Техника и звук

Применение ультразвука человеком

Медицина

Ультразвук оказался особенно полезным в медицине.

Благодаря хорошему распространению ультразвука в мягких тканях человека, а также его относительной, по сравнению с рентгеновскими лучами, безопасности для организма, очень точно и успешно проводится УЗИ, которое позволяет визуализировать человеческие органы, особенно в брюшной полости и области таза.

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. Ультразвуковое исследование используется для проверки органов брюшной полости, мочеполовой системы, щитовидной железы. Диагностику применяют в кардиологии, неврологии, урологии и многих других сферах. Это один из лучших методов, который подойдёт для обследования беременных женщин.

Сегодня на этом основан фонофорез – метод физиотерапии, когда вместо обычного геля для УЗИ наносится лечебное вещество, а ультразвук помогает препарату глубже проникать в ткани. Основанием для внедрения этого метода в клиническую практику послужили сведения о способности ультразвука разрыхлять соединительную ткань, повышать проницаемость кожи и гистогематических барьеров, увеличивать диффузию и потенцировать действие лекарственных веществ.

Прогресс в УЗИ диагностике: устройство размером с марку, клеится к коже, как пластырь.

Журнал Nature Biomedical Engineering опубликовал работу группы авторов, которые предложили новое, поистине революционное техническое решение для увеличения эффективности УЗИ-исследований.

Чудо-пластырь, или, как его называют ученые, ультразвуковой массив, способен создавать серийное, трехмерное изображение тканей на глубине до четырех сантиметров под поверхностью кожи человека.

Матрица соответствует человеческой коже и акустически связана с ней. Это позволяет в течение длительного времени – 48 часов – получать точные эластографические абсолютно корректные изображения, что подтвердили с помощью магнитно-резонансной эластографии.

С помощью этого пластыря можно обнаружить микроструктурные повреждения в мышцах задолго до появления боли, а также мониторить динамический процесс восстановления мышечных повреждений во время физиотерапевтических процедур.

Технология может облегчить диагностику и лечение заболеваний, влияющих на биомеханику тканей. Например таких, как рак, который обычно вызывает затвердение клеток.

Косметология

Используют ультразвук в косметологии с целью воздействия на рубцы, спаечный процесс, при коррекции целлюлита, гиперпигментации, лечения воспалительных и аллергических заболеваний кожи, растяжек и воздействия на возрастные изменения кожи, используют в восстановительном периоде после блефаропластики, хирургической подтяжки лица и липосакции.

Специфика действия ультразвука на кожный покров проявляется в нескольких эффектах:

- тепловой эффект, который заключается в преобразовании тканевой в тепло и провоцирует стимуляцию процесса выработки гиалуроновой кислоты;

- биологический эффект, проявляющийся в обезболивании и расширении просвета кровеносных сосудов;

- механический эффект, особенность которого заключается в том, что с помощью специального аппарата под воздействием ультразвука в кожные поры вводят молекулы лекарственного препарата, во время процедуры повышается проницаемость тканей;

- физико-химический эффект, который проявляется в улучшении обменных процессов в клетках эпидермиса.

Ультразвуковой метод стерилизации

Ультразвук используют для стерилизации пищевых продуктов (их питательная ценность при этом сохраняется максимально), вакцин, некоторых объектов лабораторного оборудования, которые портятся при действии повышенной температуры и химической стерилизации.

Ультразвуковые технологии

Наиболее перспективным и достаточно освоенным использованием ультразвуковых технологий являются следующие технологические процессы:

— приготовление пищевых водных и водо-жировых эмульсий в мясомолочной, кондитерской, пищевкусовой отраслях промышленности, при изготовлении колбас, молочных продуктов, соков, и т.д.;

— низкотемпературная обработка продуктов с целью «мягкой» варки;

— диспергирование, гомогенизация и пастеризация сырья, полуфабрикатов и продуктов;

— биологическая активизация пищевых продуктов с целью улучшения потребительских и лечебно-биологических свойств; гидрогенизация жиров, осветление растительных масел;

— обеззараживание воды;

— подавление микробиологических процессов в диффузионных аппаратах при производстве сахара за счет ультразвука.

