Электрокардиография - метод исследования сердечной мышцы путём регистрации биоэлектрических потенциалов работающего сердца. Сокращению сердца предшествует возбуждение миокарда, сопровождающееся перемещением ионов через оболочку клетки миокарда, в результате которого изменяется разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями оболочки. Измерения при помощи микроэлектродов показывают, что изменение потенциалов составляет около 100 мв. В нормальных условиях отделы сердца человека охватываются возбуждением последовательно, поэтому на поверхности сердца регистрируется меняющаяся разность потенциалов между уже возбуждёнными и ещё не возбуждёнными участками. Благодаря электропроводности тканей организма, эти электрические процессы можно уловить и при размещении электродов на поверхности тела, где изменение разности потенциалов достигает 1-3 мв.

Электрофизиологические исследования сердца в эксперименте проводились ещё в 19 веке, однако внедрение метода в медицину началось после исследований Эйнтховена в 1903-1924 г., который применил малоинерционный струнный гальванометр, разработал обозначение элементов регистрируемой кривой, стандартную систему регистрации и основные критерии оценки.

Высокая информативность и относительная техническая простота метода, его безопасность и отсутствие каких-либо неудобств для больного обеспечили широкое распространение ЭКГ в медицине и физиологии. Основные узлы современного электрокардиографа – усилитель, гальванометр и регистрирующее устройство. При записи меняющейся картины распределения электрических потенциалов на движущуюся бумагу получается кривая – электро-кардиограмма (ЭКГ), с острыми и закруглёнными зубцами, повторяющимися во время каждой систолы. Зубцы принято обозначать латинскими буквами Р, Q, R, S, Т и U.

Первый из них связан с деятельностью предсердий, остальные зубцы – с деятельностью желудочков сердца. Форма зубцов в разных отведениях различна. Снятие ЭКГ у разных лиц достигается стандартными условиями регистрации: способом наложения электродов на кожу конечностей и грудной клетки (обычно используется 12 отведений), определёнными чувствительностью аппарата (1 мм = 0,1мв) и скоростью движения бумаги (25 или 50 мм/ сек.). Исследуемый находится в положении лёжа, в условиях покоя. При анализе ЭКГ оценивают наличие, величину, форму и ширину зубцов и интервалов между ними и на этом основании судят об особенностях электрических процессов в сердце в целом и в некоторой степени – об электрической активности более ограниченных участков сердечной мышцы.

В медицине ЭКГ имеет наибольшее значение для распознавания нарушений сердечного ритма, а также для выявления инфаркта миокарда и некоторых других заболеваний. Однако изменения ЭКГ отражают лишь характер нарушения электрических процессов и не являются строго специфичными для определённой болезни. Изменения ЭКГ могут возникать не только в результате заболевания, но и под влиянием обычной дневной активности, приёма пищи, лекарственного лечения и других причин. Поэтому диагноз ставится врачом не по ЭКГ, а по совокупности клинико-лабораторных признаков заболевания. Диагностические возможности возрастают при сопоставлении ряда последовательно снятых ЭКГ с интервалом в несколько дней или недель. Электрокардиограф используется также в кардиомониторах - аппаратах круглосуточного автоматического наблюдения за состоянием тяжелобольных - и для телеметрического контроля за состоянием работающего человека – в клинической, спортивной, космической медицине, что обеспечивается специальными способами наложения электродов и радиосвязью между гальванометром и регистрирующим устройством.

Биоэлектрическая активность сердца может быть зарегистрирована и другим способом. Разность потенциалов характеризуется определёнными для данного момента величиной и направлением, то есть является вектором и может быть условно представлена стрелкой, занимающей определенное положение в пространстве. Характеристики этого вектора изменяются в течение сердечного цикла так, что его начальная точка остаётся неподвижной, а конечная описывает сложную замкнутую кривую. В проекции на плоскость эта кривая имеет вид серии петель и называется векторкардиограммой (ВКГ). Приближённо она может быть построена графически на основании ЭКГ в разных отведениях. Также её можно получить и непосредственно при помощи специального аппарата – векторкардиографа, регистрирующим устройством которого является катодно-лучевая трубка, а для отведения используются две пары электродов, размещенных на пациенте в соответствующей плоскости.

Меняя положение электродов, можно получить ВКГ в различных плоскостях и составить более полное пространственное представление о характере электрических процессов. В некоторых случаях векторкардиография дополняет электрофизиологические исследования, как диагностический метод. Изучение электрофизиологических основ и клинического применения электрофизиологических исследований и векторкардиографии, совершенствование аппаратов и методов регистрации - предмет особого научного раздела медицины - электрокардиологии.

В ветеринарии электрокардиография применяется у крупных и мелких животных для диагностики изменений в сердце, возникающих в результате некоторых незаразных или инфекционных болезней. С помощью электрокардиографии у животных определяют нарушения сердечного ритма, увеличение отделов сердца и другие изменения в сердце. Электрокардиография позволяет контролировать действие на сердечную мышцу животного применяемых или испытываемых лекарственных средств.

Ультразвук – это область физики и техники, которая работает с высокочастотными звуковыми волнами. Главное условие, чтобы частота колебаний была выше 20 кГц, то есть 20 тысяч колебаний в секунду. Человеческий слух может воспринимать колебания максимум до 18 кГц, поэтому ультразвуковые волны не слышны для нас. Ультразвуковые волны имеют огромное количество медицинских и промышленных применений. Они используются в инструментах для резки, чистки, смешивания, проверки и пайки.

