Ультразвук что это такое

Ультразвук. Основы теории распространения ультразвуковых волн

Основные параметры ультразвука

Основными параметрами волны являются длина волны и период. Число циклов совершенных за одну секунду называется частотой и измеряется в Герцах (Гц). Время, требуемое чтобы совершить полный цикл, называется периодом и измеряется в секундах. Взаимосвязь между частотой и периодом волны приведено в формуле:

,

Скорость звука в идеальном упругом материале при заданной температуре и давлении является постоянной. Связь между скоростью ультразвука и длиной волны следующая:

,

В твердых веществах для продольных волн скорость звука [1]

,

Для поперечных волн она определяется по формуле

,

Дисперсия звука — зависимость фазовой скорости монохроматических звуковых волн от их частоты. Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическими свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.

Разновидности ультразвуковых волн

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны [2].

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны [3].

Волна Лэмба — упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Визуализация ультразвуковых волн

Интенсивность и мощность ультразвука

Интенсивность звука (сила звука) — средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны, в единицу времени. Для периодического звука усреднение производится либо за промежуток времени большой по сравнению с периодом, либо за целое число периодов [2]. Интенсивность ультразвука – величина, которая выражает мощность акустического поля в точке [6].

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

,

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова — вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения, понимая под этим удельную мощность излучателя, т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Мощность звука — энергия, передаваемая звуковой волной через рассматриваемую поверхность в единицу времени. Различают мгновенное значение мощности ультразвука и среднее за период или за длительное время. Наибольший интерес представляет среднее значение мощности ультразвука, отнесённое к единице площади, т. н. средняя удельная мощность звука, или интенсивность звука [2].

Затухание ультразвука

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

Рассеяние ультразвука происходит из-за резкого изменения свойств среды – её плотности и модулей упругости — на границе неоднородностей, размеры которых сравнимы с длиной волны. В газах это могут быть, например, жидкие капли, в водной среде — пузырьки воздуха, в твёрдых телах — различные инородные включения или отдельные кристаллиты в поликристаллах и т. п. Особый интерес представляет рассеяние на хаотически распределённых в пространстве неоднородностях.

Поглощение ультразвука может быть обусловлено различными механизмами. Большую роль играет вязкость и теплопроводность среды, взаимодействие волны с различными молекулярными процессами вещества, с тепловыми колебаниями кристаллической решётки и др.

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).

Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле [4]

,

Коэффициент затухания от времени определяется [5]

,

Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае

,

Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике [2].

,

Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:

Нп/м»/>,

Отражение ультразвука от границы раздела сред

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:

,

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом

,

,

Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т.е. Z₁>Z₂, то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ [1].

Коэффициент пропускания энергии τ из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны

,

Интерференция и дифракция ультразвуковых волн

Интерференция звука — неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции — сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука — отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука — расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны λ, степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

,

Излучатели ультразвука

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи. В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях, магнитострикционных преобразователях, электродинамических излучателях, электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса: они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости [2].

Характеристики излучателя ультразвука

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения. В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса, границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f₀ преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

,

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия, представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Звуковое поле излучателя

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля [1].

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

,

Однако поскольку D обычно значительно больше λ, уравнение можно упростить и привести к виду

,

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, второе — с активным воздействием на вещество и третье — с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

Получение информации с помощью ультразвуковых методов. Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них процессов на макро- и микроуровнях. Эти методы основаны главным образом на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих.

Воздействие ультразвука на вещество. Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.

Обработка и передача сигналов. Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электрических сигналов в различных отраслях радиоэлектроники, например в радиолокации, связи, вычислительной технике, и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. В устройствах для управления электрическими сигналами используются следующие особенности ультразвука: малая по сравнению с электромагнитными волнами скорость распространения; малое поглощение в кристаллах и соответственно высокая добротность резонаторов [2].

Источник

Ультразвук что это такое

Ультразвуком называют механические колебания, распространяющиеся в упругих средах (жидкости, газе) и твердых телах. Воспринимается он с верхним порогом слышимости свыше 20 кГц, причем звуковое ощущение могут вызывать и более высокие частоты, но при очень высоких интенсивностях (120—145 дБ).

Источниками ультразвука на производстве являются оборудование, в котором генерируются ультразвуковые колебания для выполнения технологических процессов, технического контроля и измерения, а также установки, при эксплуатации которых ультразвук возникает как сопутствующий фактор.

Ультразвук обладает главным образом локальным действием на организм, поскольку передается при непосредственном контакте с ультразвуковым инструментом, обрабатываемыми деталями или средами, где возбуждаются ультразвуковые колебания. Ультразвуковые колебания, генерируемые низкочастотным промышленным оборудованием, оказывают неблагоприятное влияние на организм человека. Длительное систематическое воздействие ультразвука, распространяющегося воздушным путем, вызывает изменения нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов. Наиболее характерным является наличие вегетососудистой дистонии и астенического синдрома.

