект (див. магнітострикція ) В нікелі і в ряді спеціальних сплавів, також в ферритах . Для випромінювання УСЧ і УЗВЧ використовується головним чином явище п'єзоелектрики . основними п'єзоелектричними матеріалами для випромінювачів В. служать пьезокварц, ніобат літію, дигідрофосфат калію, а в діапазоні УНЧ і УСЧ - головним чином різні пьезокерамические матеріали. Магнітострикційні випромінювачі є сердечник стрижневий або кільцевої форми з обмоткою, по якій протікає змінний струм, а п'єзоелектричні - пластинку (рис. 4) або стрижень з п'єзоелектричного матеріалу з металевими електродами, до яких прикладається змінна електрична напруга. У діапазоні УНЧ широкого поширення набули складові пьезоізлучатель, в яких п'єзокерамічним пластинка затискається між металевими блоками. Як правило, для збільшення амплітуди коливань і випромінюваної в середу потужності застосовуються коливання магнітострикційних і п'єзоелектричних елементів на їх власній резонансній частоті.

Гранична інтенсивність випромінювання В. визначається характеристиками міцності і нелінійними властивостями матеріалу випромінювачів, а також особливостями використання випромінювачів. Діапазон інтенсивності при генерації В. у області УСЧ надзвичайно широкий: інтенсивності від 10-14-10-15 Вт / см2 до 0,1 Вт / см2 вважаються малими. Для багатьох цілей необхідно отримати набагато більші інтенсивності, ніж ті, які можуть бути отримані з поверхні випромінювача. У цих випадках можна скористатися фокусуванням В. Так, в фокусі параболоїда, внутрішні стінки якого виконані з мозаїки кварцевих пластинок або з п'єзокераміки титаната барію, на частоті 0,5 мгц удається отримувати у воді інтенсивності У. більші, ніж 105 Вт / см2. Для збільшення амплітуди коливань твердих тіл в діапазоні УНЧ часто користуються стрижневими ультразвуковими концентраторами (див. концентратор акустичний ), Що дозволяють отримувати амплітуди зсуву до 10-4 см.

Вибір методу генерації В. залежить від області частот В., характеру середовища (газ, рідина, тверде тіло), типу пружних хвиль і необхідної інтенсивності випромінювання.

Прийом і виявлення ультразвука. Внаслідок оборотності п'єзоефекту він широко застосовується і для прийому У. Вивчення ультразвукового поля може вироблятися і оптичними методами: В., поширюючись в якому-небудь середовищі, викликає зміну її оптичного показника заломлення, завдяки чому його можна візуалізувати, якщо середовище прозоре для світла. Суміжна область акустики і оптики (акустооптика) отримала великий розвиток, особливо після появи газових лазерів безперервної дії; розвинулися дослідження по дифракції світла на У. і її різним вживанням.

Застосування ультразвуку. Застосування У. надзвичайно різноманітні. У. служить потужним методом дослідження різних явищ в багатьох областях фізики. Так, наприклад, ультразвукові методи застосовуються у фізиці твердого тіла і фізики напівпровідників; виникла ціла нова галузь фізики - акусто-електроніка, на основі досягнень якої розробляються різні прилади для обробки сигнальної інформації в мікроелектроніці. У. грає велику роль у вивченні речовини. Поряд з методами молекулярної акустики для рідин і газів, в області вивчення твердих тіл вимір швидкості з і коефіцієнтом поглинання a використовуються для визначення модулів пружності і дисипативних характеристик речовини. Отримала розвиток квантова акустика, що вивчає взаємодію квантів пружних збурень - фононів - з електронами , магнонами та ін. квазічастинками і елементарними збудженнями в твердих тілах. У. широко застосовується в техніці, а також ультразвукові методи все більше проникають в біологію і медицину.

Вживання В. у техніке.По даними вимірів з і a, в багатьох технічних завданнях здійснюється контроль за протіканням того чи іншого процесу (контроль концентрації суміші газів, складу різних рідин і т.д.). Використовуючи явище віддзеркалення В. на кордоні різних середовищ, конструюють ультразвукові прилади для вимірювання розмірів виробів (наприклад, ультразвукові товщиноміри), для визначення рівня рідини в великих, недоступних для прямого виміру ємкостях. У. порівняно малої інтенсивності (до ~ 0,1 вт / см2) широко використовується для цілей неруйнівного контролю виробів з твердих матеріалів (рейок, крупних виливків, якісного прокату і т.д.) (див. Послуги з дефектоскопії ). Швидко розвивається напрямок дефектоскопії, що отримало назву акустичної емісії, яка полягає в тому, що при додатку механічної напруги до зразка (конструкції) твердого тіла він «потріскує» (подібно до того, як при вигині «потріскує» олов'яний стрижень). Це пояснюється тим, що в зразку виникає рух дислокацій , Які при певних умовах (до кінця ще поки не з'ясованих) стають джерелами (так само, як і сукупність дислокацій і субмикроскопических тріщин) акустичних імпульсів із спектром, що містить частоти У. За допомогою акустичної емісії вдається виявити утворення і розвиток тріщини, а також визначити її місцезнаходження в відповідальних деталях різних конструкцій. При допомозі В. здійснюється звукобачення : Перетворюючи ультразвукові коливання в електричні, а останні - в світлові, виявляється можливим при допомозі В. бачити ті чи інші предмети в непрозорій для світла середовищі. На частотах УЗВЧ діапазону створений ультразвуковий мікроскоп - прилад, аналогічний звичайному мікроскопу, перевага якого перед оптичним полягає і тому, що при біологічних дослідженнях не вимагається попереднього фарбування предмета (рис. 5). розвиток голографії призвело до певних успіхів в області ультразвукової голографії.

Дуже важливу роль В. грає в гидроакустике , Оскільки пружні хвилі є єдиним видом хвиль, добре що поширюється в морській воді. На принципі відображення ультразвукових імпульсів від перешкод, що виникають на шляху їх поширення, будується робота таких приладів, як ехолот , гідролокатор .

У. великої інтенсивності (головним чином діапазон УНЧ) надає дію на протікання тих чи інших технологічних процесів (див. ультразвукова обробка ) За допомогою нелінійних ефектів - кавітації, акустичних потоків і ін. Так, за допомогою потужного У. прискорюється ряд процесів тепло- і масообміну в металургії. Вплив ультразвукових коливань безпосередньо на розплави дозволяє отримати більш мелкокристаллическую і однорідну структуру металу. Ультразвукова кавітація широко використовується для очищення від забруднень як дрібних (годинне виробництво, приладобудування, електронна техніка), так і великих виробничих деталей (трансформаторне залізо, прокат і ін.). За допомогою В. удається здійснити пайку алюмінієвих виробів. У мікроелектроніці і напівпровідниковій техніці використовується ультразвукова приварка тонких провідників до напиляним металевим плівкам і безпосередньо до напівпровідників. За допомогою ультразвукового зварювання з'єднують пластмасові деталі, полімерні плівки, синтетичні тканини і ін. У всіх цих випадках ту або іншу роль грає процес ультразвукового очищення, локальне нагрівання під дією В., прискорення процесів дифузії, зміна стану полімеру. У. дозволяє обробляти крихкі деталі (наприклад, скло, кераміку), а також деталі складної конфігурації (рис. 6). У цих процесах основну роль грають удари ультразвукового інструменту з крупинок абразивної суспензії.

В. А. Красильников.

У. в біології - біологічна дія У.Прі дії У. на біологічні об'єкти в опромінюваних органах і тканинах на відстанях, рівних половині довжини хвилі, можуть виникати різниці тиску від одиниць до десятків атмосфер. Настільки інтенсивні дії приводять до різноманітних біологічних ефектів, фізична природа яких визначається спільною дією механічних, теплових і фізико-хімічних явищ, супутніх поширенню В. у середовищі. Біологічна дія У., тобто зміни, що викликаються в життєдіяльності і структурах біологічних об'єктів при впливі на них У., визначається головним чином інтенсивністю В. і тривалістю опромінення і може здійснювати як позитивний, так і негативний вплив на життєдіяльність організмів. Так, що виникають при порівняно невеликих інтенсивностях В. (до 1-2 вт / см2) механічні коливання частинок виробляють своєрідний мікро-масаж тканин, що сприяє кращому обміну речовин і кращому постачанню тканин кров'ю і лімфою. Підвищення інтенсивності В. може привести до виникнення в біологічних середовищах акустичної кавітації, що супроводжується механічним руйнуванням клітин і тканин (кавітаційними зародками служать наявні в біологічних середовищах газові бульбашки).

При поглинанні В. у біологічних об'єктах відбувається перетворення акустичної енергії в теплову. Локальний нагрів тканин на долі і одиниці градусів, як правило, сприяє життєдіяльності біологічних об'єктів, підвищуючи інтенсивність процесів обміну речовин. Однак більш інтенсивні і тривалі дії можуть привести до перегріву біологічних структур і їх руйнування (денатурація білків і ін.).

В основі біологічної дії В. можуть лежати також вторинні фізико-хімічні ефекти. Так, при утворенні акустичних потоків може відбуватися перемішування внутріклітинних структур. Кавітація приводить до розриву молекулярних зв'язків в біополімерах та ін. життєво важливих з'єднаннях і до розвитку окислювально-відновних реакцій. У. підвищує проникність біологічних мембран , Внаслідок чого відбувається прискорення процесів обміну речовин через дифузії. Всі перераховані фактори в реальних умовах діють на біологічні об'єкти в тому чи іншому поєднанні спільно, і тому важко, а часом неможливо окремо досліджувати процеси, що мають різну фізичну природу.

Л. Р. Гаврилов.

У. в медицині. В. вікорістовується для діагностики, терапевтичного та хірургічного лікування в різніх областях КЛІНІЧНОЇ медицини. Здатність В. без істотного поглінання пронікаті в м'які тканини організму и відбіватіся від акустичних неоднорідностей вікорістовується для дослідження внутрішніх ОРГАНІВ. Ультразвукові методи діагностики в ряді віпадків дозволяють більш тонко розрізняті структуру тканин, чем рентгенівські. Так, за помощью У. віявляються пухлини м'яких тканин, часто Вже НЕ помітні ін. Способами. У. застосовують в акушерстві для діагностічного дослідження плоду (рис. 7) i вагітної жінки, в нейрохірургії - для розпізнавання пухлина в головному мозком ( ехоенцефалографія ), В кардіології - для Вивчення гемодинаміки, виявлення гіпертрофії м'яза серця. Мікромасаж тканин, активація процесів обміну і локальне нагрівання тканин під дією В. використовуються в медицині для терапевтичних цілей (див. ультразвукова терапія ).

Ультразвукова хірургія підрозділяється на два різновиди, одна з яких пов'язана з руйнуванням тканин власне звуковими коливаннями, а друга - з накладенням ультразвукових коливань на хірургічний інструмент. У першому випадку застосовується фокусований У. з частотами порядку 106- 107 гц, в другому - коливання на частотах 20-75 кГц з амплітудою 10-50 мкм. Ультразвукові інструменти застосовуються для розтину м'яких і кісткових тканин, дозволяючи при цьому істотно зменшувати зусилля різання, крововтрати і больові відчуття. У травматології і ортопедії В. використовують для зварювання зламаних кісток: при цих операціях кістковою стружкою, змішаною з рідкою пластмасою, заповнюють простір між кістковими уламками; під дією В. утворюється їх з'єднання.

В. застосовується також в біологічній і медичній лабораторній практиці, зокрема - для диспергування біологічних структур, для відносно тонких дій на структуру клітин, при стерилізації інструментів і лікарських речовин, для виготовлення аерозолів, а також в бактеріології, імунології і т.д. для отримання ферментів і антигенів з бактерій і вірусів, вивчення морфологічних особливостей і антигенної активності бактеріальних клітин та ін.

У. в пріроде.Целий ряд тварин здатний сприймати і випромінювати частоти пружних хвиль значно вище 20 кГц. Так, птиці хворобливо реагують на ультразвукові частоти більше 25 кгц, що використовується, наприклад, для відлякування чайок від водоймищ з питною водою. Дрібні комахи при своєму польоті створюють ультразвукові хвилі. Кажани, маючи зовсім слабкий зір, або зовсім не маючи його, орієнтуються в польоті і ловлять видобуток методом ультразвукової локації. Вони випромінюють своїм голосовим апаратом ультразвукові імпульси (рис. 8) з частотою повторення декілька гц і частотою 50-60 кГц. Дельфіни випромінюють і сприймають В. до частот 170 кГц; метод ультразвукової локації у них розвинений, мабуть, ще досконаліше, ніж у кажана.

Вивченням В. і його застосуванням займається велика кількість різних інститутів і лабораторій як в нашій країні, так і за кордоном. Такі лабораторії є в акустичному інституті АН СРСР, інституті радіотехніки й електроніки АН СРСР, на фізичних факультетах МГУ, ЛДУ і ін. Університетів СРСР, в Каліфорнійському, Станфордском, Браунівському і ін. Університетах США, в лабораторіях фірми «Белл систем» в США, в інститутах і університетських лабораторіях Англії, Японії, Франції, ФРН, Італії та ін. Основні роботи по У. друкуються в акустичному журналі АН СРСР, журналі Американського акустичного товариства, європейських журналах «Ultrasonics» і «Acustica», а також у багатьох інших физиче ських і технічних журналах.

Історична довідка. Перші роботи по В. були зроблені ще в 19 ст. Французький учений Ф. Савар (1830) намагався встановити верхню межу по частоті чутності вуха людини; вивченням У. займалися англійський учений Ф. Гальтон (1883), німецький фізик В. Він (1903), російський фізик П. Н. Лебедєв і його учні (1905). Істотний внесок був зроблений французьким фізиком П. Ланжевеном (1916), який вперше використав п'єзоелектричні властивості кварцу для випромінювання і прийому В. при виявленні підводних човнів і вимірах глибин моря. Г. В. Пірс в США (1925) створив прилад для вимірювання з великою точністю швидкості і поглинання В. у газах і рідинах (так званий інтерферометр Пірсу). Р. Вуд (США) (1927) домігся рекордних для свого часу інтенсивностей В. у рідині, спостерігав ультразвуковий фонтан і досліджував вплив У. на живі організми. Радянський учений С. Я. Соколов в 1928 поклав початок ультразвукової дефектоскопії металевих виробів, запропонувавши використовувати В. для виявлення тріщин, раковин і ін. Дефектів в твердих тілах.