Ультразвуковые волны могут быть созданы тремя основными способами: путем подачи переменного тока через кристалл кварция; механическим способом – с помощью специальной сирены (рупора); с помощью воздействия магнитным полем на полый металлический стержень.

Еще в 1890 году Пьер Кюри обнаружил первый способ получения ультразвуковых колебаний. Во время второй мировой войны ультразвук нашел свое первое применение – для обнаружения субмарин под водой с помощью акустического сонара. В наши дни ультразвуковые волны нашли много важных применений.

В медицине ультразвук нашел очень широкое применение. Ультразвуковое обследование или УЗИ – это способ обследования внутренних органов пациента без операции и облучения рентгеновскими лучами. УЗИ предполагает исследование с помощью специального зонда, который помещается на поверхности кожи и излучает низкоэнергетические ультразвуковые волны внутрь организма. Отражаясь от разных тканей волны возвращаются к зонду, где преобразуются в электрический сигнал, который потом отображается на мониторе. УЗИ может быть использовано для выявления опухолей, диагностики заболеваний желчного пузыря, почек, печени и некоторых других органов. Кроме того, ультразвук используется для диагностирования состояния развития ребенка во время беременности.

Ультразвуковая энергия большей мощности может использоваться для разогрева тканей внутри организма. Этот метод может быть применен для лечения артрита, бурсита, мышечной дистрофии и других тканей. В стоматологии ультразвук применяется дл чистки зубов от зубного камня.

Другое важное свойство ультразвука, способность генерировать миллионы маленьких пузырьков в жидкости, позволяет использовать его для чистки деталей. Этот процесс называется кавитацией. Он используется для чистки лопастей винтов кораблей, хирургических инструментов и других объектов, где необходима высокая степень очистки.

Похожая с кавитацией техника позволяет использовать ультразвук для механической обработки различных твердых материалов, даже стали и бриллиантов. Жидкость и абразивный материал преобразуются ультразвуком в непрерывный поток, который способен резать материалы. Эта технология даже применяется для бурения горных пород.

Еще одно применение ультразвук нашел в области диагностирования металлических изделий на износ и брак. Посланный внутрь детали ультразвуковой поток волн, отражается от трещин и неоднородностей обратно к излучателю. Эта особенность позволяет обследовать детали транспортных средств, станков и сооружений на наличие скрытых и опасных дефектов.

Кроме вышеперечисленных применений, ультразвуковые волны также используются для окрашивания, смешивания жидкостей, пайки металлов, а также в средствах дистанционного управления и охранных сигнализациях.

Ультразвук представляет волны продольного вида, которые имеют частоту колебаний более 20 КГц. Это больше частоты колебаний, воспринимаемых человеческим слуховым аппаратом. Человек же может воспринимать частоты, находящиеся в пределах 16-20 КГц, они называются звуковыми. Ультразвуковые волны выглядят как череда сгущений и разряжений вещества или среды. Благодаря их свойствам они находят широкое применение во многих областях.

Что это

В ультразвуковой диапазон попадают частоты, начиная от 20 тысяч и до нескольких миллиардов герц. Это колебания высокой частоты, которые находятся за областью слышимости ухом человека. Однако ультразвуковые волны вполне воспринимают некоторые виды животных. Это дельфины, киты, крысы и другие млекопитающие.

По физическим свойствам ультразвуковые волны являются упругими, поэтому они не имеют отличий от звуковых. В результате разница между звуковыми и ультразвуковыми колебаниями весьма условна, ведь она зависит от субъективного восприятия слуха человека и равняется верхнему уровню слышимого звука.

Но наличие более высоких частот, а значит и небольшой длины волны, придает ультразвуковым колебаниям определенные особенности:

• Ультразвуковые частоты имеют разную скорость перемещения через различные вещества, благодаря чему можно с высокой точностью определять свойство протекающих процессов, удельную тепловую емкость газов, а также характеристики твердого тела.
• Волны значительной интенсивности обладают определенными эффектами, которые подчиняются нелинейной акустике.
• При движении ультразвуковых волн со значительной мощностью в жидкостной среде возникает явление акустической кавитации. Данное явление очень важно, ведь в результате создается поле пузырьков, которые образуются из субмикроскопических частиц газа или пара в водной или иной среде. Они пульсируют с некоторой частотой и захлопываются с огромным локальным давлением. Это создает сферические ударные волны, что ведет к появлению акустических микроскопических потоков. Благодаря использованию этого явления ученые научились очищать загрязненные детали, а также создавать торпеды, которые движутся в воде быстрее скорости звука.
• Ультразвук может быть сфокусирован и сконцентрирован, что позволяет создавать звуковые рисунки. Это свойство с успехом применяется в голографии и звуковом видении.
• Ультразвуковая волна вполне может выступать в качестве дифракционной решетки.

Свойства

Ультразвуковые волны по своим свойствам схожи со звуковыми волнами, однако у них есть и специфические особенности:

• Малая длина волны. Даже для низкой границы длина равняется менее нескольких сантиметров. Такой небольшой размер длины приводит к лучевому характеру перемещения ультразвуковых колебаний. Непосредственно рядом с излучателем волна идет в виде пучка, которая приближается к параметрам излучателя. Однако, оказываясь в условиях неоднородной среды, пучок перемещается как луч света. Он также может отражаться, рассеиваться, преломляться.
• Малый период колебаний, благодаря чему появляется возможность использования ультразвуковых колебаний в виде импульсов.
• Ультразвук нельзя услышать и он не создает раздражающего эффекта.
• При воздействии ультразвуковых колебаний на определенные среды можно добиться получения специфических эффектов. К примеру, можно создать локальный нагрев, дегазацию, обеззаразить среду, кавитацию и многие иные эффекты.

Принцип действия

Для создания ультразвуковых колебаний используются различные устройства:

• Механические, где в качества источника выступает энергия жидкости или газа.
• Электромеханические, где ультразвуковая энергия создается из электрической.

В качестве механических излучателей могут выступать свистки и сирены, работающие с помощью воздуха или жидкости. Они удобны и просты, однако у них есть свои минусы. Так коэффициент полезного действия у них находится в пределах 10-20 процентов. Они создают обширный спектр частот с нестабильной амплитудой и частотой. Это ведет к тому, что такие устройства невозможно использовать в условиях, когда требуется точность. Чаще всего их применяют в качестве средств сигнализации.

Электромеханические устройства используют принцип пьезоэлектрического эффекта. Его особенность в том, что при образовании электрозарядов на гранях кристалла происходит его сжимание и растягивание. В результате создаются колебания с частотой, зависящей от периода смены потенциала на поверхностях кристалла.

Кроме преобразователей, которые базируются на пьезоэлектрическом эффекте, могут применяться и магнитострикционные преобразователи. Они используются для создания мощного ультразвукового пучка. Сердечник, который выполнен из магнитострикционного материала, размещенный в проводящей обмотке, изменяет собственную длину согласно форме электрического сигнала, поступающего на обмотку.

Применение

Ультразвук находит широкое применение в самых разнообразных областях.

Чаще всего его используют в следующих направлениях:

• Получение данных о конкретном веществе.
• Обработка и передача сигналов.
• Воздействие на вещество.

Так при помощи ультразвуковых волн изучают:

• Молекулярные процессы в различных структурах.
• Определение концентрации веществ в растворах.
• Определение, состава, прочностных характеристик материалов и так далее.

В ультразвуковой обработке часто используется метод кавитации:

• Металлизация.
• Ультразвуковая очистка.
• Дегазация жидкостей.
• Диспергирование.
• Получение аэрозолей.
• Ультразвуковая стерилизация.
• Уничтожения микроорганизмов.
• Интенсификация электрохимических процессов.

Воздействием ультразвуковых волн в промышленности производят следующие технологические операции:

• Коагуляция.
• Горение в ультразвуковой среде.
• Сушка.
• Сварка.

В медицине ультразвуковые волны используются в терапии и диагностике. В диагностике задействуют локационные методы с применением импульсного излучения. К ним относятся ультразвуковая кардиография, эхоэнцефалография и ряд иных методов. В терапии ультразвуковые волны применяются в качестве методов, основанных на тепловом и механическом воздействии на ткани. К примеру, довольно часто во время операций используют ультразвуковой скальпель.

Также ультразвуковыми колебаниями проводится:

• Микромассаж структур ткани при помощи вибрации.
• Стимуляция регенерации клеток, а также межклеточного обмена.
• Увеличение проницаемости оболочек тканей.

Ультразвукможет действовать на ткани угнетением, стимулированием или разрушением. Все это зависит от применяемой дозы ультразвуковых колебаний и их мощности. Однако не на все области тела человека разрешается использовать такие волны. Так с определенной осторожностью воздействуют на сердечную мышцу и ряд эндокринных органов. На мозг, шейные позвонки, мошонку и ряд иных органов воздействие вовсе не используется.

Ультразвуковые колебания применяются в случаях, когда невозможно использовать рентген в:

• Травматологии используется метод эхографии, который с легкостью обнаруживает внутреннее кровотечение.
• Акушерстве волны применяются для оценки развития плода, а также его параметров.
• Кардиологии они позволяют обследовать сердечнососудистую систему.

Ультразвук в будущем

На текущий момент ультразвукшироко применяется в различных областях, но в будущем он найдет еще большее применение. Уже сегодня планируется создание фантастических для сегодняшнего дня устройств.

• В медицинских целях разрабатывается технология ультразвуковой акустической голограммы. Данная технология предполагает расположение микрочастиц в пространстве для создания необходимого изображения.
• Ученые работают над созданием технологии бесконтактных устройств, которые должны будут заменить сенсорные приборы. К примеру, уже сегодня созданы игровые устройства, которые распознают перемещения человека без непосредственного контакта. Прорабатываются технологии, которые предполагают создание невидимых кнопок, которые вполне можно ощутить руками и управлять ими. Развитие подобных технологий позволит создать бесконтактные смартфоны или планшеты. К тому же данная технология расширит возможности виртуальной реальности.
• При помощи ультразвуковых волн уже сегодня можно заставить левитировать небольшие объекты. В будущем могут появиться машины, которые будут за счет волн парить над землей и в отсутствии трения перемещаться с огромной скоростью.
• Ученые предполагают, что в будущем ультразвук позволит научить слепых людей видеть. Такая уверенность базируется на том, что летучие мыши распознают объекты с помощью отраженных ультразвуковых волн. Уже создан шлем, который преобразует отражаемые волны в слышимый звук.
• Уже сегодня люди предполагают добывать полезные ископаемые в космосе, ведь там есть все. Так астрономы нашли алмазную планету, на которой полно драгоценных камней. Но как добывать такие твердые материалы в космосе. Именно ультразвук должен будет помочь в бурении плотных материалов. Такие процессы вполне возможны даже в отсутствии атмосферы. Такие технологии бурения позволят собирать образцы, проводить исследования и добывать полезные ископаемые там, где это сегодня считается невозможным.

Если какое-либо тело колеблется в упругой среде быстрее, чем среда успевает обтекать его, оно своим движением то сжимает, то разрежает среду. Слои повышенного и пониженного давления разбегаются от колеблющегося тела во все стороны и образуют звуковые волны. Если колебания тела, создающего волну следуют друг за другом не реже, чем 16 раз в секунду не чаще, чем 18 тысяч раз в секунду, то человеческое ухо слышит их.

Частоты 16 - 18000 Гц, которые способен воспринимать слуховой аппарат человека принято называть звуковыми, например писк комара »10 кГц. Но воздух, глубины морей и земные недра наполнены звуками, лежащими ниже и выше этого диапазона - инфра и ультразвуками. В природе ультразвук встречается в качестве компонента многих естественных шумов: в шуме ветра, водопада, дождя, морской гальки, перекатываемой прибоем, в грозовых разрядах. Многие млекопитающие, например кошки и собаки, обладают способностью восприятия ультразвука частотой до 100 кГц, а локационные способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем хорошо известны. Существование неслышимых звуков было обнаружено с развитием акустики в конце XIX века. Тогда же начались первые исследования ультразвука, но основы его применения были заложены только в первой трети XX-века.

Нижней границей ультразвукового диапазона называют упругие колебания частотой от 18 кГц. Верхняя граница ультразвука определяется природой упругих волн, которые могут распространяться только при том условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул (в газах) или межатомных расстояний (в жидкостях и газах). В газах верхний предел составляет »106 кГц, в жидкостях и твёрдых телах »1010 кГц. Как правило, ультразвуком называют частоты до 106 кГц. Более высокие частоты принято называть гиперзвуком.

Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но, у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике. Вот основные из них:

• Малая длина волны. Для самого низкого ультразвукового диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя ультразвук распространяется в виде пучков по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, ультразвуковой пучок ведёт себя как световой луч, испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет формировать звуковые изображения в оптически непрозрачных средах, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.)
• Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.
• Возможность получения высоких значений энергии колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.
• В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения. Поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические эффекты: физические, химические, биологические и медицинские. Такие как кавитация, звукокапиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.
• Ультразвук неслышим и не создаёт дискомфорта обслуживающему персоналу.

История ультразвука. Кто открыл ультразвук.

Внимание к акустике было вызвано потребностями морского флота ведущих держав - Англии и Франции, т.к. акустический - единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. Эксперимент Колладона считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась Колладоном на расстоянии 10 миль. Он также слышал звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, Колладон вычислил скорость звука - 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.

В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт корабля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола (как, впрочем, и подрыв в воде пороховых патронов), давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.

Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Фрэнсис Гальтон . Ультразвук создавался подобно свисту на острие ножа, если на него дуть. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух или другой газ, выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на кромку, и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.

В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо "пьезоэлектричество" от греческого слова, означающего "нажать". Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

Гибель «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы с новым оружием - подводными лодками требовали быстрого развития ультразвуковой гидроакустики. В 1914 году, французский физик Поль Ланжевен совместно с талантливым русским учёным-эмигрантом - Константином Васильевичем Шиловским впервые разработали гидролокатор, состоящий из излучателя ультразвука и гидрофона - приёмника УЗ колебаний, основанный на пьезоэффекте. Гидролокатор Ланжевена - Шиловского, был первым ультразвуковым устройством , применявшимся на практике. Тогда же российский ученый С.Я.Соколов разработал основы ультразвуковой дефектоскопии в промышленности. В 1937 году немецкий врач-психиатр Карл Дуссик, вместе с братом Фридрихом, физиком, впервые применили ультразвук для обнаружения опухолей головного мозга, но результаты, полученные ими, оказались недостоверными. В медицинской практике ультразвук впервые стал применяться только с 50-х годов XX-го века в США.

Получение ультразвука.

Излучатели ультразвука можно разделить на две большие группы:

1) Колебания возбуждаются препятствиями на пути струи газа или жидкости, или прерыванием струи газа или жидкости. Используются ограниченно, в основном для получения мощного УЗ в газовой среде.

2) Колебания возбуждаются преобразованием в механические колебаний тока или напряжения. В большинстве ультразвуковых устройств используются излучатели этой группы: пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи.

Кроме преобразователей, основанных на пьезоэффекте, для получения мощного ультразвукового пучка используются магнитострикционные преобразователи. Магнитострикция - это изменение размеров тел при изменении их магнитного состояния. Сердечник из магнитострикционного материала, помещённый в проводящую обмотку меняет свою длину в соответствии с формой токового сигнала, проходящего по обмотке. Данное явление, открытое в 1842 г. Джеймсом Джоулем, свойственно ферромагнетикам и ферритам. Наиболее употребительные магнитострикционные материалы это сплавы на основе никеля, кобальта, железа и алюминия. Наибольшей интенсивности ультразвукового излучения позволяет достичь сплав пермендюр (49%Co, 2%V, остальное Fe), который используется в мощных УЗ излучателях. В частности в , выпускаемых нашим предприятием.

Применение ультразвука.

Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:

• получение информации о веществе
• воздействие на вещество
• обработка и передача сигналов

Зависимость скорости распространения и затухания акустических волн от свойств вещества и процессов в них происходящих, используется в таких исследованиях:

• изучение молекулярных процессов в газах, жидкостях и полимерах
• изучение строения кристаллов и других твёрдых тел
• контроль протекания химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и др.
• определение концентрации растворов
• определение прочностных характеристик и состава материалов
• определение наличия примесей
• определение скорости течения жидкости и газа

Информацию о молекулярной структуре вещества даёт измерение скорости и коэффициента поглощения звука в нём. Это позволяет измерять концентрацию растворов и взвесей в пульпах и жидкостях, контролировать ход экстрагирования, полимеризации, старения, кинетику химических реакций. Точность определения состава веществ и наличия примесей ультразвуком очень высока и составляет доли процента.

Измерение скорости звука в твёрдых телах позволяет определять упругие и прочностные характеристики конструкционных материалов. Такой косвенный метод определения прочности удобен простотой и возможностью использования в реальных условиях.

Ультразвуковые газоанализаторы осуществляют слежение за процессами накопления опасных примесей. Зависимость скорости УЗ от температуры используется для бесконтактной термометрии газов и жидкостей.

На измерении скорости звука в движущихся жидкостях и газах, в том числе неоднородных (эмульсии, суспензии, пульпы), основаны ультразвуковые расходомеры, работающие на эффекте Допплера. Аналогичная аппаратура используется для определения скорости и расхода потока крови в клинических исследованиях.

Большая группа методов измерения основана на отражении и рассеянии волн ультразвука на границах между средами. Эти методы позволяют точно определять местонахождение инородных для среды тел и используются в таких сферах как:

• гидролокация
• неразрушающий контроль и дефектоскопия
• медицинская диагностика
• определения уровней жидкостей и сыпучих тел в закрытых ёмкостях
• определения размеров изделий
• визуализация звуковых полей — звуковидение и акустическая голография

Отражение, преломление и возможность фокусировки ультразвука используется в ультразвуковой дефектоскопии, в ультразвуковых акустических микроскопах, в медицинской диагностике, для изучения макронеоднородностей вещества. Наличие неоднородностей и их координаты определяются по отражённым сигналам или по структуре тени.

Методы измерения, основанные на зависимости параметров резонансной колебательной системы от свойств нагружающей его среды (импеданс), применяются для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкостей, для измерения толщины деталей, доступ к которым возможен только с одной стороны. Этот же принцип лежит в основе УЗ твердомеров, уровнемеров, сигнализаторов уровня. Преимущества УЗ методов контроля: малое время измерений, возможность контроля взрывоопасных, агрессивных и токсичных сред, отсутствие воздействия инструмента на контролируемую среду и процессы.

Воздействие ультразвука на вещество.

Воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, широко используется в промышленности. При этом механизмы воздействия ультразвука различны для разных сред. В газах основным действующим фактором являются акустические течения, ускоряющие процессы тепломассообмена. Причём эффективность УЗ перемешивания значительно выше обычного гидродинамического, т.к. пограничный слой имеет меньшую толщину и как следствие, больший градиент температуры или концентрации. Этот эффект используется в таких процессах, как:

• ультразвуковая сушка
• горение в ультразвуковом поле
• коагуляция аэрозолей

В ультразвуковой обработке жидкостей основным действующим фактором является кавитация . На эффекте кавитации основаны следующие технологические процессы:

• ультразвуковая очистка
• металлизация и пайка
• звукокапиллярный эффект — проникновение жидкостей в мельчайшие поры и трещины. Применяется для пропитки пористых материалов и имеет место при любой ультразвуковой обработке твёрдых тел в жидкостях.
• кристаллизация
• интенсификация электрохимических процессов
• получение аэрозолей
• уничтожения микроорганизмов и ультразвуковая стерилизация инструментов

Акустические течения — один из основных механизмов воздействия ультразвука на вещество. Он обусловлен поглощением ультразвуковой энергии в веществе и в пограничном слое. Акустические потоки отличаются от гидродинамических малой толщиной пограничного слоя и возможностью его утонения с увеличением частоты колебаний. Это приводит к уменьшению толщины температурного или концентрационного погранслоя и увеличению градиентов температуры или концентрации, определяющих скорость переноса тепла или массы. Это способствует ускорению процессов горения, сушки, перемешивания, перегонки, диффузии, экстракции, пропитки, сорбции, кристаллизации, растворения, дегазации жидкостей и расплавов. В потоке с высокой энергией влияние акустической волны осуществляется за счёт энергии самого потока, путём изменения его турбулентности. В этом случае акустическая энергия может составлять всего доли процентов от энергии потока.

При прохождении через жидкость звуковой волны большой интенсивности, возникает так называемая акустическая кавитация . В интенсивной звуковой волне во время полупериодов разрежения возникают кавитационные пузырьки, которые резко схлопываются при переходе в область повышенного давления. В кавитационной области возникают мощные гидродинамические возмущения в виде микроударных волн и микропотоков. Кроме того, схлопывание пузырьков сопровождается сильным локальным разогревом вещества и выделением газа. Такое воздействие приводит к разрушению даже таких прочных веществ, как сталь и кварц. Этот эффект используется для диспергировании твёрдых тел, получения мелкодисперсных эмульсий несмешивающихся жидкостей, возбуждения и ускорения химических реакций, уничтожения микроорганизмов, экстрагирования из животных и растительных клеток ферментов. Кавитация определяет также такие эффекты как слабое свечение жидкости под действием ультразвука - звуколюминесценция , и аномально глубокое проникновение жидкости в капилляры - звукокапиллярный эффект .

Кавитационное диспергирование кристаллов карбоната кальция (накипи) лежит в основе акустических противонакипных устройств . Под воздействием ультразвука происходит раскалывание частиц, находящихся в воде, их средние размеры уменьшаются с 10 до 1 микрона, увеличивается их количество и общая площадь поверхности частиц. Это приводит к переносу процесса образования накипи с теплообменной поверхности в непосредственно в жидкость. Ультразвук так же воздействует и на сформированный слой накипи, образуя в нем микротрещины способствующие откалыванию кусочков накипи с теплообменной поверхности.

В установках по ультразвуковой очистке с помощью кавитации и порождаемых ею микропотоков удаляют загрязнения как жёстко связанные с поверхностью, типа окалины, накипи, заусенцев, так и мягкие загрязнения типа жирных плёнок, грязи и т.п. Этот же эффект используется для интенсификации электролитических процессов.

Под действием ультразвука возникает такой любопытный эффект, как акустическая коагуляция, т.е. сближение и укрупнение взвешенных частиц в жидкости и газе. Физический механизм этого явления ещё не окончательно ясен. Акустическая коагуляция применяется для осаждения промышленных пылей, дымов и туманов при низких для ультразвука частотах до 20 кГц. Возможно, что благотворное действие звона церковных колоколов основано на этом эффекте.

Механическая обработка твёрдых тел с применением ультразвука основана на следующих эффектах:

• уменьшение трения между поверхностями при УЗ колебаниях одной из них
• снижение предела текучести или пластическая деформация под действием УЗ
• упрочнение и снижение остаточных напряжений в металлах под ударным воздействием инструмента с УЗ частотой
• Комбинированное воздействие статического сжатия и ультразвуковых колебаний используется в ультразвуковой сварке

Различают четыре вида мехобработки с помощью ультразвука:

• размерная обработка деталей из твёрдых и хрупких материалов
• резание труднообрабатываемых материалов с наложением УЗ на режущий инструмент
• снятие заусенцев в ультразвуковой ванне
• шлифование вязких материалов с ультразвуковой очисткой шлифовального круга

Действия ультразвука на биологические объекты вызывает разнообразные эффекты и реакции в тканях организма, что широко используется в ультразвуковой терапии и хирургии. Ультразвук является катализатором, ускоряющим установление равновесного, с точки зрения физиологии состояния организма, т.е. здорового состояния. УЗ оказывает на больные ткани значительно большее влияние, чем на здоровые. Также используется ультразвуковое распыление лекарственных средств при ингаляциях. Ультразвуковая хирургия основана на следующих эффектах: разрушение тканей собственно сфокусированным ультразвуком и наложение ультразвуковых колебаний на режущий хирургический инструмент.

Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электронных сигналов и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. Малая скорость ультразвука используется в линиях задержки. Управление оптическими сигналами основывается на дифракции света на ультразвуке. Один из видов такой дифракции - т.н.брегговская дифракция зависит от длины волны ультразвука, что позволяет выделить из широкого спектра светового излучения узкий частотный интервал, т.е. осуществлять фильтрацию света.

Ультразвук чрезвычайно интересная вещь и можно предположить, что многие возможности его практического применения до сих пор не известны человечеству. Мы любим и знаем ультразвук и будем рады обсудить любые идеи, связанные его применением.

Где применяется ультразвук - сводная таблица

Наше предприятие, ООО «Кольцо-энерго», занимается производством и монтажом акустических противонакипных устройств «Акустик-Т». Устройства, выпускаемые нашим предприятием, отличаются исключительно высоким уровнем ультразвукового сигнала, что позволяет им работать на котлах без водоподготовки и пароводяных бойлерах с артезианской водой. Но предотвращение накипи - очень малая часть того, что может ультразвук. У этого удивительного природного инструмента огромные возможности и мы хотим рассказать вам о них. Сотрудники нашей компании много лет работали в ведущих российских предприятиях, занимающихся акустикой. Мы знаем об ультразвуке очень много. И если вдруг возникнет необходимость применить ультразвук в вашей технологии,

УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Механические волны, у которой частота колебаний превышает 20000 Гц, называется ультразвуковым излучением. За последние годы это излучение нашло широкое распространение в медицине для диагностики патологических состояний и для лечения заболеваний. Использование ультразвуковых волн основано на его физических свойствах и механизмах взаимодействия с веществом. Рассмотрим способы получения ультразвуковых излучений, их физические свойства, механизмы взаимодействия с живым организмом и биофизические принципы, которые определяют его практическое использование в медицине.

ИСТОЧНИКИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ

Получение ультразвука основано на двух физических явлениях пьезоэффекте и магнитострикции. Различают прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Прямой пьезоэффект зак лючается в том, что при механических воздействиях на некоторые кристаллические тела возникают электрические поля. Так например, если к кварцевой пластине приложена механическая сила F , на ее поверхностях возникают электрические заряды и, следовательно, электрическое поле. В данном случае кристалл служит преобразователем механического воздействия в электрический сигнал. Если к такому кристаллу подвести переменное электрическое напряжение U=U m sin w t, будет наблюдаться обратный пьезоэлектрический эффект - изменение толщины пластины h во времени по закону изменения приложенного напряжения h = h о + D h sin w t. При периодическом изменении положения поверхности кристалла возникают колебания молекул среды, которые распространяются в среде в виде механической волны. Если частота переменного напряжения будет достаточно велика (f > 20000 Гц), в среде возникают ультразвуковые волны

Как известно, интенсивность механических волн определяется частотой, амплитудой колебания молекул и механическим импедансом среды I =(Z w 2 Х 2 )/2. Поэтому получение мощных ультразвуковых излучений требует достаточно больших смещений поверхности пьезокристалла и молекул среды. С помощью обратного пьезоэффекта не удается получить высокоинтенсивное излучение, поскольку пьезокристаллы обладают высокой хрупкостью и малой прочностью. С увеличением амплитуды приложенного напряжения изменение толщины кристалла h достигает такой выраженности, что он разрушается. Более мощный ультразвук получают в результате использования магнитострикции. Этот феномен основан на способности ферромагнитных тел изменять свои геометрические размеры в магнитных полях. Если стержень из такого ферромагнитного материала поместить в соленоид и приложить к его об

мотке переменное электрическое поле, в соленоиде будет протекают переменный электрический ток. Этот ток создает переменное магнитное поле с индукцей В, которое вызывает соответствующее изменение длины стержня Колеблющиеся поверхности торцов стержня приводят в колебательное движение молекулы среды и этот процесс распространяется в пространстве в виде ультразвуковой волны.

С помощью явления магнитострикции можно получать значительно более интенсивное ультразвуковое излучение по сравнению с пьезоэффектом, поскольку ферромагнитный стержень обладает существенно большей прочностью. Как уже отмечалось, ультразвук имеет довольно высокую частоту и, следовательно, малую длину волны. Так например, для наиболее распространенных в физиотерапии ультразвуковых генераторах УЗТ-101 частота равна 880 кГц, т.е. 880000 Гц. Поэтому длина ультразвуковой волны при распространении в воздухе составляет:

l = С: f = 330: 880000 = 0,000375 м = 0,375 мм.

Здесь С - скорость распространения механических волн в воздухе, f - частота ультразвука. Такая малая длина волны определяет особенности ее распространения в среде. Из физики известно, что явление дифракции зависит от длины волны: чем больше длина, тем сильнее дифрагируют волны. Следовательно ультразвук должен слабо дифрагировать при распространении в однородных средах и его можно собирать в виде достаточно узких направленных ультразвуковых пучков.

Концентрация ультразвука осуществляется в результате использования специальных устройств - ультразвуковых концентраторов, принип работы которых основан на полном внутреннем отражении. Ультразвуковое излучение, генерируемое с помощью магнитострикции, поступает в концентратор, изготовленный из материала с высокой прочностью и плотностью (наиболее часто используются металлы). При распространении излучения оно достигает границы раздела и полностью отражается, поскольку механический импеданс материала концентратора значительно больше импеданса среды. Интенсивность ультразвука, поступающего через поверхность S 1 в единицу времени можно выразить в виде: I 1 = E/(S 1 t), где t длительность излучения, а Е = I 1 S 1 t - энергия, которую генерирует излучатель. Если пренебречь потерями энергии в концентраторе, то и через поверхность S 2 в единицу времени в среду поступает такая же энергия: Е = I 2 S 2 t = I 1 S 1 t

Откуда следует вывод: I 2 = I 1 S 1 /S 2 . Поскольку S 1 >> S 2 , в концентраторе происходит не только формирование узкого пучка, но и увеличение интенсивности излучения.

МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАЗВУКА С ВЕЩЕСТВОМ

Наибольший практический интерес вызывают следующие механизмы взаимодействия ультразвука и физические эффекты в веществе: выделение тепла, радиационное давление, образование конвекционных потоков и кавитация.

При прохождении ультразвука в любой среде механическая волна преодолевает сопротивление вязких сил. Поэтому часть механической энергии теряется в веществе и выделяется в виде тепла. Как следует из теории волновых процессов, по мере распространения ультразвуковой волны ее интенсивность уменьшается по закону I = I о e -b X , где b - коэффициент поглощения, зависящий от вязкости, плотности среды и частоты волны. Поскольку частота ультразвука достаточно велика, поглощение энергии и выделение тепла достаточно значительно, особенно в материалах с высокой плотностью (в костной ткани). При воздействии очень интенсивных ультразвуковых излучений тепловой нагрев настолько выражен, что происходит разрушение биологических тканей. На этом основано хирургическое использование ультразвуковых волн, и ультразвуковые излучатели применяются как своеобразные скальпели. С помощью ультразвука можно разрушать не только мягкие ткани, но и кости.

Как уже отмечалось, механическая волна оказывает давление P = Z w X m на препятствие, которое встречается на ее пути. Не составляет исключения и ультразвуковые волны. Поскольку ультразвук имеет достаточно высокую частоту w , величина радиационного давления довольно значительная.

При распространении ультразвуковых волн в неоднородных гетерогенных жидких средах возникают области с неодинаковым давлением, между которыми происходит перемещение жидкости. Образующиеся при этом потоки носят название конвекционных. Они способствуют перемешиванию среды и увеличению скоростей химических реакций.

В жидких средах при воздействии высокоинтенсивного ультразвука наблюдается явление, которое получило название кавитации (от латинского слова cavum - полость). В этом случае образуются полости, заполненные насыщенным паром жидкости.

