Сущность и применение ультразвука в промышленности и медицине

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Физика ультразвука

1.1 Источники ультразвука

Частота ультразвуковых колебаний, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне от нескольких десятков КГц до единиц МГц. Высокочастотные колебания обычно создают с помощью пьезокерамических преобразователей, например, из титанита бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвуковых колебаний, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены).

В природе УЗ встречается как в качестве компонентов многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве и общения (киты, дельфины, летучие мыши, грызуны, долгопяты).

Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока -- струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей -- электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твёрдого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

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

Большинство ультразвуковых свистков можно приспособить для работы в жидкой среде. По сравнению с электрическими источниками ультразвука жидкостные ультразвуковые свистки маломощны, но иногда, например, для ультразвуковой гомогенизации, они обладают существенным преимуществом. Так как ультразвуковые волны возникают непосредственно в жидкой среде, то не происходит потери энергии ультразвуковых волн при переходе из одной среды в другую. Пожалуй, наиболее удачной является конструкция жидкостного ультразвукового свистка, изготовленного английскими учёными Коттелем и Гудменом в начале 50-х годов XX века. В нём поток жидкости под высоким давлением выходит из эллиптического сопла и направляется на стальную пластинку. Различные модификации этой конструкции получили довольно широкое распространение для получения однородных сред. Благодаря простоте и устойчивости своей конструкции (разрушается только колеблющаяся пластинка) такие системы долговечны и недороги.

Сирена -- механический источник упругих колебаний и, в том числе, ультразвука. Их частотный диапазон может достигать 100 кГц, но известны сирены, работающие на частоте до 600 кГц. Мощность сирен доходит до десятков кВт.

Воздушные динамические сирены применяются для сигнализации и технологических целей (коагуляция мелкодисперсных аэрозолей, разрушение пены, осаждение туманов, ускорение процессов массо- и теплообмена и т. д.).

Все ротационные сирены состоят из камеры, закрытой сверху диском (статором), в котором сделано большое количество отверстий. Столько же отверстий имеется и на вращающемся внутри камеры диске -- роторе. При вращении ротора положение отверстий в нём периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подаётся сжатый воздух, который вырывается из неё в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают.

Частота звука в сиренах зависят от количества отверстий и их геометрической формы, и скорости вращения ротора.

1.2 Ультразвук в природе

Летучие мыши, использующие при ночном ориентировании эхолокацию, испускают при этом ртом или имеющим форму параболического зеркала носовым отверстием сигналы чрезвычайно высокой интенсивности. На расстоянии 1 -- 5 см от головы животного давление ультразвука достигает 60 мбар, то есть соответствует в слышимой нами частотной области давлению звука, создаваемого отбойным молотком. Эхо своих сигналов летучие мыши способны воспринимать при давлении всего 0,001 мбар, то есть в 10000 раз меньше, чем у испускаемых сигналов. При этом летучие мыши могут обходить при полете препятствия даже в том случае, когда на эхолокационные сигналы накладываются ультразвуковые помехи с давлением 20 мбар. Механизм этой высокой помехоустойчивости еще неизвестен. При локализации летучими мышами предметов, например, вертикально натянутых нитей с диаметром всего 0,005 -- 0,008 мм на расстоянии 20см (половина размаха крыльев), решающую роль играют сдвиг во времени и разница в интенсивности между испускаемым и отраженным сигналами. Подковоносы могут ориентироваться и с помощью только одного уха (моноаурально), что существенно облегчается крупными непрерывно движущимися ушными раковинами. Они способны компенсировать даже частотный сдвиг между испускаемыми и отражёнными сигналами, обусловленный эффектом Доплера (при приближении к предмету эхо является более высокочастотным, чем посылаемый сигнал). Понижая во время полёта эхолокационную частоту таким образом, чтобы частота отражённого ультразвука оставалась в области максимальной чувствительности их «слуховых» центров, они могут определить скорость собственного перемещения.

У ночных бабочек из семейства медведиц развился генератор ультразвуковых помех, «сбивающий со следа» летучих мышей, преследующих этих насекомых.

