Ультразвук сообщение по физике

Ультразвук сообщение по физике

Ультразвук — Физика

Милькин А. С. 9 в

УЛЬТРАЗВУК — упругие волны высокой частоты. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16 000 колебаний в секунду (Гц); колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости). Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до нескольких миллиардов герц. Хотя о существовании ультразвука ученым было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно. Сейчас ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах.

Гидролокация. В конце Первой мировой войны появилась одна из первых практических ультразвуковых систем, предназначенная для обнаружения подводных лодок. Пучок ультразвукового излучения может быть сделан остро направленным, и по отраженному от цели сигналу (эхо-сигналу) можно определить направление на эту цель. Измеряя время прохождения сигнала до цели и обратно, определяют расстояние до нее. К настоящему времени система, именуемая гидролокатором, или сонаром, стала неотъемлемым средством мореплавания. Если направить импульсное ультразвуковое излучение в сторону дна и измерить время между посылом импульса и его возвратом, можно определить расстояние между излучателем и приемником (

Дефектоскопия. Зондирование ультразвуковыми импульсами применяется и для исследований свойств различных материалов и изделий из них. Проникая в твердые тела, такие импульсы отражаются от их границ, а также от различных инородных образований в толще исследуемой среды, таких, как полости, трещины и др., указывая на их расположение. Ультразвук “проверяет” материал, не вызывая в нем разрушений. Такими неразрушающими методами контроля проверяют качество массивных стальных поковок, алюминиевых блоков, железнодорожных рельсов, сварных швов машин.

Ультразвуковой расходомер. Принцип действия такого прибора основан на эффекте Доплера. Импульсы ультразвука направляются попеременно по потоку и против него. При этом скорость прохождения сигнала то складывается из скорости распространения ультразвука в среде и скорости потока, то эти величины вычитаются. Возникающая разность фаз импульсов в двух ветвях измерительной схемы регистрируется электронным оборудованием, и в итоге измеряется скорость потока, а по ней и массовая скорость (расход). Этот измеритель не вносит изменений в поток жидкости и может применяться как к потоку в замкнутом контуре, например, для исследований кровотока в аорте или системы охлаждения атомного реактора, так и к открытому потоку, например реки.

Химическая технология. Вышеописанные методы относятся к категории маломощных, в которых физические характеристики среды не изменяются. Но существуют и методы, в которых на среду направляют ультразвук большой интенсивности. При этом в жидкости развивается мощный кавитационный процесс (образование множества пузырьков, или каверн, которые при повышении давления схлопываются), вызывая существенные изменения физических и химических свойств этой среды. Многочисленные методы ультразвукового воздействия на химически активные вещества объединяются в научно-техническую отрасль знаний, называемую ультразвуковой химией. В ней исследуются и стимулируются такие процессы, как гидролиз, окисление, перестройка молекул, полимеризация, деполимеризация, ускорение реакций.

Ультразвуковая пайка. Кавитация, обусловленная мощными ультразвуковыми волнами в металлических расплавах и разрушающая окисную пленку алюминия, позволяет проводить его пайку оловянным припоем без флюса. Изделия из спаянных ультразвуком металлов стали обычными промышленными товарами.

Ультразвуковая механическая обработка. Энергия ультразвука успешно используется при машинной обработке деталей. Поскольку такой метод позволяет обрабатывать очень твердые и хрупкие материалы – стекло, керамику, карбид вольфрама, закаленную сталь. В промышленности также используется много различного ультразвукового оборудования для очистки поверхностей кварцевых кристаллов и оптического стекла, малых прецизионных шарикоподшипников, снятия заусенец с малогабаритных деталей.

Читайте также:  Большой палец на ноге уходит в сторону

Широко применяется ультразвук для приготовления однородных смесей. Еще в 1927 году американские ученые Лимус и Вуд обнаружили, что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду) слить в одну мензурку и подвергнуть облучению ультразвуком, то в мензурке образуется эмульсия, то есть мелкая взвесь масла в воде. Подобные эмульсии играют большую роль в промышленности: это лаки, краски, фармацевтические изделия, косметика.

Применение в биологии и медицине. То, что ультразвук активно воздействует на биологические объекты (например, убивает бактерии), известно уже более 70 лет. Ультразвуковые стерилизаторы хирургических инструментов применяются в больницах и клиниках. Электронная аппаратура со сканирующим ультразвуковым лучом служит целям обнаружения опухолей в мозгу и постановки диагноза, используется в нейрохирургии для инактивации отдельных участков головного мозга мощным сфокусированным высокочастотным (порядка 1000 кГц) пучком. Но наиболее широко ультразвук применяется в терапии – при лечении люмбаго, миалгии и контузий, хотя до сих пор среди медиков нет единого мнения о конкретном механизме воздействия ультразвука на больные органы. Высокочастотные колебания вызывают внутренний разогрев тканей, сопровождаемый, возможно, микромассажем.