Степень выраженности изменений зависит от интенсивности и длительности воздействия ультразвука и усиливается при наличии в спектре высокочастотного шума, при этом присоединяется выраженное снижение слуха. В случае продолжения контакта с ультразвуком указанные расстройства приобретают более стойкий характер.

Требования по ограничению неблагоприятного влияния ультразвука на работающих и население

Запрещается непосредственный контакт человека с рабочей поверхностью источника ультразвука и с контактной средой во время возбуждения в ней ультразвуковых колебаний.

В целях исключения контакта с источниками ультразвука необходимо применять:

• дистанционное управление источниками ультразвука;

• автоблокировку, т. е. автоматическое отключение источников ультразвука при выполнении вспомогательных операций (загрузка и выгрузка продукции, белья, медицинского инструментария и т. д., нанесения контактных смазок и др.);

• приспособления для удержания источника ультразвука или предметов, которые могут служить в качестве твердой контактной среды.

Для защиты рук от неблагоприятного воздействий контактного ультразвука в твердых, жидких, газообразных средах, а также от контактных смазок необходимо применять нарукавники, рукавицы или перчатки (наружные резиновые и внутренние хлопчатобумажные).

Ручные ультразвуковые источники должны иметь форму, обеспечивающую минимальное напряжение мышц кисти и верхнего плечевого пояса оператора и соответствовать требованиям технической эстетики.

Поверхность ручных источников ультразвука в местах контакта с руками должна иметь коэффициент теплопроводности не более 0,5 Вт/м.град., что исключает возможность охлаждения рук работающих.

Для снижения неблагоприятного влияния ультразвука при контактной передаче в холодный и переходный период года работающие должны обеспечиваться теплой спецодеждой по нормам, установленным в данной климатической зоне или производстве.

Стационарные ультразвуковые источники, генерирующие уровни звукового давления, превышающие нормативные значения, должны оборудоваться звукопоглощающими кожухами и экранами и размещаться в отдельных помещениях или звукоизолирующих кабинах.

Для защиты операторов, обслуживающих низкочастотные стационарные ультразвуковые источники, от электромагнитных полей необходимо проводить экранировку фидерных линий.

Общеукрепляющие процедуры (витаминизация, ультрафиолетовое облучение, комплексы гимнастических упражнений и др.) необходимо проводить и работающим в условиях воздействия низкочастотного воздушного ультразвука.

Для защиты работающих от неблагоприятного влияния воздушного ультразвука следует применять противошумы.

К работе с ультразвуковыми источниками допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие соответствующий курс обучения и инструктаж по технике безопасности.

Лица, подвергающиеся в процессе трудовой деятельности воздействию контактного ультразвука, подлежат предварительным, при приеме на работу, и периодическим медицинским осмотрам в соответствии с приказом Министерства здравоохранения и социального развития РФ № 302н от 12.04.11 г.

Источник

Ультразвуковая терапия

Ультразвуковая терапия (УЗТ) – метод физиотерапии, основанный на позитивном воздействии ультразвука на организм человека. Курс процедур может улучшить самочувствие при дерматологических и ЛОР-заболеваниях, стоматологических проблемах, болезнях мочеполовой системы и других нарушениях. Ультразвуковое лечение действительно эффективно, но должно назначаться исключительно по показаниям и проходить под контролем врача.

Ультразвуковая терапия и принцип действия ультразвука

УЗТ (ультразвуковая терапия) основана на принципах воздействия ультразвука частотой от 20 до 3000 кГц. Он проникает глубоко в ткани и влияет на них на клеточном уровне, стимулирует процессы регенерации тканей, улучшает кровообращение и иннервацию тканей. Процедура полезна при болезнях нервов и суставов, хронических воспалительных процессах, а также в процессе реабилитации после травм.

Процедура проводится с помощью аппарата ультразвуковой терапии (УЗТ). Он представляет собой устройство, которое генерирует ультразвуковые волны для воздействия ими на отдельные участки. Они поглощаются тканями, в результате чего проявляются основные терапевтические эффекты.

Принцип действия ультразвука

Во время проведения ультразвуковой терапии происходит ряд эффектов в тканях:

механическое воздействие – обусловлено созданием микровибраций в тканях, что стимулирует обменные процессы, укрепляет мембраны;

тепловое воздействие – в результате поглощения ультразвуковых волн, местная температура повышается (до 1 градуса), это сопровождается ускорением кровообращения и лимфооттока;

физико-химический эффект – во время УЗ терапии происходят изменения на клеточном уровне, ускоряется движение молекул, повышается скорость окислительно-восстановительных реакций;

биологическое воздействие – при процедурах ультразвуковой терапии наблюдается ускорение биохимических процессов и реакций, а также синтез новых биогенных веществ.

Ценность УЗ лечения заключается в комплексном и точечном влиянии ультразвука. Он влияет непосредственно на те участки, на которые направлен аппарат.

