Ультразвук и его применение

Аннотация. В данной статье рассмотрены ультразвук и его применение. Дана информация об понятии ультразвука. Показаны его основные характеристики, рассмотрена кратко история. Изучены основные сферы применения ультразвуковых волн. Дано краткое описание особенностей этих волн, благодаря которым появилось возможность применения в той или иной сфере.
Ключевые слова: ультразвук, частота, исследование, эхолокация, гомогенизация, кавитация, дефектоскопия
XX-й век, а в особенности наш XXI-й – подарили человечеству технологический бум. Развитие технологий настолько стало быстро происходить, что современные люди порой даже не знают о принципах работы многочисленных изобретений.
Также многие люди даже не знают, что практически все пространство, окружающее человека, пронизывают различные волны. Одними из таких волн является ультразвук.
Ультразвук – это упругие звуковые волны, частота которых находится за пределом слышимости обычного человеческого уха. Этот предел примерно варьируется от 16 000 Гц, т.е. колебаний в секунду, до 20 000 Гц. Поэтому зачастую диапазон ультразвука принимают от 20 000 Гц. А вот максимальное количество колебаний в секунду доходит до нескольких миллиардов.
В природе ультразвуковые волны присутствуют в качестве различных шумов. К примеру, шум ветра, водопада, дождя, грозовых разрядов иногда являются ультразвуком.
Знания об ультразвуке начали получать еще с конца XIX века, активно работой над ним занимался наш видный ученый-физик П.Н. Лебедев. Но применение ультразвука началось лишь в XX веке, а активное его использование в конце этого века. Но даже до сих пор ведутся исследования по изучению данной звуковой волны. Современные ученые все больше и больше находят возможности для практического применения ультразвука.
Но не стоит забывать, что не только человек разумный нашел применение ультразвуку. Летучие мыши видят с помощью эхолокации. Это свойство они приобрели благодаря испусканию ртом ультразвука. Также известно, что эхолокацией пользуются дельфины. Причем стоит сказать, что язык дельфинов также включает общение с другими особями с помощью ультразвука [1, c. 322].
Некоторые виды животных способны воспринимать высокочастотные волны. К примеру, некоторым птицам ультразвук свыше 25 000 Гц может доставлять боль и дискомфорт. Этот эффект применяется при отпугивании чаек от различных водоемов.
Когда ультразвук распространяется в твердых веществах, газообразных и жидких, он порождает в каждом из них определенные явления, которые нашли свое применение в науке и в развитии технологии.
В первую очередь, ультразвук применяется в медицине. Многие слышали об УЗИ – ультразвуковом исследовании. Это исследование возможно из-за одной особенности ультразвука – он очень хорошо распространяется в мягких тканях организма. При этом он менее вреден, чем рентген, и в тоже время гораздо прост в использовании чем МРТ – магнитно-резонансная томография. Таким образом, ультразвуковые волны нашли свое применение для анализа состояния органов и тканей человека. Но ультразвук используется не только в диагностике, но и в качестве терапии: им производят микромассаж или локальное нагревание тканей, активацию различных процессов обмена и др. [2, c. 101].
При этом существует такое понятие как ультразвуковая хирургия, которую неформально можно разделить на 2 части. Первая появилась благодаря свойству ультразвука разрушать ткани колебаниями с определенной частотой. Вторая же появилась благодаря возможности накладывать ультразвуковые колебания на хирургические инструменты. Ультразвуковые инструменты нашли применение при рассечении различных тканей. При этом используется гораздо меньшее усилие резания. Боль и потеря крови также значительно уменьшаются [3, c. 729].
Второе по значимости применение ультразвука – это применение ультразвука в военных целях. Принцип тот же, что и у летучих мышей и дельфинов – эхолокация. Но при использовании человеком данный принцип значительно усложнился. При эхолокации используется не только ультразвук, но и обычные звуковые волны, а также радиоволны. Первый в мире гидролокатор (эхолот) был создан русским инженером К.В. Шиловским и французским физиком Поль Ланжевеном [4, c. 129].
Ультразвук применяется и при гомогенизации – приготовление однородных смесей. Данное применение появилось благодаря явлению кавитации ультразвука – процесса образования пузырьков в жидкой среде, их схлопывания, а затем высвобождения большого количества энергии. С помощью ультразвука приготавливают различные эмульсии, которую играют значительную роль в промышленности: краски, фармацевтика, лаки, косметические эмульсии [3, c. 730].
Также ультразвуковые волны применяются при различных исследованиях в разных науках. К примеру, в физике появился новый раздел – акусто-электроника. Также ультразвук повлиял на открытия при изучении физики полупроводников, квантовой акустики, где изучается взаимодействие квантов упругих возмущений. Ультразвук используется как инструмент исследования структуры вещества не только в медицине, но и, к примеру, в биологии. Также, при правильном применении, ультразвук способен разрывать оболочки клеток. Это свойство позволило проводить различные биологические эксперименты. Ультразвук способен вызывать мутации, что сыграло роль в селекции.
Не обошлась и промышленность без технологий, так или иначе связанных с ультразвуком. Благодаря ему появилась возможность резать в металлах отверстия с узкой и сложной формами. С помощью ультразвука производится контроль протекания различных процессов в промышленности. Ультразвук используется в дефектоскопии (неразрушающий контроль, к примеру, нефтепроводов). Существуют ультразвуковые приборы, которые позволяют измерять размеры различных материалов, а также определять уровень жидкости в емкостях, не доступных для прямого измерения [1, c. 324].
Когда нагрев каких-либо металлических деталей для их нагрева затруднен, используется ультразвуковая сварка. Такая сварка производится благодаря давлению при воздействии ультразвуковых колебаний. Данная сварка необходима при соединении металлов, у которых имеется оксидная пленка, весьма прочная.
Даже при очистке поверхностей смог пригодиться ультразвук. Это возможно благодаря его нелинейным эффектам при воздействии ультразвука на жидкость. Например, существуют ультразвуковые ванны, необходимые для мытья мелких деталей в производстве, а порой и в лабораторных целях. Стирка текстиля может осуществляться с помощью специального ультразвукового устройства.
Ультразвуковые линии задержки пригодились в такой сфере, как радиоэлектроника. Они способны задерживать один электросигнал относительно другого [1, c. 322].
Ультразвук активно начал применяться не так давно и ученые до сих пор открывают новые возможности его применения. Удивляет то, что эти волны применяются чуть ли не во всех сферах жизни человека. Но и это еще не предел. На сегодняшний день уже построены планы на создание устройств будущего: голограмм, невидимые кнопки, бесконтактные смартфоны и планшеты, левитирование малых объектов и т.д.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Петров, А.В. Высокоинтенсивный ультразвук как инструмент воздействия на наноструктурные системы в биомедицинских технологиях / А.В. Петров // Вестник ТГТУ – 2018. Том 24, №4 – С. 727 – 738
Редкозубов, В.О., Сережкин, И.А., Горичный, В.А., Рудченко И.В., Ходак А.В. Ультразвук. Применение ультразвука в биотехнологии и медицине / И.В. Рудченко // Биотехнические системы и технологии Сборник статей конференции – 2019. – С. 100-103
Суханов, А.И., Бабенко М.Г. Развитие ультразвуковых технологий / А.И. Суханов, М.Г. Бабенко // СГТУ – 2019. – С. 322-324
Стрыгина, Е.В. Современное состояние медицинских ультразвуковых диагностических устройств / Е.В. Стрыгина // Вестник ТГТУ – 2017. Том 22, №2 – С.127-129