Обнаружение и измерение с помощью ультразвука. Давление ультразвуковой волны превосходит давление волны обычного звука в тысячи раз и легко обнаруживается с помощью микрофонов в воздухе и гидрофонов в воде. Это даёт возможность применения ультразвука для обнаружения и измерения. Например, ультразвуковой интерферометр.

Генерация ультразвуковых волн. Ультразвук можно получить от механических, электромагнитных и тепловых источников. Механическими излучателями обычно служат разного рода сирены прерывистого действия. В воздух они испускают колебания мощностью до нескольких киловатт на частотах до 40 кГц. Ультразвуковые волны в жидкостях и твердых телах обычно возбуждают электроакустическими, магнитострикционными и пьезоэлектрическими преобразователями.

Сирена одна из разновидностей механических источников ультразвука. Она обладает относительно большой мощностью и применяется в милицейских и пожарных машинах. Все ротационные сирены состоят из камеры, закрытой сверху диском (статором), в котором сделано большое количество отверстий. Столько же отверстий имеется и на вращающемся внутри камеры диске — роторе. При вращении ротора положение отверстий в нем периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подается сжатый воздух, который вырывается из нее в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают. Основная задача при изготовлении сирен — это, во-первых, сделать как можно больше отверстий в роторе и, во-вторых, достичь большой скорости его вращения. Однако практически выполнить оба эти требования очень трудно.

Свисток Гальтона. Первый ультразвуковой свисток сделал в 1883 году англичанин Гальтон. Ультразвук в нём создается подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона играет "губа" в маленькой цилиндрической резонансной полости. Газ, пропускаемый под высоким давлением через полый цилиндр, ударяется об эту "губу"; возникают колебания, частота которых (она составляет около 170 кГц) определяется размерами сопла и губы. Мощность свистка Гальтона невелика. В основном его применяют для подачи команд при дрессировке собак.

1. Баулан И. За барьером слышимости. М., 1971

2. Хорбенко И.Г. Звук, ультразвук, инфразвук. М., 1986

Читайте также:  Стандартные размеры теннисного стола

3. Агранат Б.А. и др. Основы физики и техники ультразвука. М., 1987

Милькин А. С. 9в 28.01.2004 УЛЬТРАЗВУК — упругие волны высокой частоты. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до

Ультразвук — упругие колебания и волны, частоты которых превышают 15000-20000 гц. Теоретически верхняя граница ультразвуковых колебаний лежит в пределах гц, однако наивысшая полученная в настоящее время частота ультразвука составляет лишь 2 гц.

Первоначально У. и слышимые звуки различали по признаку восприятия или невосприятия их человеческим ухом; однако верхняя граница порога слышимости по частоте различных людей при нормальном слухе колеблется в очень широких пределах от 7000 до 18000 гц. Позднее было установлено что ультразвуковые колебания с частотами 30000-40000 гц. при известных условиях также могут восприниматься человеческим ухом (через механизм так называемой костной проводимости). Многие животные могут воспринимать У. до 80000 гц.

У. встречаются в природе; они содержатся в шуме ветра, водопада, морского прибоя. Некоторые насекомые (бабочки, цикады и др.) не только воспринимают У. но и излучают их. Летучие мыши, дельфины пользуются ультразвуковыми импульсами для локации препятствий. У. присутствуют также в шумах машин; иногда они могут достигать очень большой интенсивности. В частности, У. шумов, реактивных самолетов мог бы оказать вредное воздействие на слух и организм команды и пассажиров, если бы не принимались специальные меры для звукоизоляции.

Изучением У. занимались французский ученый Ф. Савар (1830), сделавшие первые попытки установить частотный порог слышимости человеческого уха, В. Вин (1903), П. Н. Лебедев и его школа, изучавшие поглощение У. в воздухе и разработавшие методику измерения давления звука в области У. Существенный вклад был сделан П. Ланжевеном, который, разрабатывая установку для ультразвуковой импульсной локации подводных лодок (1915-1917) решил ряд физических и технических задач. Следующим этапом были работы Р. Вуда (1927), который получил У. высокой интенсивности и исследовал его воздействие на вещество и на живые организмы. В 1928 году советский ученый С. Я. Соколов предложил применять У. для обнаружения дефектов в металлических изделиях и заготовках, положив этим начало столь широко развитой в настоящее время ультразвуковой дефектоскопией. 50-е гг. XX века характеризуются ростом различных практических применений У. Особняком стоит применение У. в медицинской терапии для лечения заболеваний перифирической нервной системы, абсцессов и так далее. При больших интенсивностях У. происходит разрушение живых клеток и ткани.