Ультразвуковая сварка

Ультразвуковая сварка — это сварка, источником энергии при которой являются ультразвуковые колебания. Применяется при точечной, шовной и контурной сварке.

Некоторые из преимуществ ультразвуковой сварки:

• отсутствие сильного нагревания позволяет сваривать даже те металлы, которые характеризуются химической активностью;

• высокая скорость сварки;

• повышается прочность соединения разнородных материалов, которое при высокой температуре, сопровождающей обычную сварку, оказалось бы хрупким;

• устраняются технологические ограничения, касающиеся сварки алюминия или меди;

• толщина свариваемых ультразвуковым способом деталей не ограничена, они могут быть тонкими или даже сверхтонкими (например, фольга);

• такая сварка требует меньших трудозатрат, ведь она может быть автоматизирована;

• сварка ультразвуком не предполагает расходных материалов, что делает её чрезвычайно экономичной.

Схема ультразвуковой сварки:

1 — акустический узел;

2 — инструмент (волновод);

3 — регулировочный винт опоры;

4 — свариваемые детали;

5 — вибратор;

6 — кожух.

Интересный факт:

В 1969 году был собран первый полностью пластиковый автомобиль, детали которого сваривались ультразвуковой сваркой.

Место для ультразвуковой сварки нашлось и в медицине.

Разработан процесс сварки костных тканей в живом организме. В основе его лежит свойство ультразвука ускорять процесс полимеризации некоторых мономеров. Так, циакрин, представляющий собой этиловый эфир цианакриловой кислоты, образует под действием ультразвука твердый полимер в течение десятков секунд. Без ультразвука процесс полимеризации занимает несколько часов. Это явление и легло в основу соединения — или сварки — обломков костной ткани с помощью циакрина, смешанного с костной стружкой. Циакрин затвердевает и прочно соединяется с костной тканью, проникая в её капилляры под действием ультразвуковых колебаний. В результате получается прочное соединение отдельных частей кости.

Ультразвуковой прибор для проведения наплавки костной ткани:

Ультразвуковая дефектоскопия

Ультразвуковая дефектоскопия – группа методов дефектоскопии, основанных на применении упругих волн ультразвукового диапазона. Впервые метод был предложен в 1928 году С. Я. Соколовым. Это один из наиболее универсальных способов неразрушающего контроля, методы которого позволяют обнаруживать поверхностные и глубинные дефекты трещины, раковины, расслоения в металлических и неметаллических материалах, определять зоны коррозии металлов, измерять толщину (резонансный метод). Контроль происходит с использованием специального оборудования – преобразователя и дефектоскопа.

Сейчас ультразвуковая дефектоскопия, наряду с радиографическим контролем, является одним из самых распространенных методов неразрушающего контроля. Метод контроля, основанный на использовании ультразвука, является обязательным при изготовлении и эксплуатации ответственных деталей и элементов конструкций, от надежности которых зависит жизнь и безопасность людей.

В основе метода – свойство ультразвука распространяться направленно и без резких затуханий в однородной среде. На границе, разделяющей две среды (например, металл и воздух), происходит почти полное отражение УЗ-волн. Это дает возможность находить трещины, расслоения, раковины на изделиях без их разрушения.

Как прибор находит дефекты сварки?

Дефекты, возникающие при сварке металла, обычно представляют собой газовые включения. Акустическое сопротивление газа на 5 порядков меньше, чем металла. Это означает, что УЗ-волна отражается от дефекта практически полностью (если размер участка с неоднородностью больше половины длины волны). Разрешающая способность акустической дефектоскопии (минимальные размеры повреждения, которое можно обнаружить данным методом) зависит от длины волны. Повысить разрешающую способность удается увеличением частоты колебаний. Побочным эффектом увеличения частоты становится снижение проникающей способности ультразвука. Поэтому задача разработчиков дефектоскопов – найти разумный компромисс между разрешающей и проникающей способностью.

Устройство УЗ-дефектоскопа.

Разновидности УЗ-контроля

Для выявления дефектов на изделиях и конструкциях могут использоваться разные методы ультразвукового контроля. Выбор наиболее подходящего способа зависит от характеристик исследуемого материала, условий эксплуатации детали, узла или механизма, других факторов.

Эхо-импульсный. Метод состоит в том, что акустическая волна направляется на объект, например сварное соединение, после чего регистрируется волна, отраженная от дефекта. В этом случае используется совмещенный преобразователь, который служит как источником, так и приемником колебаний.

Теневой. Этот способ предусматривает использование двух преобразователей, размещенных с двух сторон объекта. Один из них является излучателем, другой – приемником волн. О наличии дефекта в этом случае судят по исчезновению УЗ-колебаний, когда волна на пути от источника к приемнику не преодолевает участок с неоднородностью материала.

Эхо-зеркальный. При такой методике два преобразователя устанавливают с одной стороны исследуемого объекта. Создаваемые излучателем УЗ-колебания отражаются от изделия и возвращаются к приемнику, после чего регистрируются дефектоскопом. Метод хорошо подходит для поиска дефектов, расположенных перпендикулярно поверхности объекта, например трещин сварных соединений.

Эхолокация

В рыбной промышленности применяют эхолокаторы и эхолоты с целью упростить работу и уменьшить время поиска. Эхолот состоит из 4 элементов: излучателя, датчика, преобразователя и дисплея. С помощью излучателя вырабатываются особые высокочастотные импульсы частотой от 50 до 200 кГц. Отражённые от объектов сигналы усиливаются в преобразователе и поступают в дисплей, на экране которого они отображаются в удобной для восприятия форме.

Ультразвуковая ванна:

Ультразвуковая очистка

Ультразвуковая очистка — способ очистки поверхности твёрдых тел в моющих жидкостях, при котором в жидкость вводятся ультразвуковые колебания.

Применение ультразвука ускоряет процесс очистки и повышает его качество. Во многих случаях удаётся заменить огнеопасные и токсичные растворители на более безопасные моющие вещества без потери качества очистки.

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.).

Применение инфразвука человеком

Инфразвуковые волны имеют применение в науке и технике, несмотря на то что имеются негативные последствия от воздействия на организм.

Инфразвук в медицине

В современной медицине используется оборудование, генерируещее инфразвук для лечения. Так как есть риск негативного воздействия, то необходимо провести большое количество испытаний, чтобы найти подходящие параметры воздействия.

Имеющиеся сведения об инфразвуке показали, что он, как наиболее близкий из акустических колебаний к биоритмам живого организма, может на них оказывать положительное влияние.

Высокая устойчивость организма к воздушному инфразвуку, близость его к биоритмам, малое затухание инфразвука создали возможность использовать его в медицине. Многочисленные морфологические исследования здоровых тканей глаза после инфразвукового воздействия показали, что они обладают большой к нему устойчивостью. Патологических изменений в тканях глаза и нервах роговицы при воздействии установленными параметрами (мощность до 173 дБ, частота 0,5-10 Гц) обнаружено не было.

Гистохимические исследования тканей глаза наглядно свидетельствуют, что инфразвуковое воздействие способствует накоплению РНК в клетках, отвечающей за хранение и передачу наследственной информации, что приводит к улучшению синтеза нуклеопротеидов. Особенно значительно происходит синтез белка в ганглиозных клетках сетчатой оболочки.

Так, в офтальмологии инфразвуковые волны с частотами до 12 Гц используются при лечении близорукости.

При лечении заболеваний век используется инфразвук для фонофореза, а также для очищения раневых поверхностей, для улучшения гемодинамики и регенерации в веках, массажа и т.д.

Получить инфразвук можно при помощи свистка Гальтона — акустического излучателя струйного типа на диапазон частот от 2-3 до 40-50 кГц. Действие свистка Гальтона основано на возбуждении колебаний полого цилиндра — резонатора — потоком воздуха, вытекающего из кольцеобразной щели и попадающего на острый край цилиндра. При этом на остром краю возникают периодич. завихрения, возбуждающие колебания воздушного объёма резонатора. Частота излучения свистка Гальтона зависит от глубины резонатора (регулируемой микрометрическим винтом) и давления воздуха.

Инфразвуковое оружие — оружие, использующее в качестве поражающего средства достаточно сильный инфразвук (частотный диапазон ниже порога восприятия человеческого уха).

В зависимости от силы инфразвукового воздействия результаты могут быть от возникновения у объекта чувства страха, ужаса или паники и психозов на их почве до соматических расстройств (от расстройств зрения до повреждения внутренних органов).

Человек продолжает изучать инфразвук, защищаться от его вредных проявлений, расширять область его применения. Обнаружение инфразвуковых волн даёт возможность вовремя узнать об опасности: землетрясении, цунами.

Преобразователи звука

Преобразователь звука или же, другими словами, аудио преобразователь — это устройство, преобразующее звуковые волны в электрические сигналы или наоборот.

Где и зачем они нужны преобразователи звука?

Чаще всего с ними можно встретится при передаче аудиоинформации. Проще говоря, во время разговора по телефону/пк. Наверное, все задавались вопросом, как получается, что при разговоре аудиоинформация передается на другое устройство.

• Микрофон

Микрофон — электроакустический прибор, преобразующий акустические колебания(звуковые волны) в электрический сигнал. Он преобразует колебание воздуха (звуковые волны) в колебания электрического тока.

Принцип работы микрофона заключается в том, что давление звуковых колебаний воздуха, воды или твёрдого вещества действует на тонкую мембрану.

Рассмотрим один из типов микрофонов — конденсаторный. Конденсаторный микрофон представляет собой конденсатор, включеный в электрическую цепь последовательно с источником напряжения постоянного тока и активным нагрузочным сопротивлением.

Схема, объясняющая конструктивное исполнение данного типа микрофонов изображена на рисунке.

• Динамик

Динамики (колонки) – это устройства, которые преобразуют электрические сигнал в звуковые волны, а значит, обратно принципу работы микрофона.

Вероятно вам интересно, как же воспроизводят звук обычные динамики. Все просто! Динамики отдают звук от натянутой мембраны или от своего собственного материала. Чтобы сделать динамик, нам понадобится метод мембраны. Попробуйте сильно нажать на плоскую часть пустой консервной банки. Поняли, о чём я?

Фактически мы только что сделали из консервной банки простейший динамик.

Давайте ещё раз коротко напомним о конструкции этого устройства. Динамик издаёт звук с помощью конусообразной диафрагмы, которая прикреплена к подвижной катушке. Катушка находится в магнитном поле постоянного магнита, и, когда через нее протекает электрический ток, она создает магнитное поле, взаимодействующее с полем постоянного магнита. Это заставляет катушку двигаться, что, в свою очередь, заставляет вибрировать диафрагму. Вибрация диафрагмы инициирует звуковые волны. Нужный "режим вибрации" задаётся управляющим сигналом или электрическими импульсами, которые двигают катушку.

Таким образом, мы выяснили, что аудиоинформация способна передаваться благодаря преобразователям звука (микрофон и колонки). Мы получаем закрытую систему, в которой микрофон ответственен за замену колебаний воздуха на электрические сигналы, а динамики после получения сигнала обращают его обратно в колебания воздуха, а проще говоря, звук.

Поёт Бутенко Наталия Владимировна — учитель немецкого языка Лицея "Ангстрем"

Page updated

Google Sites

Report abuse