Эхолокацию используют для навигации и птицы -- жирные козодои, или гуахаро. Населяют они горные пещеры Латинской Америки -- от Панамы на северо-западе до Перу на юге и Суринама на востоке. Живя в кромешной тьме, жирные козодои, тем не менее, приспособились виртуозно летать по пещерам. Они издают негромкие щёлкающие звуки, воспринимаемые и человеческим ухом (их частота примерно 7 000 Герц). Каждый щелчок длится одну-две миллисекунды. Звук щелчка отражается от стен подземелья, разных выступов и препятствий и воспринимается чутким слухом птицы.

Ультразвуковой эхолокацией в воде пользуются китообразные.

1.3 Общая характеристика ультразвуковых колебаний

Звуковыми волнами называют упругие волны, распространяющиеся в какой-либо материальной среде.

В газах и жидкостях могут распространяться только продольные волны, в твердых телах наряду с продольными - поперечные и изгибные, а также волны растяжения. Вдоль поверхности жидкости или твердого тела могут распространяться поверхностные волны.

Звуковые волны делят на инфразвуковые с частотами до 16-20 Гц, слышимые звуки с частотами от 20 до 20000 Гц, ультразвуковые с частотами от 20Ч103 Гц до 20Ч109 Гц и гиперзвуковые с частотами, большими 109 Гц. Следует подчеркнуть, что деление упругих волн на слышимые звуки и не воспринимаемые человеческим ухом инфра-, ультра- и гиперзвуки условно.

Физическая природа слышимых и неслышимых звуков едина, и деление их вызвано особенностями слухового аппарата человека. Верхняя граница слышимых звуков изменяется с возрастом человека. Дети способны воспринимать звуки более высокой частоты, чем люди преклонного возраста.

Раздел физики, изучающий взаимодействие ультразвуковых волн с веществом, называется молекулярной акустикой.

Молекулярная акустика имеет дело в основном с волнами ультразвуковых и гиперзвуковых частот, и это не случайно. При высоких частотах длина звуковых волн настолько мала, что становится сравнимой с размерами комплексов молекул и даже больших молекул. Короткие волны особенно интенсивно взаимодействуют с веществом, в котором они распространяются. Ряд весьма интересных эффектов, наблюдающихся при этом, не только раскрывает механизм акустической энергии в газе, жидкости и твердом теле, но и, что особенно важно, позволяет проникнуть в тайны строения вещества и структуры составляющих вещество частиц.

Как оказалось, молекулы или их комплексы сами способны вызывать звуковые волны, которые тоже изучаются молекулярной акустикой.

Молекулярную ультразвуковую акустику можно подразделить на две части - малых амплитуд и конечных амплитуд. Каждая из них имеет свои задачи и методы исследования.

Молекулярная акустика малых амплитуд позволяет изучать «истинные» свойства вещества. Молекулярная ультраакустика конечных амплитуд изучает такое воздействие ультразвука на вещество, при котором происходит изменение его физико-химических свойств, структуры и т. п. Конечно, чтобы полностью разобраться в процессах, происходящих при воздействии на вещество мощных ультразвуковых волн, нужно знать его исходные, или, как говорят, начальные акустические свойства. А для этого вещество необходимо исследовать волнами малой амплитуды.

ультразвуковой колебание сирена волна

1.4 Типы ультразвуковых волн и закономерности распространения их в различных физических средах

Как уже отмечалось, ультразвук представляет собой упругие волны, распространяющиеся в твердой, жидкой и газообразных средах. При распространении упругой волны в среде возникают механические деформации, которые переносятся волной из одной точки среды в другую, т. е. существует перенос энергии упругой деформации в отсутствие потока вещества. В жидкостях и газах, которые обладают только упругостью объема, могут распространяться лишь продольные волны разрежения-сжатия, тогда как в твердых телах, обладающих упругостью объема и формы, - продольные и сдвиговые волны. В случае продольных волн смещение частиц среды происходит параллельно, а в случае сдвиговых - перпендикулярно направлению распространения волны.

На границе твердого полупространства с вакуумом, газом, жидкостью или с другим твердым полупространством могут распространяться упругие поверхностные волны, являющиеся комбинацией неоднородных продольных и сдвиговых волн, амплитуды которых экспоненциально убывают при удалении от границы. Наиболее характерными являются волны Рэлея, у которых вектор колебательного смещения частиц среды расположен в плоскости, перпендикулярной к граничной поверхности. Волны данного типа имеют две компоненты смещения, одна из которых перпендикулярна границе, а вторая параллельна направлению распространения волны.

На границе твердого полупространства с твердым слоем могут существовать волны с горизонтальной поляризацией - волны Лява. Это волны чисто поперечные и имеют только одну компоненту смещения, перпендикулярную направлению распространения волны и лежащую в плоскости, параллельной границе раздела.

Кроме указанных типов волн на свободной поверхности жидкости в ультразвуковом диапазоне могут возникать поверхностные волны, обусловленные не упругими силами, а поверхностным натяжением, так называемые капиллярные волны. В ограниченных средах, в отличие от неограниченных, распространяются так называемые нормальные волны, которые удовлетворяют не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхностях. Для твердотельных волноводов в большинстве практических случаев эти условия сводятся к отсутствию механических напряжений на поверхности волновода. Нормальные волны - это гармонические волны, распространяющиеся в волноводе без изменения формы.

Любое звуковое поле внутри волновода в области, где источники звука отсутствуют, может быть представлено в виде суперпозиции нормальных волн, т. е. любое сложное волновое движение распадается на сумму нормальных волн, а поток упругой энергии равен сумме потоков всех нормальных волн. По структуре звукового поля каждая нормальная волна представляет собой волну, бегущую вдоль волновода и стоячую в поперечном направлении.

Разные нормальные волны различаются числом и распространением узловых поверхностей давления в поперечном сечении волновода. Число узловых плоскостей определяет порядок или номер нормальной волны. В пластинах нормальные волны подразделяются на два класса: волны Лэмба и поперечные нормальные волны. Волны Лэмба - упругие волны, распространяющиеся в пластине со свободными границами и имеющие две компоненты колебательного смещения: в направлении распространения волны и перпендикулярно плоскости пластины. Волны Лэмба делятся на симметричные и антисимметричные в зависимости от совпадения или противоположности знаков смещения в верхней и нижней половинах пластины. При увеличении толщины пластины смещение локализуется вблизи свободных границ и волна Лэмба трансформируется в волну Рэлея.

Поперечные нормальные волны обладают только одной компонентой смещения (отсутствующей в волнах Лэмба), параллельной плоскости пластины и перпендикулярной распространению волны. Деформация в поперечной нормальной волне представляет собой чистый сдвиг. Распространение звуковой волны в среде определяется законами отражения, преломления, дифракции и рассеяния звука.

Законы отражения и преломления звука относятся к геометрической акустике, и их применение для описания звукового поля возможно, когда характерный геометрический размер Д, т. е. размер источника колебаний или препятствий на пути распространения волны, значительно превосходит длину звуковой волны l. В иных случаях необходим учет дифракционных явлений.

Скорость распространения ультразвуковых волн в неограниченной среде определяется упругостью и плотностью среды. Наличие границ приводит к зависимости скорости от частоты колебаний, т. е. к дисперсии скорости звука.

При излучении звука в реальных средах происходит уменьшение амплитуды и интенсивности колебаний по мере распространения волны в определенном направлении. Затухание звука определяется расхождением фронта волны, рассеянием и поглощением звука. В результате поглощения звука происходит необратимый переход звуковой энергии в другие виды и в первую очередь в тепловую. Механизм поглощения звука на всех частотах определяется наличием в среде сдвиговой вязкости (внутреннего трения) и теплопроводности. Кроме того, практически во всех средах в определенном интервале частот возникает аномальное поглощение звука в результате протекания в среде релаксационных процессов, имеющих как физическую, так и химическую природу.

При значительном возрастании интенсивности звуковых волн в их поле возникают нелинейные эффекты. Нелинейные эффекты в акустическом поле можно рассматривать как результат изменения свойств среды, вызванный распространяющейся волной и влияющий на распространение данной волны.

2. Применение ультразвука в медицине и возможность применения при таможенном контроле

2.1 Ультразвук в медицине

Первые попытки использования ультразвука в медицине относятся к 40-м -- началу 50-х годов. Сначала он был применен для исследования головного мозга, затем -- в кардиологии, акушерстве, онкологии и других областях медицины. В первое время ультразвуковая медицинская диагностика испробовала многие методы промышленной дефектоскопии, которая была уже достаточно развита. Сначала был применен «теневой метод», то есть просвечивание человеческого тела ультразвуковым лучом. Для диагностики пытались использовать промышленные ультразвуковые установки. Успехи метода на первых порах были скромными, поскольку ультразвуковое просвечивание мозга не могло дать четкой картины. Большая часть ультразвука при этом поглощалась костями черепа.

Только после первых проб импульсного эхолокационного метода в клинике началось быстрое и мощное развитие ультразвуковой диагностики.

В настоящее время большинство современных приборов для медицинской ультразвуковой диагностики основано на принципе импульсной ультразвуковой эхолокации.

В Советском Союзе первые ультразвуковые диагностические приборы для медицинских исследований были созданы в 60-х годах. Вначале это были громоздкие установки, которыми можно было пользоваться только в условиях стационара. Со временем они усовершенствовались и специализировались. Так, «Эхоскоп-8» предназначен для обнаружения опухолей и инородных тел, «Эхо-11» -- для диагностики заболеваний головного мозга, переносной аппарат «Эхо-12», масса которого всего 10 кг, могут использовать врачи скорой помощи и санитарной авиации.

Основным рабочим инструментом эхографа является датчик, содержащий пьезоэлектрический преобразователь. Он выполняет функции как генератора ультразвуковых импульсов, так и приемника эхо-сигналов, отраженных от внутренних органов. Как правило, каждый датчик генерирует ультразвук одной определенной частоты. Обычно прибор снабжен различными датчиками с разными частотными характеристиками. Однако они отнюдь не равноценны. Чем короче волна, тем выше разрешающая способность датчика, то есть способность различать более мелкие детали объекта. Значит, высокочастотные датчики могут дать более подробную картину внутренних органов. В то же время чем больше частота, тем меньше проникающая способность ультразвука и тем большая часть его энергии поглощается тканями. Волны высокой частоты нередко не могут проникнуть в грудную клетку взрослого человека и достичь сердца. Из-за этого применение высокочастотных датчиков ограничено. Наилучший эффект они дают при исследовании маленьких детей. Другая категория больных, требующая специального подхода, -- люди с избыточной массой тела. Толстый слой жировой ткани поглощает высокочастотный ультразвук. Приходится, жертвуя качеством исследования, использовать датчики с более низкой частотой.

В первых диагностических приборах эхо-сигналы оставляли на экране след в виде всплесков, по амплитуде которых определяли удаленность и характер лоцируемых структур. Этот вид развертки получил название «А-тип» (от английского слова «amplitude» -- амплитуда). В последующих поколениях приборов изображение было модифицировано: всплески эхо-сигналов превращались в светящиеся точки. Если структура расположена ближе к датчику, то точки вспыхивают ближе к верхнему краю экрана. И наоборот -- чем она дальше, тем ниже на экране находятся соответствующие ей точки. Этот метод хорош для визуализации неподвижных внутренних органов. А сердце? Оно ведь все время находится в движении. Точки-отражения его движущихся структур будут все время «плясать» на экране то приближаясь, то удаляясь от основной линии. Но если их заставить одновременно с сокращениями сердца двигаться слева направо по экрану, то мы увидим уже не точки, а кривые. Это так называемая развертка структур во времени, которая была названа «М-тип» (от английского слова «motion» -- движение). При ней неподвижный объект регистрируется в виде прямой линии, а колеблющиеся структуры-- в виде волнистых линий, воспроизводящих их движения. Этот способ изображения широко применяется в кардиологической практике. Его обычно называют одномерной эхокардиографией.

В 1970-е годы был применен другой вид развертки, при которой от датчика посылается не один изолированный луч, а множество лучей, расходящихся под определенным углем. Тогда эхо-сигналы в совокупности образуют на экране сектор, а на нем -- двухмерное изображение работающего органа, вернее, его сечение. Изображение состоит из светящихся точек различной яркости. Поэтому второе, часто встречающееся в специальной литературе, название этого вида регистрации изображения -- «В-сканирование» (от английских слов «Brightness» -- яркость и «scanning» -- развертка). Еще этот метод называют ультразвуковой томографией, поскольку он позволяет получать изображение продольных и поперечных срезов органов и тканей, а в кардиологии -- двухмерной эхокардиографией.

Для сканирования используют не только секторальные, но и линейные датчики. Секторальное сканирование чаще применяют для исследования сердца, а линейное, дающее плоскостное изображение, -- для визуализации внутренних органов, расположенных в брюшной полости. Линейное сканирование наиболее широкое применение нашло в акушерстве, гастроэнтерологии, урологии.

В первых эхоскопах изображение, полученное на экране, можно было зафиксировать только посредством фотографирования или киносъемки. В современных приборах оно может быть зарегистрировано на видеомагнитофоне с последующим покадровым анализом записи, а также на тепловой или фоточувствительной бумаге. Встроенные в прибор ЭВМ помогают в улучшении качества изображения, выборе его вариантов, анализе полученной информации и ее математической обработке.

Безболезненность и безопасность эхографии для организма человека дают возможность проводить исследование многократно и получать данные о патологическом процессе и динамике.

При помощи ультразвуковой эхолокации можно увидеть внутренние органы, которые не удается рассмотреть при рентгеновском исследовании или удается -- только после введения в них специальных контрастах веществ. Например, можно увидеть поджелудочную железу и печень и определить не только их очертание и размеры, но и состояние ткани. Специалист отличит, имеется ли у больного воспалительный процесс в этих органах, киста или абсцесс. Без введения контрастных веществ он может увидеть желчный пузырь, убедиться, есть в нем камни или нет, оценить изменения его стенок и функциональное состояние, проверить, имеются ли в желчных протоках камни, препятствующие оттоку желчи из печени. Метод ультразвуковой эхолокации позволяет исследовать почки, мочевой пузырь, мочевыводящие пути. Ценную информацию он дает также травматологам. При помощи ультразвукового остеометра можно выявить не только переломы и трещины костей, но и минимальные изменения костных структур при функциональном нарушении плотности костной ткани - остеопорозе. Эхография помогает выявить внутреннее кровотечение и кровоизлияние при закрытых травмах груди и живота. При этом при выпотевании жидкости в брюшную или плевральную полость ультразвук позволяет получить важные данные о количестве и локализации экссудата, а при закупорке крупных кровеносных сосудов -- о местонахождении и величине тромбов и эмболов.

Офтальмологам он может помочь точно определить рефракцию глаза и длину его оси, «увидеть» глазное дно, скрытое помутневшим хрусталиком или бельмом на роговице. При поражениях головного мозга ультразвуковая эхография служит признанным методом диагностики опухолей, абсцессов, травматических кровоизлияний, острых нарушений мозгового кровообращения, инсультов.

Эхография значительно упростила процесс акушерского исследования. С ее помощью определяют положение, размеры, массу плода, пол, пороки развития, количество плодов, соотношение тканевых структур и органов, состояние плаценты, сердцебиение. Все эти данные можно получить уже в ранние сроки беременности, а затем, периодически повторяя исследование, следить за развитием плода. На экране можно даже увидеть внутренние структуры сердца плода.

2.2 Применение ультразвука в других отраслях

Ультразвуковая очистка.

Качество ультразвуковой очистки несравнимо с другими способами. Например, при полоскании деталей на их поверхности остается до 80% загрязнений, при вибрационной очистке - около 55%, при ручной - около 20%, а при ультразвуковой - не более 0,5%. Кроме того, детали, имеющие сложную форму, труднодоступные места, хорошо можно очистить только с помощью ультразвука. Особое преимущество ультразвуковой очистки заключается в ее высокой производительности при малой затрате физического труда, возможности замены огнеопасных или дорогостоящих органических растворителей безопасными и дешевыми водными растворами щелочей, жидким фреоном и др.

Ультразвуковая очистка - сложный процесс, сочетающий местную кавитацию с действием больших ускорений в очищающей жидкости, что приводит к разрушению загрязнений. Если загрязненную деталь поместить в жидкость и облучить ультразвуком, то под действием ударной волны кавитационных пузырьков поверхность детали очищается от грязи.

Ультразвуковая сварка.

Из существующих методов ни один не подходит для сварки разнородных металлов или если к толстым деталям нужно приварить тонкие пластины. В этом случае ультразвуковая сварка незаменима. Ее иногда называют холодной, потому что детали соединяются в холодном состоянии. Окончательного представления о механизме образования соединений при ультразвуковой сварке нет. В процессе сварки после ввода ультразвуковых колебаний между свариваемыми пластинами образуется слой высокопластичного металла, при этом пластины очень легко поворачиваются вокруг вертикальной оси на любой угол. Но как только ультразвуковое излучение прекращают, происходит мгновенное «схватывание» пластин.

Ультразвуковая сварка происходит при температуре значительно меньшей температуры плавления, поэтому соединение деталей происходит в твердом состоянии. С помощью ультразвука можно сваривать многие металлы и сплавы (медь, молибден, тантал, титан, многие стали). Наилучшие результаты получаются при сварке тонколистовых разнородных металлов и приварке к толстым деталям тонких листов. При ультразвуковой сварке минимально изменяются свойства металла в зоне сварки. Требования к качеству подготовки поверхности значительно ниже, чем при других методах сварки. Ультразвуковой сварке хорошо поддаются и неметаллические материалы (пластмасса, полимеры)

Ультразвуковая дефектоскопия

Ультразвуковая дефектоскопия - один из методов неразрушающего контроля. Свойство ультразвука распространяться в однородной среде направленно и без существенных затуханий, а на границе раздела двух сред (например, металл - воздух) почти полностью отражаться позволило применить ультразвуковые колебания для выявления дефектов (раковины, трещины, расслоения и т.п.) в металлических деталях без их разрушения.

При помощи ультразвука можно проверять детали больших размеров, так как глубина проникновения в металле достигает 810 м. Кроме того, ультразвуком можно обнаружить очень мелкие дефекты (до 10^-6мм).

Ультразвуковые дефектоскопы позволяют выявлять не только образовавшиеся дефекты, но и определять момент повышенной усталости металла.

Существует несколько методов ультразвуковой дефектоскопии, основными из которых являются теневой, импульсный, резонансный, метод структурного анализа, ультразвуковой визуализации.

Теневой метод основан на ослаблении проходящих ультразвуковых волн при наличии внутри детали дефектов, создающих ультразвуковую тень. При этом методе используется два преобразователя. Один из них излучает ультразвуковые колебания, другой принимает их. Теневой метод малочувствителен, дефект можно обнаружить если вызываемое им изменение сигнала составляет не менее 1520%. Существенный недостаток теневого метода в том, что он не позволяет определить на какой глубине находится дефект.

В радиоэлектронике часто возникает необходимость задержать один электрический сигнал относительно другого. Удачное решение нашли ученые, предложив ультразвуковые линии задержки (ЛЗ). Действие их основано на преобразовании электрических импульсов в импульсы ультразвуковых механических колебаний, скорость распространения которых значительно меньше скорости распространения электромагнитных колебаний. После обратного преобразования механических колебаний в электрические импульс напряжения на выходе линии будет задержан относительно входного импульса.

Для преобразования электрических колебаний в механические и обратно используют магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи. Соответственно этому ЛЗ подразделяются на магнитострикционные и пьезоэлектрические. Магнитострикционная ЛЗ состоит из входного и выходного преобразователей, магнитов, звукопровода и поглотителей. Входной преобразователь состоит из катушки, по которой протекает ток входного сигнала, участка звукопровода из магнитострикционного материала, в котором возникают механические колебания ультразвуковой частоты, и магнита, создающего постоянное подмагничивание зоны преобразования. Выходной преобразователь по устройству почти не отличается от входного.

Звукопровод представляет собой стержень из магнитострикционного материала, в котором возбуждаются ультразвуковые колебания, распространяющиеся со скоростью примерно 5000 м/с. для задержки импульса, например, на 100 мкс длина звукопровода должна быть около 43 см. Магнит нужен для создания начальной магнитной индукции и подмагничивания зоны преобразования.

Поглотители для уменьшения уровня паразитных отраженных сигналов располагаются на обоих концах звукопровода.

Принцип действия магнитострикционной ЛЗ основан на изменении размеров ферромагнитных материалов под воздействием магнитного поля. Механическое возмущение, вызванное магнитным полем катушки входного преобразователя, передается по звокопроводу и, дойдя до катушки выходного преобразователя, наводит в ней электродвижущую силу.

Пьезоэлектрические ЛЗ устроены следующим образом. На пути электрического сигнала ставят пьезоэлектрический преобразователь (пластинку кварца), который жестко соединен с металлическим стержнем (звукопроводом). Ко второму концу стержня прикреплен второй пьезоэлектрический преобразователь. Сигнал, подойдя к входному преобразователю, вызывает механические колебания ультразвуковой частоты, которые затем распространяются в звукопроводе. Достигнув второго преобразователя, ультразвуковые колебания вновь преобразуются в электрические. Но так как скорость распространения УЗ в звукопроводе значительно меньше скорости меньше скорости распространения электрического сигнала, сигнал, на пути которого был звукопровод, отстает от другого на величину, равную разности скорости распространения УЗ и электромагнитных сигналов на определенном участке.

Применение ультразвука для определения свойств, состава и строения веществ в промышленном производстве и в научных исследованиях основано на зависимости скорости и затухания ультразвуковых волн в объеме и поверхностном слое вещества от его состава и структуры, на законах отражения и рассеяния ультразвука па границах двух сред с различными акустическими свойствами, на изменении резонансных параметров твердых тел в зависимости от свойств окружающей среды. Акустические методы в ряде случаев позволяют заменить субъективную органолептическую оценку результатами объективного экспресс-анализа пищевых продуктов и сырья в технологических процессах их переработки.

Одной из актуальнейших проблем развития общества была и остается его безопасность: это борьба с преступностью, терроризмом и экономическими правонарушениями, предупреждение и предотвращение техногенных и экологических катастроф. Эффективность решения этих проблем неразрывно связана с уровнем оснащенности соответствующих структур техническими средствами, важное место среди которых принадлежит информативным устройствам, основанным на методах интроскопии и неразрушающего контроля.

Контроль багажа и почтовых отправлений, контейнеров и транспортных средств, продуктов питания, сыпучих грузов, строительных конструкций, мебели и предметов обихода, судебно-медицинская экспертиза и анализ подлинности произведений искусства, ценных бумаг, банкнот и документов - все это осуществляется в настоящее время с помощью технических средств интроскопии.

Методы и приборы, решающие изложенные выше задачи, получили название "поисковые" или "досмотровые".

Многообразие поисковых задач, особенности объектов контроля, специфические условия применения поисковых устройств, высокие требования по функциональным возможностям, чувствительности, надежности, весогабаритным и эксплуатационным характеристикам обусловили необходимость и целесообразность формирования самостоятельного научного направления. Его основной целью является разработка и создание эффективных и безопасных для персонала средств поиска в оптически непрозрачных средах посторонних включений методами интроскопии и неразрушающего контроля.

Интроскопия - неразрушающее исследование внутренней структуры объекта и протекающих в нём процессов с помощью звуковых волн (в том числе ультразвуковых и сейсмических), электромагнитного излучения различных диапазонов, постоянного и переменного электромагнитного поля и потоков элементарных частиц.

Основные методы интроскопии:

- проекционные - получение теневого изображения объекта;

- томографические - получение томографического изображения объекта;

- эхозондировани.

Эхозондирование

В ряде случаев, некоторые методы эхозондирования (например, обычное ультразвуковое исследование), ошибочно относят к томографии, что терминологически не верно. Несмотря на то, что в ультразвуковом исследовании также получают изображение некоторого сечения (томоса) - метод его получения не является томографическим: отсутствует многоракурсная съёмка в пересекающихся направлениях и, самое главное, отсутствует решение обратной томографической задачи.

Для получения ультразвукового снимка нет никакой необходимости в особой математической предобработке. Ультразвуковой преобразователь (на самом деле это набор небольших отдельных ультразвуковых преобразователей) посылает ультразвуковую волну (ультразвуковой веерный пучок), которая частично отражается от границ неоднородностей и возвращается к ультразвуковому преобразователю, где и регистрируется. Принцип же получения снимка в упрощённой форме можно представить следующим образом: по одной оси откладываются номера отдельных преобразователей (направление), вторая ось - временная задержка отклика (расстояние), яркость - интенсивность отклика.

В таможенном деле используется первый метод интроскопии, а именно проекционный метод, в основе которого лежит облучение объекта с помощью рентгеновских лучей, так как он является более эффективным и быстрым, из чего следует что применение эхозондирования является нецелесообразным для использования при таможенном контроле.

Заключение

В данной работе я рассмотрел природу ультразвуковых волн и возможности практического использования ультразвука в различных отраслях.

Я считаю, что исследования механизмов действия ультразвука, разработка новых ультразвуковых методик должна продолжаться, потому что, это принесет ощутимую пользу практической медицине, биотехнологиям, перерабатывающей промышленности, а также улучшит процесс проведения таможенного контроля.

В настоящее время ультразвуковой метод нашел широкое диагностическое применение и стал неотъемлемой частью клинического обследования больных. По абсолютному числу ультразвуковые исследования в плотную приблизились к рентгенологическим.

Размещено на Allbest.ru