В следствии высокой частоты колебаний и, следовательно, малой длины волн У. легко заставить распространяться в виде направленных пучков, получивших название ультразвуковых лучей. Это позволяет применить У. для установления неоднородностей и дефектов внутри оптически не прозрачных (но пропускающих У.) сред, подобно тому, как это производится световыми лучами в оптически прозрачных средах. У. применяется также для гидролокации, а в последнее время в медицинской диагностики для обнаружения опухолевых образований, изучения движения участков сердечной мышцы и другое.

Техническое применение У. может быть разбита на две основные группы. К первой группе относятся приборы для контрольно-измерительных целей, а также установке для получения информации и осуществления связи. Во всех этих случаях применяется У. сравнительно небольшой интенсивности. Наиболее существенными в этой группе являются:

— обнаружение кораблей и подводных лодок;

Читайте также:  Торцевые разделочные доски отзывы

— промысловая разведка рыбы;

— измерение геометрических размеров;

— скорости потока жидкости и газа;

— контроль за ходом реакции и т. д.

Для применения второй группы характерна большая интенсивность У. со специальной целью вызвать желаемые изменения в среде, через которую он проходит. Относительная сложность и дороговизна ультразвуковой энергии в настоящее время ограничивает широкое применение У. в промышленности, впредь до разработки более простых и удобных источников У.

Упругие волны с частотой выше 20 кГц называются ультразвуком.

Ультразвук в животном мире. Ультразвук, как и инфразвук, не воспринимается человече­ским ухом, однако его способны излучать и воспринимать некоторые животные. Так, например, дельфины благодаря этому уверенно ориентируются в мутной воде. Посылая и принимая возвра­тившиеся назад ультразвуковые импульсы, они способны на расстоянии 20-30 м обнаружить да­же маленькую дробинку, осторожно опущенную в воду. Ультразвук помогает и летучим мышам, которые плохо видят или вообще ничего не видят. Издавая с помощью своего слухового аппарата ультразвуковые волны (до 250 раз в секунду), они способны ориентироваться в полете и успешно ловить добычу даже в темноте. Любопытно, что у некоторых насекомых в ответ на это вырабо­талась особая защитная реакция: отдельные виды ночных бабочек и жуков тоже оказались спо­собными воспринимать ультразвуки, издаваемые летучими мышами, и, услышав их, они тут же складывают крылья, падают вниз и замирают на земле.

Ультразвуковые сигналы используются и некоторыми китами. Эти сигналы позволяют им охотиться на кальмаров при полном отсутствии света.

Установлено также, что ультразвуковые волны с частотой более 25 кГц вызывают болезненные ощущения у птиц. Это используется, например, для отпугивания чаек от водоемов с питьевой водой.

Использование ультразвука в технике. Ультразвук находит широкое применение в науке и технике, где его получают с помощью различных механических (например, сирена) и электро­механических устройств.

Источники ультразвука устанавливают на кораблях и подводных лодках. Посылая короткие импульсы ультразвуковых волн, можно уловить их отражения от дна или каких-либо других предметов. По времени запаздывания отраженной волны можно судить о расстоянии до препятс­твия. Использующиеся при этом эхолоты и гидролокаторы позволяют измерять глубину моря, решать различные навигационные задачи (плавание вблизи скал, рифов и т. д.), осуществлять рыбопромысловую разведку (обнаруживать косяки рыб), а также решать военные задачи (поиск подводных лодок противника, бесперископные торпедные атаки и др.).

В промышленности по отражению ультразвука от трещин в металлических отливках судят о дефектах в изделиях.

Ультразвуки дробят жидкие и твердые вещества, образуя различные эмульсии и суспензии.

С помощью ультразвука удается осуществить пайку алюминиевых изделий, что с помощью других методов сделать не удается (так как на поверхности алюминия всегда имеется плотный слой оксидной пленки). Наконечник ультразвукового паяльника не только нагревается, но и со­вершает колебания с частотой около 20 кГц, благодаря чему оксидная пленка разрушается.

Преобразование ультразвука в электрические колебания, а их затем в свет позволяет осущест­вить звуковидение. При помощи звуковидения можно видеть предметы в непрозрачной для света воде.

В медицине при помощи ультразвука осуществляют сварку сломанных костей, обнаруживают опухоли, осуществляют диагностические исследования в акушерстве и т. д. Биологическое дейс­твие ультразвука (приводящее к гибели микробов) позволяет использовать его для пастерилиза-ции молока, стерилизации медицинских инструментов.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector