История развития ультразвуковых технологий в науке и производстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Первые шаги в изучении ультразвука

2. Первое применение ультразвука. Титаник и эхолотирование

3. Развитие ультразвука в промышленности

4. Ультразвук в медицине

Заключение

Библиография



Перечень условных обозначений, терминов и сокращений

УЗ - Ультразвук, ультразвуковой

МС - Магнитострикция, магнитострикционный

ПЭ - Пьезоэлектричество, пьезоэлектрический

УЗИ - Ультразвуковое исследование



Введение

В наше время трудно представить себе технического специалиста, не слышавшего об ультразвуке (УЗ). Однако, широко известен он, в основном, благодаря применению в диагностической медицине. Не смотря на то, что медицинская диагностика с использованием УЗ является настоящим прорывом в этой научной отрасли в 20 веке, имеются также и другие отрасли, где ультразвук играет важную роль и нашел широкое применение.

Исследование УЗ началось в конце XVIII -- начале XIX столетия с наблюдения за источниками УЗ в природе и определения его природы.

Далее последовали два столетия исследований УЗ, которые как, наверное, и большинство исследовательских отраслей, отличались неравномерностью, обилием удачных изобретений и неудачных попыток, создавших, однако, предпосылки для дальнейших научных прорывов.

Какие отличительные особенности исследования УЗ можно выделить? Для ответа на этот вопрос необходимо для начала обозначить, что же такое явление УЗ. По Бергману [1], оно представляет собой акустические колебания, частота которых превышает верхнюю границу звукового диапазона, воспринимаемого человеком. Принято считать, что этой границей является 20 кГц. Предлагается к рассмотрению определение именно этого автора, так как он провел огромную аналитическую работу, собрав в своих трудах историческую и актуальную информацию о практическом применении УЗ в различных сферах науки и техники.

Определив УЗ как акустические колебания, перед их исследователями встают технически очевидные вопросы:

- Как сгенерировать эти колебания?

- Как обнаружить и измерить эти колебания, при том, что ухом они не воспринимаются?

- Как эти колебания ведут себя в различных средах?

- Как эти колебания ведут себя на границе двух различных сред?

Именно получение ответов на эти вопросы и стало вехами в истории исследования УЗ. Ответы получались, уточнялись, иногда опровергались, но затем находились вновь. Причем, некоторые способы применения УЗ были открыты случайно.

Каждое новое открытие, позволившее осуществлять преобразование какого-либо вида энергии в высокочастотные механические колебания и наоборот, каждые открытия и уточнения в теории звука и акустики приближали тот день, когда УЗ стал технологией, применяемой в широком спектре научных и технических задач. Вряд ли первые исследователи этого явления могли предположить, что через два столетия УЗ исследование позволит получить портрет маленького человечка в утробе матери.

Применение УЗ будет и дальше расширяться с развитием научно-технического прогресса. Ведь это лишь принцип механического воздействия на объекты и среды, который будет периодически находить применение с открытием новых материалов, процессов и постановкой новых задач.

История развития УЗ будет условно разделена на четыре части. Каждая из частей соответствует тому или иному периоду истории, когда происходил прорыв в какой-либо из основных технологий применения УЗ.



1. Первые шаги в изучении ультразвука

В природе использование УЗ известно давно: навигация летучих мышей в темноте, общение дельфинов и насекомых и др.

Именно с изучения механизма, подаренного эволюцией летучим мышам, и начинается история исследования УЗ. Первые шаги в этом направлении сделали Спалланцани и Джурайн в 1793 и 1798 годах соответственно.

Их эксперименты показали, что лишенные способности видеть летучие мыши совершенно не теряют своих навыков полета. Однако с изолированными ушами или ртом они полностью теряют способность ориентироваться, находясь в воздухе.

Несмотря на получение столь интересных результатов, они долгое время не были должным образом интерпретированы. И только в 1920 г. английский нейрофизиолог Г. Хартридж выдвинул предположение, что летучие мыши для ориентации используют звуковые волны высокой частоты, испускаемые ими же [2].

Множество исследований показало, что не только летучие мыши восприимчивы к УЗ или могут быть его источником. Оказалось, что добыча летучих мышей, бабочки, точнее, некоторые их виды, восприимчивы к ультразвуку, так что ночью во время охоты этих хищников их жертвы могли в прямом смысле услышать приближение опасности. Не только бабочки, но и многие другие насекомые пользуются УЗ. Вечером и ночью джунгли «шумят» на низших частотах УЗ диапазона.

Стоит отметить, что излучать ультразвук могут некоторые ракообразные, а воспринимают УЗ собаки, дельфины, киты и некоторые грызуны.

Однако теоретические основы, позволяющие с достаточной точностью описывать УЗ колебания, появились до описанных опытов с животными и насекомыми.

Основоположником, внесшим большой вклад в различные аспекты теории звука, является британский физик Джон Уильям Стретт, более известный как Лорд Рэлей. Один из его основных трудов, вышедший в 1877 г., так и назывался, «Теория звука».

Лорд Рэлей впервые описал поверхностные упругие волны, которые были впоследствии названы в его честь.

Он также исследовал рассеивание и дифракцию упругих волн.

Одной из главных величин, описанной им и имеющей принципиальное значение в теории УЗ, является звуковое давление, которое он сам назвал «давлением колебаний» [3]. В честь этого открытия два других не менее известных в области звуковых колебаний исследователя, Герц и Менде, назвали эту величину «релеевым давлением». Важность открытия данной величины заключается в том, что она позволяет оценить степень непосредственного воздействия звуковой, а значит и УЗ, волны на препятствие. Эта величина до сих пор является одним из основных параметров УЗ излучателей, указываемых в техническом описании.

Несмотря на активное развитие теории звука с середины XIX века (а термин акустика был введен французским математиком Жозефом Совером еще в 1701 г.) и появление технологий магнитострикции (МС) и пьезоэлектричества (ПЭ), эффективные излучатели УЗ появились лишь в самом начале XX века.

В основу первых стабильно работающих на определенной частоте УЗ вибраторов лег принцип, аналогичный принципу работы обычного свистка. А именно, поток воздуха определенной интенсивности подавался на острую грань, в результате чего образовывались завихрения воздуха и колебания в УЗ диапазоне. Для их усиления после грани располагался резонатор определенной формы и размера.

Таким образом, нет ничего удивительного, что первое описанное подобное устройство называлось «Свисток Гальтона» [4]. Очевидное преимущество такого устройства состоит в том, что необходим лишь источник постоянного давления для формирования потока воздуха, а конструкция самого излучателя достаточно проста и не требует специальных материалов. Однако КПД подобного устройства не высок.

Дальнейшим развитием УЗ свистка стал газоструйный излучатель, в котором используется неоднородность быстрого воздушного потока при выходе из сопла. Мощность этого излучателя ощутимо превышала мощность «Свистка Гальтона».

Аналогичные исследования проводились и в отношении жидкостных свистков. Оказалось, что принцип газоструйного излучателя в жидкостях не применим, а на основе «Свистка Гальтона» возможно построить подобное устройство для низких частот, но КПД его очень мал. Таким образом, возбуждения УЗ колебаний в жидкости, что является необходимым условием во множестве технологий, например, эхолокации, можно осуществить, возбуждая колебания нужной частоты в газе и передавая их в жидкость. Ввиду значительной разницы в акустических сопротивлениях этих сред, для снижения потерь применялись специальные параболические зеркала, фокусирующие большую часть мощности УЗ излучателя в небольшой области, где и осуществлялась передачи колебаний в жидкость.

Еще одним устройством, позволявшим получать сопоставимые с газоструйным выключателем мощности, были УЗ сирены. Однако появились они только в 1934 г., когда уже активно изучались МС и ПЭ излучатели [5].

После «Свистка Гальтона» в конце 30-х годов XX века мир увидел первые УЗ излучатели, работающие на принципе МС, который был открыт значительно раньше.

В 1847 г. Джоуль открывает эффект магнитострикции (МС). Суть эффекта заключается в том, что длинна стержня из ферромагнетика меняется под действием сонаправленного с ним магнитного поля. Разумеется, получаемые деформации весьма малы и удлинение такого стержня составляет тысячные доли процента. Однако оказалось возможным получить переменную деформацию с существенной амплитудой на частотах до 60 кГц. Этого было достаточно для разработки УЗ вибратора на основе МС эффекта. Основной проблемой при их проектировании является подбор габаритов стержня и частоты работы излучателя, ведь максимальный эффект может быть достигнут только тогда, когда она совпадает с собственной частотой колебаний стержня.

