21. stoljeće je stoljeće radio elektronike, atoma, istraživanja svemira i ultrazvuka. Znanost o ultrazvuku danas je relativno mlada. Krajem 19. stoljeća, P. N. Lebedev, ruski fiziolog, proveo je svoje prve studije. Nakon toga, mnogi eminentni znanstvenici počeli su proučavati ultrazvuk.
Što je ultrazvuk?
Ultrazvuk je valovito oscilatorno gibanje koje se širi od čestica medija. Ima svoje karakteristike po kojima se razlikuje od zvukova čujnog raspona. Relativno je lako dobiti usmjereno zračenje u ultrazvučnom rasponu. Osim toga, dobro se fokusira, pa se zbog toga povećava intenzitet oscilacija. Kada se širi u čvrstim, tekućinama i plinovima, ultrazvuk dovodi do zanimljivih pojava koje su našle praktičnu primjenu u mnogim područjima tehnologije i znanosti. To je ono što je ultrazvuk, čija je uloga u raznim sferama života danas vrlo velika.
Uloga ultrazvuka u znanosti i praksi
Ultrazvuk je posljednjih godina počeo igrati u znanstvenim istraživanjimasve važniju ulogu. Uspješno su provedena eksperimentalna i teorijska istraživanja u području akustičkih strujanja i ultrazvučne kavitacije, što je omogućilo znanstvenicima da razviju tehnološke procese koji nastaju pri izlaganju ultrazvuku u tekućoj fazi. To je moćna metoda za proučavanje raznih pojava u takvom polju znanja kao što je fizika. Ultrazvuk se koristi, na primjer, u fizici poluvodiča i čvrstog stanja. Danas se formira zasebna grana kemije pod nazivom "ultrazvučna kemija". Njegova primjena omogućuje ubrzanje mnogih kemijsko-tehnoloških procesa. Rođena je i molekularna akustika – nova grana akustike koja proučava molekularnu interakciju zvučnih valova s materijom. Pojavila su se nova područja primjene ultrazvuka: holografija, introskopija, akustoelektronika, ultrazvučno mjerenje faze, kvantna akustika.
Uz eksperimentalni i teorijski rad na ovom području danas je obavljeno mnogo praktičnog rada. Razvijeni su posebni i univerzalni ultrazvučni strojevi, instalacije koje rade pod povećanim statičkim tlakom itd. U proizvodnju su uvedene automatske ultrazvučne instalacije uključene u proizvodne linije koje mogu značajno povećati produktivnost rada.
Više o ultrazvuku
Razgovarajmo više o tome što je ultrazvuk. Već smo rekli da su to elastični valovi i oscilacije. Frekvencija ultrazvuka je više od 15-20 kHz. Subjektivna svojstva našeg sluha određuju donju granicu ultrazvučnih frekvencija, kojaodvaja ga od frekvencije čujnog zvuka. Ova granica je, dakle, uvjetna i svatko od nas drugačije definira što je ultrazvuk. Gornju granicu označavaju elastični valovi, njihova fizička priroda. Oni se šire samo u materijalnom mediju, odnosno valna duljina mora biti znatno veća od srednjeg slobodnog puta molekula prisutnih u plinu ili međuatomske udaljenosti u krutim tvarima i tekućinama. Pri normalnom tlaku u plinovima, gornja granica ultrazvučnih frekvencija je 109 Hz, a u krutim tvarima i tekućinama - 1012-10 13 Hz.
Ultrazvučni izvori
Ultrazvuk se u prirodi nalazi i kao sastavni dio mnogih prirodnih zvukova (vodopad, vjetar, kiša, kamenčići koje je kotrljao surf, kao i u zvukovima koji prate grmljavinu, itd.), i kao sastavni dio životinjski svijet. Neke vrste životinja ga koriste za orijentaciju u prostoru, otkrivanje prepreka. Također je poznato da dupini u prirodi koriste ultrazvuk (uglavnom frekvencije od 80 do 100 kHz). U tom slučaju, snaga lokacijskih signala koje emitiraju može biti vrlo velika. Poznato je da dupini mogu otkriti jata riba do kilometar udaljenosti.
Emiteri (izvori) ultrazvuka podijeljeni su u 2 velike skupine. Prvi su generatori, u kojima se oscilacije pobuđuju zbog prisutnosti prepreka u njima instaliranih na putu stalnog protoka - mlaza tekućine ili plina. Druga skupina u koju se mogu kombinirati izvori ultrazvuka jeelektroakustični pretvarači koji pretvaraju dane fluktuacije struje ili električnog napona u mehaničku vibraciju koju stvara čvrsto tijelo koje zrači akustične valove u okolinu.
Ultrazvučni prijemnici
Na srednjim i niskim frekvencijama, ultrazvučni prijemnici su najčešće piezoelektrični elektroakustični pretvarači. Mogu reproducirati oblik primljenog akustičkog signala, predstavljen kao vremenska ovisnost zvučnog tlaka. Uređaji mogu biti širokopojasni ili rezonantni, ovisno o uvjetima primjene za koje su namijenjeni. Toplinski prijamnici koriste se za dobivanje vremenski prosječnih karakteristika zvučnog polja. Oni su termistori ili termoelementi obloženi tvari koja apsorbira zvuk. Zvučni tlak i intenzitet također se mogu procijeniti optičkim metodama, kao što je difrakcija svjetlosti ultrazvukom.
Gdje se koristi ultrazvuk?
Postoji mnoga područja njegove primjene, uz korištenje različitih značajki ultrazvuka. Ova područja se mogu grubo podijeliti u tri područja. Prvi od njih povezan je s dobivanjem različitih informacija pomoću ultrazvučnih valova. Drugi smjer je njegov aktivni utjecaj na tvar. A treći je povezan s prijenosom i obradom signala. U svakom slučaju koristi se US određenog frekvencijskog raspona. Pokriti ćemo samo neka od mnogih područja u kojima je pronašao svoj put.
Ultrazvučno čišćenje
Kvaliteta ovog čišćenja ne može se usporediti s drugim metodama. Prilikom ispiranja dijelova, na primjer, na njihovoj površini ostaje do 80% onečišćenja, oko 55% - kod čišćenja vibracijama, oko 20% - kod ručnog čišćenja, a kod ultrazvučnog čišćenja ne ostane više od 0,5% onečišćenja. Detalji koji imaju složen oblik mogu se dobro očistiti samo uz pomoć ultrazvuka. Važna prednost njegove uporabe je visoka produktivnost, kao i niski troškovi fizičkog rada. Štoviše, skupa i zapaljiva organska otapala možete zamijeniti jeftinim i sigurnim vodenim otopinama, koristiti tekući freon, itd.
Ozbiljan problem je onečišćenje zraka čađom, dimom, prašinom, metalnim oksidima itd. Ultrazvučnu metodu čišćenja zraka i plina možete koristiti u otvorima za plin, bez obzira na vlažnost i temperaturu okoline. Ako se ultrazvučni emiter stavi u komoru za taloženje prašine, njegova učinkovitost će se povećati stotine puta. Koja je bit takvog pročišćavanja? Čestice prašine koje se nasumično kreću u zraku udaraju jedna o drugu jače i češće pod utjecajem ultrazvučnih vibracija. Istodobno, njihova veličina se povećava zbog činjenice da se spajaju. Koagulacija je proces povećanja čestica. Posebni filtri hvataju njihove ponderirane i uvećane skupine.
Obrada krhkih i super tvrdih materijala
Ako uđete između obratka i radne površine alata pomoću ultrazvuka, abrazivnog materijala, tada abrazivne čestice tijekom radaemiter će utjecati na površinu ovog dijela. U tom slučaju materijal se uništava i uklanja, podvrgava obradi pod djelovanjem raznih usmjerenih mikro-udara. Kinematika obrade sastoji se od glavnog pokreta - rezanja, odnosno uzdužnih vibracija koje vrši alat, i pomoćnog - pomaka koji stroj vrši.
Ultrazvuk može obavljati razne poslove. Za abrazivna zrna izvor energije su uzdužne vibracije. Uništavaju obrađeni materijal. Kretanje hrane (pomoćno) može biti kružno, poprečno i uzdužno. Ultrazvučna obrada je preciznija. Ovisno o veličini zrna abraziva, kreće se od 50 do 1 mikrona. Koristeći alate raznih oblika, možete napraviti ne samo rupe, već i složene rezove, zakrivljene sjekire, gravirati, brusiti, izraditi matrice, pa čak i izbušiti dijamant. Materijali koji se koriste kao abrazivi - korund, dijamant, kvarcni pijesak, kremen.