Образование полостей объясняется следующим механизмом.В объеме жидкости, через который проходит ультразвуковая волна, давление изменяется с течением времени по синусоидальному закону. В один из полупериодов давление положительное и возникающие при этом механические силы стремятся сблизить молекулы жидкой среды. В следующий полупериод, когда давление становится отрицательным, механические силы стремятся увеличить расстояние между молекулами. Если эти силы превосходят силы межмолекулярного притяжения, возникает "разрыв" жидкости и формируется газовая полость. При кавитации в жидких средах возникают очень большие механические напряжения, способные разрушать любые материальные тела. На этом эффекте основана стерилизация жидких сред в результате кавитационного разрушения микроорганизмов.

ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В МЕДИЦИНЕ

В медицинской практике ультразвук используется для диагностики патологических состояний, терапевтического и хирургического лечения. Лечебное действие ультразвука основано на термическом эффекте, формировании конвекционных потоков и способности создавать радиационное давление. При относительно низких интенсивностях ультразвуковой волны в мягких тканях организма, содержащих достаточное количество растворов, возникают конвекцонные потоки, которые перемешивают молекулы химических соединений и ускоряют химические реакции и, следовательно, биологические процессы. Этому же явлению способствует и ультразвуковое нагревание ткани.

На основании радиационного давления ультразвука в жидких средах разработан метод лечения - фонофорез. Эта лечебная процедура заключается в том, что с помощью радиационного давления в организм без повреждения его поверхности вводят лекарственные вещества. Для проведения фонофореза На поверх ность организма наносят слой раствора 2, содержащий молекулы 3 лекарственного вещества и устанавливают ультразвуковой излучатель 1. При подаче переменного электрического напряжения U возникает ультразвуковое излучение, которое создает в растворе радиационное давление. Поэтому на молекулы действуют силы F, которые заставляют их перемещаться в ткань. Скорость введения лекарственного вещества зависит от интенсивности ультразвука (величины давления и силы F), а также от сопротивления ткани движению молекул. С помощью фонофореза удается вводить лекарственные вещества в поверхностно расположенные патологические очаги. Наиболее перспективно применение фонофореза в стоматологии, поскольку слизистая полости рта оказывает значительно меньшее сопротивление перемещению молекул, чем кожа.

Особенно широкое применение ультразвук нашел для диагностики патологических состояний. Этот метод основан на физических механизмах взаимодействия ультразвукового излучения с тканями организма.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ЭХО-ЛОКАЦИИ

Эхо-локация - ультразвуковой метод диагностики патологических состояний, основан на отражении ультразвуковой волны от тканей и органов человека. На рисунке 63 изображена схема, иллюстрирующая использование этого метода. На поверхность тела устанавливается пьзокерамический элемент ПК, способный на основе обратного пьезоэффекта генерировать ультразвуковые колебания и преобразовывать ультразвуковые волны при помощи прямого пьезоэффекта. Пьезокристалл может подключаться к генератору Г 1 высокочастотного электрического напряжения или к электронному усилителю У с помощью переключателя П. Когда излучается ультразвук от генератора Г 1 в течение времени t 1 подается импульс высокочастотного напряжения и через поверхность организма поступает импульс ультразвукового излучения с интенсивностью Io. В течение времени t 2 пьезокристалл подключен к электронному усилителю. Ультразвуковой импульс, распространяясь в организме, достигает границы раздела между средами имеющими различные механические импедансы Z 1 и Z 2 . Чем сильнее отличаются эти импедансы, тем больше отражается энергии I 1 . Отраженный импульс достигает пьезокристалла, преобразуется в переменное электрическое напряжение и после усиления поступает на вертикальные пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). На горизонтальные пластины подается от генератора Г 2 пилообразное напряжение U 2 , обеспечивающее равномерное движение электронного луча по горизонтали. Начало движения луча совпадает с моментом излучения ультразвукового импульса. Когда отраженный импульс достигает ПК на ЭЛТ возникает импульс через время t 1 . Следовательно, за время t 1 ультразвуковой импульс достигает границы раздела с органом и возвращается обратно, проходя путь, равный 2l 1 , где l 1 - расстояние от поверхности тела до органа. Зная время t 1 , можно определить это расстояние до органа: l 1 = C t 1 / 2, где С - скорость распространения ультразвука в организме. При достижении ультразвука второй границы раздела происходит отражение в направлении ПК ЭЛТ и через время t 2 возникает второй электрический импульс. За это время ультразвуковая волна прошла расстояние 2l 2 . Тогда расстояние до второй границы раздела:

1 )/2. Таким образом, измеряя с помощью электронного осцилографа время прихода отраженных импульсов, можно получить очень ценную диагностическую информацию о морфологии (размерах) внутренних органов. Если внутри органа находятся патологические очаги, механические импедансы которых отличаются от импеданса ткани, то на ЭЛТ появляются дополнительные электрические импульсы. Регист рируя время их появления, можно опре делить размеры патологического очага и его расположение внутри органа. Особенно эффективна эхо-локация для обнаружения камней в почках и печени.

В ходе совершенствования метода ультразвуковой эхо-локации были разработаны более совершенные диагностические аппараты, позволяющие не только регистрировать отраженные электрические импульсы, но и получать изображение внутренних органов и тканей. Необходимо подчеркнуть, что ультразвуковая диагностика значительно безопасней чем рентгенодиагностика. И поэтому она получила достаточно широкое распространение особенно в акушерстве для исследования морфологических особенностей плода.