Для подбора соответствующих частоты, длинны стержня и материала стержня Койль в 1947 г. разработал наглядную номограмму, значительно упрощающую расчет вибраторов, основанных на эффекте МС [6].

После разработки МС преобразователей начался процесс их совершенствования с целью повышения КПД и расширения границ применимости.

Одним из важных направлений этого процесса был поиск материалов, наиболее существенно изменяющих свои геометрический размеры при изменении магнитного поля, а также имеющих графики этих изменений, наиболее приближенные к линейному виду. В контексте этого вопроса рассматривались не только различные металлы, но и их сплавы. Вне сферы материаловедения было обнаружено, что наличие постоянной составляющей внешнего магнитного поля позволяет существенно линеаризовать характеристику деформации рабочего тела.

Ряд исследований показали, что МС преобразователи можно выполнить в множестве различных конфигураций рабочего тела, выполненного из МС материала, и обмоток, создающих внешнее магнитное поле. Были разработаны УЗ вибраторы в виде вытянутых стержней, сплюснутых пластин, а также вогнутых плоскостей, позволявших сконцентрировать излучаемый УЗ в небольшой области, достигая при этом весьма существенных амплитуд полученных колебаний. Например, в фокусах таких излучателей самовозгоралась вата. Также были разработаны кольцеобразные МС излучатели, чьи колебания распространялись во все стороны в плоскости излучателя.

Однако при всей простоте и дешевизне конструкции МС вибраторы имели достаточно низкую максимальную мощность создаваемых колебаний. И только после появления пермендюра -- разработанного в США сплава -- появились вибраторы достаточно большой мощности.

Сравнение по максимальной излучаемой мощности и КПД УЗ излучателей, основанных на различных принципах действия, будут приведены далее.

Следующей вехой в истории развития УЗ стало открытие братьями Кюри эффекта пьезоэлектричества (ПЭ) в 1880 году.

Широко применяемый в науке и промышленности эффект ПЭ положил начало разработке ПЭ УЗ преобразователей, которые в дальнейшем имели повсеместное применение.

Суть эффекта заключается в том, что при механическом воздействии в определенном направлении на элементы из некоторых диэлектриков и полупроводников на их поверхностях образуется электрическая разность потенциалов небольшой величины. Имеет место и обратный эффект: при приложении к таким элементам электрического напряжения они незначительно меняют свои геометрические размеры.

ПЭ эффект проявляется, как прямой, так и обратный, при работе с материалом, в элементарных ячейках которого на молекулярном уровне отсутствует симметрия по одной из осей. Одним из наиболее известных и распространенных материалов, проявляющих ПЭ эффект, является кварц, достаточно широко распространенный в природе в виде минералов. Существуют также методы выращивания синтетических кварцевых кристаллов. Важным свойством кварца с точки зрения применения в УЗ преобразователях является его существенная механическая прочность, что допускает большую колебательную нагрузку.

На сегодняшний день кроме кварца в ПЭ преобразователях и элементах также широко применяются турмалин, различная пьезокерамика и сегнетоэлектрики. Выбор материала для ПЭ преобразователя производится в зависимости от его предполагаемой конструкции, назначения и условий работы.

Однако первый ПЭ излучатель ультразвука был разработан только в 1917 году французским физиком Полем Ланжевеном [7]. При подведении внешнего электрического поля к кварцевой пластине на ней возбуждались упругие колебания УЗ частоты.

ПЭ элемент является рабочим телом ПЭ преобразователя.

Одно из существенных преимуществ ПЭ преобразователей над МС заключается в том, что ПЭ элементу возможно придать различную геометрическую форму, что создает специфические плоскости излучения УЗ.

Так, например, при создании ПЭ элемента в форме сектора сферы, колебания от соответствующего излучателя будут сфокусированы в точке геометрического центра этой сферы, что многократно усилит их воздействие в этой точке.

Или же излучатель может состоять из мозаики одинаковых небольших кристаллов, имеющих необходимую форму для плотного прилегания друг к другу.

Другим преимуществом ПЭ излучателей является возможность получения большой мощности излучаемого УЗ.

Для сравнения максимальных мощностей УЗ излучателей, основанных на различных принципах действия, приведем некоторые их показатели.

Один из первых УЗ излучателей, «Свисток Гальтона», способен излучать колебания с мощностью до 1 Вт на см. кв. Что же касается УЗ сирены, также работающей на принципе рассечения воздушного потока, то максимальная мощность таких устройств достигала 100 Вт на см. кв., а КПД до 70%.

