VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
УЛЬТРАЗВУК И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНИКЕ И МЕДИЦИНЕ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Ультразвук. Это слово в повседневной жизни мы слышим довольно часто, как по телевизору и в социальных сетях, так и от простых людей в диалоге. Информацию о нем мы слышали довольно посредственно, успели усвоить лишь малую часть той информации, но нам стало интересно понять, так что, же такое ультразвук и помогает ли он как-нибудь человеку и другим живым существам? Научились ли его использовать люди? Ответы на этот вопросы мы попытались найти в своем исследовании.
Актуальность темы: состоит в том, чтобы изучить более глубоко ультразвук и его применение в технике и медицине в настоящее время.
Цель работы: выяснить, что такое ультразвук, определить его источники и узнать для чего и как он используется в технике и медицине.
Объектом исследования: в проектной работе является ультразвук.
Предметом изученияультразвук и его применение в технике и медицине в настоящее время.
Цель работы– изучение темы «Ультразвук и его применение в технике и медицине»
Задачи исследования:
Основные задачи:
1. Изучить, что же такое ультразвук, определить источники ультразвука
3. Изучить, кто и когда изобрел первые источники ультразвука. Определить параметры ультразвука.
4. Исследовать применение ультразвука в технике и медицине.
Значимость исследования: результат моего исследования поможет выяснить, что такое ультразвук и какова его история появления, поможет определить его источники и узнать, как он используется в технике и медицине в настоящее время.
1. Понятие ультразвука, его основные источники и характеристики
1.1. Понятие ультразвука
Ультразвуком называют упругие волны (волны, распространяющиеся в жидких, твёрдых и газообразных средах за счёт действия упругих сил), частота которых лежит за пределами слышимого для человека диапазона - приблизительно от 20 кГц и выше.
В наше время ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. Так, по скорости распространения звука в среде судят о её физических характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах позволяет с весьма малыми погрешностями определять, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоёмкости газов, упругие постоянные твёрдых тел.
По своей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этом он не отличается от звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами поэтому условна; она определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует усреднённой верхней границе слышимого звука. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн ультразвук имеет ряд особенностей:
1) измерения скорости на ультразвуковых частотах позволяет с весьма малыми погрешностями определять, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоёмкости газов, упругие постоянные твёрдых тел.
2) возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть описаны лишь законами нелинейной акустики.
3) К числу важных явлений, возникающих при распространении интенсивного ультразвука в жидкостях, относится акустическая кавитация — рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкостях до размеров в доли мм, которые начинают пульсировать с частотой У. и захлопываются в положительной фазе давления. При захлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысяч атмосфер, образуются сферические ударные волны. Возле пульсирующих пузырьков образуются акустическиемикропотоки. Явления в кавитационном поле приводят к ряду полезных (получение эмульсий, очистка загрязнённых деталей и др.) явлений.
4) Фокусировка УЗ позволяет не только получать звуковые изображения (системы звуковидения и акустической голографии), но и концентрировать звуковую энергию. С помощью УЗ-вых фокусирующих систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими.
5)Периодическое изменение показателя преломления световых волн, связанное с изменением плотности в УЗ-волне, вызывает дифракцию света на ультразвуке, наблюдаемую на частотах ультразвукавого диапазона. Ультразвуковую волну при этом можно рассматривать как дифракционную решетку [5].
1.2. Скорость распространения ультразвука
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 ультразвуковых 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.
1.3. Источники ультразвука
Частота ультразвуковых колебаний, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне от нескольких десятков кГц до единиц МГц. Высокочастотные колебания обычно создают с помощью пьезокерамических преобразователей, например, из титанита бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвуковых колебаний, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путём (камертоны, свистки, сирены).
В природе УЗ встречается как в качестве компонентов 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 и общения (киты, дельфины, летучие мыши, грызуны, долгопяты).
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 твёрдого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.
1.3.1 Свисток Гальтона
Первый ультразвуковой свисток сделал в 1883 году англичанин ФрэнсисГальтон. Ультразвук здесь создаётся подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона (см. Рис.1) играет «губа» в маленькой цилиндрической резонансной полости. Газ, пропускаемый под высоким давлением через полый цилиндр, ударяется об эту «губу»; возникают колебания, частота которых (около 170 кГц) определяется размерами сопла и губы. Мощность свистка Гальтона невелика. В основном его применяют для подачи команд при дрессировке собак и кошек.
Рис.1. Свисток Гальтона.
1.3.2. Жидкостный ультразвуковой свисток
Большинство ультразвуковых свистков можно приспособить для работы в жидкой среде. По сравнению с электрическими источниками ультразвука жидкостные ультразвуковые свистки маломощны, но иногда, например, для ультразвуковой гомогенизации, они обладают существенным преимуществом. Так как ультразвуковые волны возникают непосредственно в жидкой среде, то не происходит потери энергии ультразвуковых волн при переходе из одной среды в другую. Пожалуй, наиболее удачной является конструкция жидкостного ультразвукового свистка, изготовленного английскими учёными Коттелем и Гудменом в начале 50-х годов XX века. В нём поток жидкости под высоким давлением выходит из эллиптического сопла и направляется на стальную пластинку.
Различные модификации этой конструкции получили довольно широкое распространение для получения однородных сред. Благодаря простоте и устойчивости своей конструкции (разрушается только колеблющаяся пластинка) такие системы долговечны и недороги.
1.3.3. Природные источники ультразвука
Летучие мыши, использующие при ночном ориентировании эхолокацию, испускают при этом ртом или имеющим форму параболического зеркала носовым отверстием сигналы чрезвычайно высокой интенсивности. На расстоянии 1 — 5 см от головы животного давление ультразвука достигает 60 мбар, то есть соответствует в слышимой нами частотной области давлению звука, создаваемого отбойным молотком. Эхо своих сигналов летучие мыши способны воспринимать при давлении всего 0,001 мбар, то есть в 10000 раз меньше, чем у испускаемых сигналов. При этом летучие мыши могут обходить при полете препятствия даже в том случае, когда на эхолокационные сигналы накладываются ультразвуковые помехи с давлением 20 мбар. Механизм этой высокой помехоустойчивости еще неизвестен. При локализации летучими мышами предметов, например, вертикально натянутых нитей с диаметром всего 0,005 — 0,008 мм на расстоянии 20см (половина размаха крыльев), решающую роль играют сдвиг во времени и разница в интенсивности между испускаемым и отраженным сигналами. (см. Фото 1.)
Фото 1. Летучие мыши используют при ночном ориентировании эхолокацию
Подковоносы могут ориентироваться и с помощью только одного уха (моноаурально), что существенно облегчается крупными непрерывно движущимися ушными раковинами. Они способны компенсировать даже частотный сдвиг между испускаемыми и отражёнными сигналами, обусловленный эффектом Доплера (при приближении к предмету эхо является более высокочастотным, чем посылаемый сигнал). Понижая во время полёта эхолокационную частоту таким образом, чтобы частота отражённого ультразвука оставалась в области максимальной чувствительности их «слуховых» центров, они могут определить скорость собственного перемещения. У ночных бабочек из семейства медведиц развился генератор ультразвуковых помех, «сбивающий со следа» летучих мышей, преследующих этих насекомых.
Эхолокацию используют для навигации и птицы — жирные козодои, или гуахаро. Населяют они горные пещеры Латинской Америки — от Панамы на северо-западе до Перу на юге и Суринама на востоке. Живя в кромешной тьме, жирные козодои, тем не менее, приспособились виртуозно летать по пещерам. Они издают негромкие щёлкающие звуки, воспринимаемые и человеческим ухом (их частота примерно 7 000 Герц). Каждый щелчок длится одну-две миллисекунды. Звук щелчка отражается от стен подземелья, разных выступов и препятствий и воспринимается чутким слухом птицы.
Ультразвуковой эхолокацией в воде пользуются китообразные.
(См. Фото 2 и Фото 3)
Фото 2 и Фото 3. Использование эхолокации китообразными.
2. Применение ультразвука в технике
2.1. Ультразвуковая сварка
Ультразвуковая сварка — сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний. Такой вид сварки применяется для соединения деталей, нагрев которых затруднён, при соединении разнородных металлов, металлов с прочными оксидными плёнками (алюминий, нержавеющие стали, магнитопроводы из пермаллоя и т. п.), при производстве интегральных микросхем ( См. Фото 4).
Фото 4. Прибор для ультразвуковой сварки.
2.2. Применение ультразвука в расходометрии
Для контроля расхода и учёта воды и теплоносителя с 1960-х годов в промышленности применяются ультразвуковые расходомеры (См. Фото5).
Фото 5. Ультразвуковой расходомер.
2.3. Применение ультразвука в дефектоскопии
Ультразвук хорошо распространяется в некоторых материалах, что позволяет использовать его для ультразвуковой дефектоскопии изделий из этих материалов. В последнее время получает развитие направление ультразвуковой микроскопии, позволяющее исследовать подповерхностный слой материала с хорошей разрешающей способностью.
2.4. Применение ультразвука в гальванотехнике
Ультразвук применяют для интенсификации гальванических процессов и улучшения качества покрытий, получаемых электрохимическим способом.