Ultrazvuk u radioelektronici
Ultrazvuk u tehnologiji često se koristi u području radio elektronike. U ovom području često postaje potrebno odgoditi električni signal u odnosu na neki drugi. Znanstvenici su pronašli dobro rješenje sugerirajući korištenje ultrazvučnih linija odgode (skraćeno LZ). Njihovo djelovanje temelji se na činjenici da se električni impulsi pretvaraju u ultrazvučne mehaničke vibracije. Kako se to događa? Činjenica je da je brzina ultrazvuka znatno manja od one koju razvijaju elektromagnetske oscilacije. Pulsnapon nakon obrnute transformacije u električne mehaničke vibracije bit će odgođen na izlazu linije u odnosu na ulazni impuls.
Piezoelektrični i magnetostriktivni pretvarači koriste se za pretvaranje električnih vibracija u mehaničke i obrnuto. LZ se dijele na piezoelektrične i magnetostriktivne.
Ultrazvuk u medicini
Različite vrste ultrazvuka koriste se za utjecaj na žive organizme. U medicinskoj praksi njegova je uporaba sada vrlo popularna. Temelji se na učincima koji se javljaju u biološkim tkivima kada ultrazvuk prolazi kroz njih. Valovi uzrokuju fluktuacije u česticama medija, što stvara svojevrsnu mikromasažu tkiva. A apsorpcija ultrazvuka dovodi do njihovog lokalnog zagrijavanja. Istodobno se u biološkim medijima događaju određene fizikalno-kemijske transformacije. Ove pojave ne uzrokuju nepovratnu štetu u slučaju umjerenog intenziteta zvuka. Oni samo poboljšavaju metabolizam, te stoga doprinose vitalnoj aktivnosti tijela izloženog njima. Takvi se fenomeni koriste u ultrazvučnoj terapiji.
Ultrazvuk u kirurgiji
Kavitacija i jako zagrijavanje pri visokim intenzitetima dovode do razaranja tkiva. Ovaj učinak se danas koristi u kirurgiji. Za kirurške zahvate koristi se fokusirani ultrazvuk, koji omogućuje lokalnu destrukciju u najdubljim strukturama (npr. mozak), bez oštećenja okolnih. Ultrazvuk se također koristi u kirurgijialati kod kojih radni kraj izgleda kao turpija, skalpel, igla. Vibracije koje su im nametnute daju nove kvalitete tim instrumentima. Potrebna sila je značajno smanjena, stoga se smanjuje traumatizam operacije. Osim toga, očituje se analgetski i hemostatski učinak. Udar tupim instrumentom ultrazvukom se koristi za uništavanje određenih vrsta novotvorina koje su se pojavile u tijelu.
Utjecaj na biološka tkiva provodi se radi uništavanja mikroorganizama i koristi se u procesima sterilizacije lijekova i medicinskih instrumenata.
Istraživanje unutarnjih organa
Uglavnom govorimo o proučavanju trbušne šupljine. U tu svrhu koristi se poseban uređaj. Ultrazvuk se može koristiti za pronalaženje i prepoznavanje različitih tkivnih i anatomskih anomalija. Izazov je često sljedeći: sumnja se na malignitet i treba ga razlikovati od benigne ili infektivne lezije.
Ultrazvuk je koristan u pregledu jetre i za druge poslove, koji uključuju otkrivanje opstrukcija i bolesti žučnih puteva, kao i pregled žučnog mjehura radi otkrivanja prisutnosti kamenaca i drugih patologija u njemu. Osim toga, može se koristiti testiranje na cirozu i druge difuzne benigne bolesti jetre.
U području ginekologije, uglavnom u analizi jajnika i maternice, primjena ultrazvuka je dugotrajnaglavni smjer u kojem se posebno uspješno provodi. Često je ovdje potrebna i diferencijacija benignih i malignih formacija, što obično zahtijeva najbolji kontrast i prostornu razlučivost. Slični zaključci mogu biti korisni u proučavanju mnogih drugih unutarnjih organa.
Primjena ultrazvuka u stomatologiji
Ultrazvuk je također pronašao svoj put u stomatologiji, gdje se koristi za uklanjanje zubnog kamenca. Omogućuje brzo, beskrvno i bezbolno uklanjanje plaka i kamenca. Istodobno, oralna sluznica nije ozlijeđena, a "džepovi" šupljine su dezinficirani. Umjesto boli, pacijent doživljava osjećaj topline.