Далее, мощность МС излучателей достигала нескольких десятков Вт на см. кв., а КПД достигал 70-80% при использовании ферритовых преобразователей.

И наконец, кварцевые ПЭ излучатели в непрерывном режиме создавали колебания мощностью до 55 Вт на см. кв., а в импульсном режиме фиксировалась мощность до 1000 Вт на см. кв. С помощью модификации таких ПЭ излучателей в фокусе вогнутого УЗ зеркала были получены колебания, мощность которых оценивалась до 5000 Вт на см. кв. КПД кварцевых преобразователей колеблется от 40% до 70%.

Чтобы представить мощности УЗ колебаний, полученных на излучателях различного типа, стоит отметить, что мощность звуковых колебаний при выстреле пушки можно грубо оценить в 0,001 Вт на см. кв. [1].

ультразвук дефектоскопия диагностический медицина

2. Первое применение ультразвука. Титаник и эхолотирование

Обсудив первые теоретические и практические шаги в области технологии УЗ, целесообразным будет перейти к описанию его первого практического применения.

Хотя прежде речь шла в основном об источниках ультразвука, но не меньшую роль играли и приемники ультразвука. А зачастую они применялись в паре.

В 1912 году после столкновения с айсбергом тонет исполинский пароход «Титаник». Смотрящий вперед увидел приближающийся по курсу айсберг, когда до него оставалось около 650 метров. Тяжелый корабль водоизмещением 52 тысячи тонн, идущий на полном ходу, не имел возможности избежать столкновения на столь короткой дистанции. Результатом стало его крушение и гибель полутора тысяч человек.

Этот случай описан в связи с тем, что трагедия «Титаника» вновь актуализировала вопрос обнаружения подводных объектов на расстоянии. Для решения данной задачи отлично подходили принципы эхолокации, когда в интересующем направлении генерировался волновой сигнал, и в случае наличия на пути его распространения препятствия формировался отраженный сигнал, эхо, которое можно было уловить. По разнице во времени между генерацией сигнала и приемом эха возможно судить о дальности расположения препятствия.

Проблемой данного метода является зависимость результатов измерения от скорости колебаний, с помощью которых осуществляется эхолокация.

Поскольку обнаруживать объекты необходимо было в воде, в среде, в которой световые волны стремительно затухают, то в качестве генерируемых волн использовался звук.

На первый план вышла проблема точного измерения скорости звука в жидкостях. И тут удобным оказалось применение УЗ, так как он имеет достаточно высокие частоты, при которых длина волны становилась несущественной по сравнению даже с совсем небольшими резервуарами для экспериментов. Хватало даже нескольких сантиметров в длину.

Таким образом, первыми шагами в направлении гидролокации были достаточно точные определения скорости УЗ излучения в жидкостях на различных частотах.

Эти исследования позволили в 1918 году уже упомянутому выше французскому физику Полю Ланжевену изобрести первый в мире УЗ прибор для обнаружения подводных объектов [8]. Интересен тот факт, что как только он сумел, причем первым, возбудить УЗ колебания на ПЭ элементе, он тут же переходит к исследованию возможности его использования в подводной эхолокации. А роль приемника отраженных УЗ колебаний играл тот же преобразователь, который эти колебания и создавал, при этом результат фиксировался на осциллографе.

В будущем устройства, аналогичные описанному Ланжевеном, стали называться сонарами.

Еще одну деталь стоит отметить в данном открытии. Ланжевен возбудил на ПЭ элементе колебания, которые были способны проникать достаточно глубоко под воду. Отраженные от подводных объектов они достигали поверхности и принимались обратным преобразователем. Для получения необходимых мощностей УЗ излучения он разработал новый подход к построению преобразующего элемента излучателя: он предложил взять несколько ПЭ кварцевых пластин и сложить их вместе, при этом напряжение подается на каждую пластину отдельно. Такой подход позволял при необходимой толщине пластины, а этот параметр на прямую влиял на частоту колебания пластины, иметь большую мощность.

Однако Ланжевен был не единственным, кто в эти годы работал над проблемой подводного эхолотирования.