2.5. Применение ультразвука для механической очистки
Применение ультразвука для механической очистки основано на возникновении под его воздействием в жидкости различных нелинейных эффектов. К ним относится кавитация, акустические течения, звуковое давление. Основную роль играет кавитация. Её пузырьки, возникая и схлопываясь вблизи загрязнений, разрушают их. Этот эффект известен как кавитационная эрозия. Используемый для этих целей ультразвук имеет низкую частоту и повышенную мощность.
В лабораторных и производственных условиях для мытья мелких деталей и посуды применяются ультразвуковые ванны, заполоненные растворителем (вода, спирт и т. п.). Иногда с их помощью от частиц земли моют даже корнеплоды (картофель, морковь, свекла и др.).
В быту, для стирки текстильных изделий, используют специальные, излучающие ультразвук устройства, помещаемые в отдельную ёмкость.
3. Применение ультразвука в медицине.
Для лечебных целей применяется ультразвук с частотой от 800 000 до 3 000 000 колебаний в секунду. Для генерирования ультразвука используются устройства, называемые ультразвуковыми излучателями.
Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели. Применение ультразвука в медицине связано с особенностями его распространения и характерными свойствами. По физической природе ультразвук, как и звук, является механической (упругой) волной. Однако длина волны ультразвука существенно меньше длины звуковой волны. Чем больше различные акустические сопротивления, тем сильнее отражение и преломление ультразвука на границе разнородных сред. Отражение ультразвуковых волн зависит от угла падения на зону воздействия – чем больше угол падения, тем больше коэффициент отражения.
В организме ультразвук частотой 800—1000 кГц распространяется на глубину 8—10 см, а при частоте 2500–3000 Гц – на 1,0–3,0 см. Ультразвук поглощается тканями неравномерно: чем выше акустическая плотность, тем меньше поглощение.
На организм человека при проведении ультразвуковой терапии действуют три фактора:
1) механический – вибрационный микромассаж клеток и тканей;
2) тепловой – повышение температуры тканей и проницаемости клеточных оболочек;
3) физико-химический – стимуляция тканевого обмена и процессов регенерации.
Биологическое действие ультразвука зависит от его дозы, которая может быть для тканей стимулирующей, угнетающей или даже разрушающей. Наиболее адекватными для лечебно-профилактических воздействий являются небольшие дозировки ультразвука (до 1,2 Вт/см2), особенно в импульсном режиме. Они способны оказывать болеутоляющее, антисептическое (противомикробное), сосудорасширяющее, рассасывающее, противовоспалительное, десенсибилизирующее (противоаллергическое) действие.
В физиотерапевтической практике используются преимущественно отечественные аппараты трех серий: УЗТ-1, УЗТ-2, УЗТ-3.
Ультразвук не применяется на область мозга, шейных позвонков, костные выступы, области растущих костей, ткани с выраженным нарушением кровообращения, на живот при беременности, мошонку. С осторожностью ультразвук применяют на область сердца, эндокринные органы.
Различают непрерывный и импульсный ультразвук. Непрерывным ультразвуком принято называть непрерывный поток ультразвуковых волн. Этот вид излучения используется главным образом для воздействия на мягкие ткани и суставы. Импульсный ультразвук представляет собой прерывистое излучение, т. е. ультразвук посылается отдельными импульсами через определенные промежутки времени.
3.1. УЗ-приборы
С помощью ультразвука можно обследовать или вылечить пациента — всё зависит от частоты, на которой работает прибор. Диагностические УЗ сканеры (См. Фото 6)— самый распространённый вариант применения ультразвуковой волновой технологии, полезный в большинстве отраслей медицины для визуализации внутренних структур и органов, получения данных об их расположении, форме, линейных размерах.
На сегодня это наиболее безопасный метод, обладающий, в то же время, достаточной чувствительностью и точностью при обследовании мягких тканей и органов, насыщенных жидкостью. На УЗ-картинке отчётливо видны опухоли (причём они могут быть дифференцированы); диффузные изменения тканей поджелудочной железы, печени, почек; конкременты в почках и жёлчном пузыре; структурные аномалии внутренних органов.
УЗ метод полезен в кардиологии — эхография сердца делает видимыми его структуры, позволяет оценить размеры желудочков, предсердий, межжелудочковой перегородки, определить состояние клапанов и толщину миокарда желудочков, обнаружить жидкость в перикарде.
В хирургии УЗ-визуализацию применяют для зрительного контроля над выполняемыми манипуляциями, точного определения траектории микрохирургических инструментов, локализации патологических участков и прицельной установки имплантатов.
Безопасность и отсутствие лучевой нагрузки делает возможным применение ультразвуковых аппаратов в гинекологии, акушерстве, перинатальной диагностике для изучения внутренних репродуктивных органов, состояния матки, мониторинга развития плода. УЗ-маммография — безопасная альтернатива рентгеновского метода оценки состояния молочных желёз. Такое сканирование оптимально для обследования молодых женщин.
Фото 6. Ультразвуковой сканер.
Не менее разнообразны варианты применения ультразвука в терапевтических целях: в стоматологии, физиотерапии, травматологии, спортивной медицине используют противовоспалительные свойства ультразвуковых волн, их способность улучшать микроциркуляцию, снимать боли и отёчность, стимулировать регенерацию хрящевой и костной ткани[1].
Ультразвук «нашёл» себя и во вспомогательной медицинской технике — УЗ-мойки на сегодня — один из самых эффективных видов дезинфекционного оборудования. С их помощью можно быстро очистить от загрязнений любые приборы сложной конфигурации.
Это лишь несколько примеров использования ультразвука в медицине. Оборудование постоянно развивается, появляются новые, неожиданные варианты: сверхточные датчики, УЗ-скальпели, УЗ-стимуляторы регенерации зубов. Исследования продолжаются, а значит, область применения одного из самых популярных видов медицинского оборудования будет расширяться.
3.2. Ультразвуковая физиотерапия
Воздействие ультразвуком на пациента производят с помощью специальной излучательной головки аппарата(См. Рис . 2). Обычно для терапевтических целей применяют ультразвук частотой 800 кГц, средняя его интенсивность около 1 Вт/см2 и меньше.
Рис. 2. Прибор для проведения ультразвуковой физиотерапии.
3.3. Эхоэнцефалография принцип работы.
Эхоэнцефалография — определение опухолей и отека головного мозга.
Рис. 3. Эхоэнцефалограф.
В настоящее время с целью диагностики в области нейрохирургии и невропатологии разрабатываются два метода эхоэнцефалографии — одномерный и двумерный. При одномерном методе эхоэнцефалографии информация может быть получена в одном пространственном измерении (по глубине) и регистрируется на горизонтальной или временной развертке индикатора типа А в форме вертикальных выбросов. При двумерном методе эхоэнцефалографии информация может быть получена в двух пространственных измерениях (по глубине и ширине) (См. Фото 7).
Фото 7. Проведение эхоэнцефалографического исследования.
Двумернопространственное или плоскопозиционное изображение исследуемого объекта регистрируется на экране индикатора типа В в форме световых пятен различной интенсивности.
Изображение объекта может быть получено в любой практически осуществимой плоскости его сечения перемещающимся ультразвуковым лучом.
При двумерном методе, как правило, применяется тип сложного скеннирования, при котором пьезопреобразователь, помимо возвратно-поступательных движений, совершает с определенной частотой секторные или радиальные перемещения с углом отклонения до 30°. При одно- и двумерном методах, как правило, используются датчики непосредственного контакта, т. е. без различных акустических задержек.
Заключение.
Получать ультразвук люди научились еще в 19 веке, но применять его относительно недавно. Его применение очень важно для человека. Ультразвук применяют для спасения людей и создания технических приборов, помогающих улучшить комфортность работы специалистов и жизни людей. Ультразвук, безусловно, важен для человека. Но не только для человека и для животных, некоторые перемещаются только благодаря ему, некоторые добывают себе еду только благодаря ему, а некоторые общаются между собой только благодаря ультразвуку, он средство их существования.Современные приборы для эхоэнцефалографии работают в импульсном режиме, что существенно уменьшает ультразвуковую нагрузку на мозговую ткань. Обычно используют импульсы длительностью 0,005 мс при частоте 5 - 20/с. Большая частота импульсов улучшает качество регистрации, но создаёт опасность интерференции излучаемых и воспринимаемых сигналов. Оптимальной частотой импульсов при использовании датчиков с частотами от 0,5 до 5 МГц является эмпирически найденная частота 200 – 250 1/с.
Список использованных источников
1. Акопян В.Б. Физические основы УЗ терапии. Мед. Физика, 2001, 11, С. 9.
2.http://rsmu.ru/fileadmin/rsmu/img/pf/cfim/uzi.pdf/ Физические основы использования ультразвука в медицине /учебное пособие/ И.И. Резников, В.Н. Фёдорова, Е.В. Фаустов, А.Р. Зубарев, А.К. Демидова.
3. Основы применения низкочастотного ультразвука в сельском хозяйстве. Курс лекций. Моск. Ветеринарная Академия, М., 1988.
4. https://studfile.net/preview/5873608/page:4/.
5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Ультразвуковая_кавитация.