У 1932 Р. Люка і П. Бікар у Франції, П. Дебай і Ф. В. Сірс в Німеччині виявили явище дифракції світла на ультразвукових хвилях, яке далі починає відігравати велику роль у вивченні структури рідких і твердих тіл, а також в ряді технічних додатків. На початку 30-х рр. Х. О. Кнезером в Німеччині було відкрито аномальне поглинання і дисперсія У. в багатоатомних газах; далі це явище було також виявлено в ряді складних (наприклад, органічних) рідин. Правильне теоретичне пояснення цим релаксаційним явищам було дано в загальній формі радянськими вченими Л. І. Мандельштамом і М. А. Леонтовичем (1937). Релаксаційна теорія з'явилася згодом основою молекулярної акустики.

У 50-60-х рр. широкий розвиток отримують різні промислові технологічні застосування У., в розробку фізичних основ яких в СРСР був зроблений великий внесок Л. Д. Розенбергом і його співробітниками. Отримання все більших інтенсивностей В. зумовило вивчення особливостей поширення потужних хвиль В. у газах, рідинах, твердих тілах; швидко розвивається нелінійна акустика, в становленні якої велику роль зіграли роботи радянських учених Н. Н. Андрєєва, В. А. Красильникова, Р. В. Хохлова і ін., а також американських і англійських учених.

У 70-х рр., Особливо після роботи Хадсона, Мак-Фі і Уайта (США) (1961), які виявили явище посилення і генерації В. у пьезополупроводніках, швидко розвивається акустоелектроніка.

Літ .: Бергман Л., Ультразвук, пров. з нім., М., 1956; Красильников В. А., Звукові і ультразвукові хвилі в повітрі, воді і твердих тілах, 3 вид., М., 1960; Фізична акустика, під ред. У. Мезона, пров. з англ., т. 1-7, М., 1966-74; Фізика і техніка потужного ультразвуку, під ред. Л. Д. Розенберга, т. 1-3, 1967-69; Михайлов І. Г., Соловйов В. А., сирників Ю. П., Основи молекулярної акустики, М., 1964; Вікторів І. А., Фізичні основи вживання ультразвукових хвиль Релея і Лемба в техніці, М., 1966; Методи неруйнуючих випробувань, під ред. Р. Шарпа, пров. з англ., М., 1972; Ультразвукове різання, М., 1962; Ультразвукова технологія, під ред. Б. А. Аграната, М., 1974; Ельпінер І. ​​Е. Біофізика ультразвуку, М., 1973; Байєр В., Дернер Е., Ультразвук в біології та медицині, пров. з нім., Л., 1958; Interaction of ultrasound and biological tissues. Proceedings of a workshop ..., ed. by JM Reid and MR Sikov, Wash., 1972.

В. А. Красильников.

Мал. 4. Випромінювання (прийом) поздовжніх хвиль L пластинкою, що коливається по товщині в тверде тіло: 1 - кварцова пластинка зрізу Х товщиною l / 2, де l - довжина хвилі в кварці; 2 - металеві електроди; 3 - рідина (трансформаторне масло) для здійснення акустичного контакту; 4 - генератор електричних коливань; 5 - тверде тіло.

Мал. 2. Акустичне протягом, що виникає при поширенні ультразвуку частотою 5 Мгц в бензолі.

Мал. 6. Фасонні матриці з твердого сплаву, виготовлені ультразвуковим способом.

Мал. 1. Фокусування ультразвукового пучка в воді плосковогнутим лінзою з плексигласу (частота ультразвуку 8 Мгц).

Мал. 5а. Червоні кров'яні тільця, отримані оптичним мікроскопом.

Мал. 8. Ультразвуковий імпульс кажана на відстані 10 см від її рота, сфотографований з екрану осцилографа, частота ультразвуку в імпульсі 48 кГц.

Мал. 5б. Червоні кров'яні тільця, отримані ультразвуковим мікроскопом.

Мал. 7. Звуковий зображення людського плоду віку 17 тижнів, отримане за допомогою ультразвуку частотою 5 Мгц.

Мал. 3. Фонтан рідини, що утворюється при падінні ультразвукового пучка зсередини рідини на її поверхню (частота ультразвуку 1,5 Мгц, інтенсивність 15 вт / см 2).