После крушения «Титаника» в 1912 году компания “Submarine Signal Company of Boston” начала разработку устройства для обнаружения подводных объектов на расстоянии. В ней в то время работал известный специалист в области радио и изобретатель Реджинальд Обри Фессенден. Ему и принадлежит, в конечном счете, изобретение первого в мире полноценного сонара, способного обнаруживать айсберги на расстоянии до 2 миль.

Основным устройством в сонаре был так называемый осциллятор. Колебания в нем создавались металлической пластиной, к которой была присоединена медная трубка. Через данную трубку пропускался переменный ток, поле которого взаимодействовало с полем неподвижно закрепленной части осциллятора, и трубка начинала колебаться, передавая колебания пластине. Та, в свою очередь, передавала колебания воде, с которой соприкасалась.

Описанный осциллятор применялся не только для обнаружения подводных объектов, но и для передачи подводных сообщения между субмаринами. С 1915 года британские подводные лодки были оснащены осцилляторами Фессендера.

Заканчивая раздел, посвященный раннему применению УЗ, отметим появление в 1925 году УЗ интерферометра, созданного американским ученым Г.В. Пирсом [9]. Данное устройство позволило проводить точные измерения скорости УЗ в различных средах.



3. Развитие ультразвука в промышленности

Как описано выше, к концу 30-х годов XX века идея возбуждения в материалах УЗ колебаний и анализ происходящих при этом процессов набирала все большую популярность. Удачное применение такой идеи в воде и изобретение эхолота, появление нового инструментария в виде УЗ осциллятора и растущий интерес к теме УЗ дали толчок для дальнейшего появления новых УЗ технологий.

Так в 1928 году советский физик Сергей Яковлевич Соколов показал, что УЗ колебания без существенного затухания или отражения проходят через сплошные металлические элементы определенной толщины, при этом наличие в этих элементах разного рода каверн, трещин и других дефектов искажает картину прохождения УЗ волн через них, что может быть обнаружено [10]. Это открытие стало началом целого направления -- дефектоскопии.

К 1934 году Соколов уже проводил успешные опыты со стальными деталями с габаритами более метра. В части предложенных им методов наблюдение результатов прохождения УЗ колебаний через образцы осуществлялось визуальным методом. Для этого, выходя из образца, колебания должны были попадать в жидкость, картина колебаний на поверхности которой позволяла судить о том, есть ли в образце дефекты или нет. Эти картины были названы сонограммами. Однако в большинстве методов далее применялся приемник колебаний, а не визуальные наблюдения.

Постепенно начинали появляться промышленные образцы приборов для проверки железных листов на наличие дефектов. Однако минимальный размер дефектов, наличие которых можно определить этими приборами, был еще достаточно велик.

Е. Черлинский в 1943 подвергает фанерные листы проверке описанным выше акустическим просвечиванием [11]. Из-за особенностей затухания УЗ колебаний в дереве для поиска плохой склейки между слоями фанеры приходится применять колебания более низкой частоты, нежели для железа.

Устройства, осуществляющие пропускание УЗ колебаний через тот или иной материал, получили название сонометры. Дальнейшим развитием этой технологии стала разработка различных головок, которые работают в паре. Одна головка осуществляет излучение колебания, другая -- прием. Формы и конструкции этих головок сильно менялись в зависимости от области применения. Звуковые головки для проверки сварных швов имели одни конфигурацию и габариты, а для проверки цилиндров двигателей внутреннего сгорания -- совсем другие.

Вскоре УЗ дефектоскопия стала широко использоваться для проверки качества резиновых колес и покрышек. А очередным важным шагом стало ее применение в строительства для обнаружения в железобетонных конструкциях трещин, не обнаруживаемых рентгеновским излучением.

В 1942 году в США Файерстоун предлагает конструкцию УЗ дефектоскопа, основанную на противоположном принципе, нежели применялся на тот момент [12]. Импульс УЗ излучения передавался исследуемой детали и далее приемник регистрировал отраженные от каверн и других дефектов эхо. В целом такой дефектоскоп по принципу схож с сонаром, однако работает на более высоких частотах и имеет свои особенности. Справедливости ради стоит отметить, что еще Соколов в 1935 году указывал на возможность построения УЗ дефектоскопа на этом принципе [13].

Далее в 1945 году У. Эрвин предложил применить явление резонанса, возникающее на частоте собственных колебаний детали и на более высоких гармониках, для построения УЗ измерителя толщины [14].

Параллельно идет развитие идеи визуализации той УЗ картины, которая получена при воздействии на объект УЗ колебаниям. В конце 40-ых, начале 50-ых годов XX века идея воплощается Польманом в жизнь в виде специальной линзы, где в жидкости плавают крошечные частицы, обладающие свойством ориентироваться в пространстве под воздействием УЗ колебаний. В тех местах, где интенсивность колебаний выше, частицы более синхронной принимают одно и то же направление, что становиться видным при их освещении. Таким образом, область дефекта становится темным пятном на более светлой картине остальной части детали, которая беспрепятственно пропускает УЗ колебания.

Следующим разработанным устройством, использующим УЗ для исследования объекта, является ультразвуковой микроскоп, предложенный в 1949 году упомянутым выше С. Соколовым [14]. Объект помещается в жидкую среду, через которую в его направлении излучаются УЗ колебания. Отраженные колебания улавливаются ПЭ пластинкой, помещенной в электронно-лучевой трубке. Благодаря ПЭ эффекту, распределение заряда на поверхности пластинки при приеме УЗ колебаний не равномерное, что с использованием электронно-лучевой трубки переводиться в изображение. Указанным способом удалось получить увеличение изображения в 10000 раз. Такой принцип построения микроскопа проигрывает оптическому, однако он применим в ситуации, когда осуществляется исследование объекта в плохо проницаемой для света жидкости или жидкостной среде.

В связи с этим дальнейшее развитие данной ветви технологии будет рассмотрено в следующем разделе, посвященному применению УЗ исследований (УЗИ) к телу человека.

Но пока упомянем о другой отрасли применения УЗ. Как уже указывалось выше, была открыта возможность с помощью УЗ излучателей, имеющих специальную конструкцию, создавать в жидкостях УЗ колебания большой мощности. При таких колебаниях в жидкости имеют место краткосрочные давления, в несколько раз превышающие атмосферное. Создаются напряжения растяжения, а молекулы и частицы приобретают большие скорости.

Данный эффект оказался отлично применим для смешивания различных жидкостей, плохо растворимых друг в друге, как, например, масло и вода. Под действием интенсивных УЗ колебаний в таких смесях образуется эмульсия [16]. Наличие в смеси растворенных газов иногда является положительно влияющим, а иногда и необходимым условием для образования эмульсии.

При последующем исследовании технологии получения эмульсий оказалось, что диспергированию подвергаются не только жидкости в сосуде, но и сам сосуд, а точнее внутренняя поверхность его стенок. Это показало возможность применения интенсивных УЗ колебания для диспергирования твердых тел, что на практике наблюдалось еще в 1935 наряду с жидкостными эмульсиями. Получаемые смеси являлись уже действительными коллоидными растворами, нашедшими широкое применение.

Однако диспергирование внешних поверхностей твердых тел, погруженных в облучаемую УЗ жидкость, также стало исходной точкой для разработки технологии УЗ очистки твердых поверхностей. Были придуманы так называемые УЗ ванны, в которых в специальных очищающих жидкостях с помощью УЗ колебаний можно удалять грязь и налет с твердых тел даже в труднодоступных местах.

Если влияние интенсивных УЗ колебаний на стыке твердых и жидких тел приводило к очищению поверхности первых, то на стыке двух твердых был обнаружен другой эффект. А именно нагрев внешних слоев двух соприкасающихся твердых тел за счет колебаний молекул, вызванных воздействием УЗ. Прибавив к этому эффекту дополнительный нагрев от внешнего источника и приложенное к телам по направлению к шву усилие, была получена технология УЗ сварки [17].

В завершении этого раздела стоит упомянуть еще об одном применении, которое было найдено УЗ колебаниям в 60-ых годах ХХ века.

В архитектуре отдельной проблемой является проектирование и исследование зданий акустического назначения. Например, оперных или концертных залов. Зачастую для решения этих задач создавались уменьшенные макеты таких зданий и на них ставились различные акустические опыты, в том числе по выявлению «мертвых» зон, в которых интенсивность звука была существенно ниже по сравнению с остальным пространством.

Однако для проведения таких исследований с применением звуковых колебаний в слышимом для человеческого уха диапазоне было необходимо помещать макет в помещение, имеющее тщательную звукоизоляцию, чтобы сторонние шумы не искажали результаты исследования.

Оказалось, что для данных целей отлично подходят звуковые колебания в УЗ диапазоне, так как генерация и прием таких колебаний был уже хорошо изучен, существовала специальная аппаратура, имеющая необходимую точность, а внешние источники УЗ помех встречаются крайне редко и специальная звукоизоляция не требуется [18].

4. Ультразвук в медицине

Одной из основных проблем при лечении человека является диагностика заболевания. Особенно сложно установить причину недуга, если она скрывается внутри человеческого тела, в тех его областях, которые не доступны ни осмотру, ни прослушиванию человеческим ухом с помощью трубки, ни прощупыванию.

Поиск проблемной области жизненно актуален в случае, если необходима операция, так как точность определения такой области напрямую влияет на вероятность успешного исхода операции.

Отдельным вызовом медицине стала проблема понимания того, что с физиологической точки зрения происходит внутри человеческого черепа, ведь было очевидно, что многие психические и функциональные проблемы людей могут быть связаны с какими-либо изменениями в области головного мозга.

Актуальность этих задач и успехи в УЗ исследованиях строения различных материалов натолкнули ученых на идею применения УЗ излучения для исследования структуры головного мозга, а также других областей человеческого тела.

Первые подобные эксперименты были проведены в 40-ых годах ХХ века братьями Карлом Теодором и Фридрихом Дуссик [19]. Они применили принцип УЗ сканирования к головному мозгу человека и получили определенные картины различных затуханий колебаний для различных областей. Предполагалось, что по этим картинам был возможен поиск и обнаружение опухолей головного мозга.

Однако позже было доказано, что полученные Дуссик картины затуханий лишь отражали толщину черепной кости, после чего в США исследования по данному направлению существенно замедлились.

Наряду с этим возникла проблема травмирующего воздействия УЗ излучения на головной мозг при необходимых для исследований мощностях.

Но эти трудности не смогли закрыть УЗ путь в медицину, и исследования продолжались. Некоторое время они проводились на мертвых образцах живой ткани и собаках. В результате удалось провести исследования динамики УЗ излучения в мягких тканях, которые легла в основу дальнейшего прогресса УЗИ в медицине.

К 1952 году уже появились труды по УЗ диагностике рака [20]. Эти исследования позволяли обнаруживать злокачественные опухоли в мозгу, кишечнике и других частях тела. Это оказалось возможным благодаря тому факту, что ткани злокачественной опухоли, более плотные по своей структуре, лучше отражают УЗ излучение. В результате на картине отраженного излучения они могут быть идентифицированы по изменению яркости той или иной зоны.

Прототипы медицинских сканеров совершенствовались и усложнялись в ходе дальнейших исследований 60-ых годов в Англии и США. Повышалась их точность, было минимизировано воздействие ложных отражений на картину УЗИ. Были даже получены первые изображения ребенка в утробе матери и измерены его показатели.

Однако такой прорыв был получен за счет сбора УЗ изображений с разных положений и углов, а это было достаточно утомительно, ведь пациент должен был прибывать все это время неподвижно. Эти сканеры были еще далеки от их современных аналогов, но уже широко использовались. В 1965 году компания Siemens начала серийное производство устройства Vidoson, которое являлось УЗ сканером с отображением в реальном времени.

В следующие десятилетий такие устройства стали терять в размерах и весе -- они становились компактнее и точнее, совершенствовалась инструментальная база. Конечно, этим прорывом УЗ обязан всему технологическому прогрессу, от материаловедения до микроэлектроники. Большую популярность УЗ сканеры приобрели благодаря тому, что стали относительно небольшими и портативными, в отличие от того же аппарата для рентгенографии.

Были разработаны датчики (работающие одновременно и излучателями) различных форм и размеров, благодаря чему УЗИ стало возможным для любой области человеческого тела.

В наши дни УЗИ является важнейшим методом исследования состояния сосудистой системы человека.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, теоретические основы УЗ восходят к середине XIX века.

Несмотря на то, что частоты излучения УЗ не позволяли человеку воспринимать его на слух, УЗ является звуком, а именно упругими волнами механических колебаний, и описывается соответствующими уравнениями упругих колебаний в различных средах и на их границах.

Дли исследования свойств УЗ и поиска возможных сфер его применения важным фактором была возможность генерации УЗ излучения в широком спектре частот и мощностей.

Несмотря на открытие в середине XIX века эффекта МС, а в конце -- эффекта ПЭ, первые излучатели УЗ колебаний были построены на том же принципе, что и распространенное устройство для создания громкого высокочастотного в слышимом диапазоне звука -- свистка.

Однако дальнейшее развитие технологий ПЭ и МС позволили создать значительно более совершенные УЗ преобразователи, обладающие широким частотным диапазоном и существенной максимальной мощностью создаваемых УЗ колебаний.

Важными вехами в истории развития УЗ являлись определения скорости УЗ колебаний в различных средах. Так, например, определение скорости распространения УЗ в воде позволило создать в начале ХХ века первый эхолот.

Повышение точности генерации и приема УЗ колебаний позволили к середине ХХ века применять УЗ в дефектоскопии, архитектурной акустике и первых исследованиях живых тканей.

Дальнейшая революция технических средств позволила получить современные УЗ приборы, отличающиеся высокой точностью, четкостью картинки, компактностью, а, главное, безопасностью.



БИБЛИОГРАФИЯ

1. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике / под ред. В.С. Григорьева и Л.Д. Розенберга. - 2-ое изд. - Москва: изд. Иностранной литературы, 1957. - 726 с.

2. Hartridge H. The avoidance of Objects by Bats in Their Flight // Journ. Physiol. - 1920. - p. 54.

3. Reyleigh On the Momentum and Pressure of Gaseous Vibrations and on the Connexion with Viral Theorem // Phil Mag. - 1917. - №6. - p. 10.

4. Edelmann M.Th. Studien uber die Erzeugung sehr hoher Tone vermittels der Galtonpfeife // Ann. d. Phys. - 1900. - №4. - р. 2.

5. Takeuchi T. Or New High-Pitch Air-Wave Generators / T. Takeuchi, Y. Sato // Bull. Tokyo Univ. Eng. - 1934. - №3. - p. 271.

6. Coile R.C. Eigenfrequenzen von magnetostriktiven Staben // Electronics. - 1947. - p. 20.

7. Pat. 505703 Fr., Procede et apparei d'emission et de reception des ondes elastiques sousmarines a l'aide des propriete piezo-electrique du quartz / P. Langevin. - 1918.

8. Pat. 502913 Fr., Procede et apparei pour la Production de signaux sousmarins diriges et pour la localisation a distance d'obstacles sousmarins / P. Langevin. - 1918.

9. Pierce G.W. Piezo-Electric Oscillators Applied to the Precision Measurement of Sound in Air and Carbon Dioxyde at High Frequencies // Proc. Amer. Acad. Boston - 1925. - №60. - p. 271.

10. Авторское свидетельство №23246 / С.Я. Соколов. - 1928.

11. Czerlinsky E. Zerstorungsfreie Sperrholzprufung mit Ultraschall // Deutsche Luftfahrtforschung, Untersuchungen und Mitt. - 1943. - p. 1069.

12. Pat. 2280226 Amer., Draw Detecting Device and Measuring Instrument / F.A. Firestone. - 1942.

13. Соколов С.Я. Ультраакустические методы определения внутренних дефектов в металлических изделиях // Заводская лаборатория. - 1935. - №4. - с. 1468.

14. Erwin W.S. The Sonigage, a Supersonic Contact Instrument for Thickness measurment // Steel. - 1945. - №116. - с. 131.

15. Соколов С.Я. Ультразвуковой микроскоп // ЖТФ. - 1949. - №19. - с. 271.

16. Tsuge S. Uber die Beeinflussungdes intermeiaren Kohlehydratstoffwechsels in der Leber durch Einwirkung der ultraakustichen Schallwellen und Ultrakurzwellen auf die Leber // Tohoku Journ. Exp. Med. - 1938. - №33. - p. 8.

17. Сварка в машиностроении: Справочник в 4 томах / под ред. Н.А. Ольшанского. - Москва: Машиностроение, 1978. - 1 т.

18. Canac F. Measurement of the Reflection of Ceilings by Means of Ultrasonic // Compt. Rend. - 1953. - №43. - p. 467.

19. Orenstein B.W. Ultrasound history // Radiology today. - 2008. - №24. - p. 28.

20. Reid J.M. Ultrasonic Raging for Cancer Diagnostisis / J.M. Reid, J.J. Wild // Electronics. - 1952. - №7. - p. 136.

21. Ультразвук: маленькая энциклопедия / гл. ред. И.П. Голямина. - Москва: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с.

Размещено на Allbest.ru

...