Показания к лечению ультразвуком

Процедуры УЗТ проводятся только по показаниям. Важно понимать, что от разового воздействия ультразвука лечебный эффект не будет заметен. Лечение ультразвуковой терапией назначают курсом, который может включать до 10 процедур и более, с промежутком между ними от нескольких дней до недели. Решение, сколько сеансов можно делать и с какой частотой, врач принимает для каждого пациента индивидуально.

Дерматологические проблемы

Ультразвуковая терапия в косметологии и дерматологии – это простая и безболезненная методика. Во время процедуры происходит микромассаж тканей, усиливается кровообращение, происходит стимуляция синтеза коллагеновых волокон. В комплексе можно отметить улучшение состояния кожи и ее омоложение.

Показания к УЗ терапии в косметологии и дерматологии:

различные дефекты кожи и пигментные пятна;

экзема – при этом заболевании ультразвук назначается продолжительными курсами;

УЗ терапия в косметологии доступна во многих кабинетах, но важно выбрать грамотного специалиста. Он должен учитывать все возможные противопоказания, подбирать курс лечения индивидуально.

При защемлении нервов и воспалении суставов

Польза ультразвуковой терапии доказана при болезнях нервов и суставов. Так, при защемлении нервов и хронических формах невралгии наблюдаются следующие эффекты от процедур:

уменьшение чувствительности нервных рецепторов;

регуляция скорости прохождения импульсов по нервам;

положительное влияние на работу вегетативной нервной системы;

Курс лечения УЗТ будет эффективен при хронических формах артрита и артроза. Волны проникают в глубокие ткани, улучшают микроциркуляцию и препятствуют разрушению хрящевой ткани. Также часто назначается фонофорез – сочетание ультразвуковой терапии с введением лекарственных препаратов. Так, УЗТ с гидрокортизоном на коленный сустав – один из распространенных методов лечения артрита.

Гинекологические воспаления и простатит

В гинекологии УЗТ назначают при нескольких показаниях:

при хроническом цистите;

лечении болезней груди – мастите, лактостазе;

при комплексной терапии бесплодия.

У мужчин процедуры эффективны при простатите. Они снимают воспаление предстательной железы, устраняют болезненность и дискомфорт.

ЛОР-болезни

Одно из показаний – хронические заболевания ЛОР-органов. Врач может назначить курс процедур при ряде патологий:

аденоидах – ультразвук уменьшает размер и снимает воспаление с носоглоточных миндалин;

синуситах – для восстановления слизистой околоносовых пазух;

фронтитах, фарингитах и других воспалительных заболеваниях в период восстановления.

Ультразвуковая терапия тела

Ультразвуковая терапия тела – это процедуры, которые проводятся в период реабилитации после травм и болезней опорно-двигательного аппарата. Волны стимулируют восстановление тканей, способствуют быстрому заживлению тканей. Показания к проведению:

переломы костей – для нарастания прочной костной мозоли, укрепления тканей;

остеохондроз – при этом заболевании ухудшается питание межпозвоночных хрящей;

протрузии и грыжи – процессы необратимы, но для восстановления окружающих тканей, для восстановления кровообращения и иннервации применяется ультразвук.

Лечение стоматологических заболеваний

Показания к УЗ терапии в стоматологии:

кариес – уменьшает вероятность рецидивов;

пульпит, периодонтит – снимает воспаление и болезненность, оказывает профилактику гнойных осложнений;

снятие металлических коронок – обработка ультразвуком необходима, чтобы цемент стал менее плотным, после чего протез удаляется легко и без повреждений.

Противопоказания

Процедура безопасна, если грамотно подобрать схему лечения и учесть все противопоказания. Так, обработка лица не проводится, если присутствуют полимерные филлеры, а также был проведен лифтинг с использованием золотых и платиновых нитей. Процедуры также опасны при параличе лицевого нерва и после операций на глазном яблоке, невралгии любого происхождения.

К общим противопоказаниям относятся:

воспалительные заболевания в стадии обострения, в том числе синуситы (гайморит);

дискинезия желчевыводящих путей, наличие камней в желчном пузыре и мочеполовой системе;

наличие внутриматочной спирали, особенно при воздействии ультразвуком на эту область;

различные протезы, импланты, кардиостимулятор;

гнойные поражения кожи любого происхождения;

повышенная температура тела, общая слабость.

Методики проведения ультразвуковой терапии

Различают следующие виды ультразвуковой терапии:

1. Лабильная методика УЗТ – самая распространенная. Датчик не находится в одном положении, а совершает круговые или линейные движения по всей области воздействия с медленной скоростью (1–2 см/с).

2. Стабильная методика УЗТ – используется в стоматологии. Источник ультразвуковых волн при этом воздействует только на одну точку и не перемещается. В других областях этот способ не применяется, поскольку есть вероятность перегрева тканей.

3. Ультразвуковая терапия через воду – подходит для лечения суставов со сложной конфигурацией, где излучатель не может полностью контактировать с кожей. Пораженный участок погружают в теплую воду, а излучатель находится в нескольких см от кожи.

Применение ультразвука у детей

Ультразвуковое лечение и физиотерапия у детей имеют свои особенности. Так, процедуры противопоказаны в возрасте до 3–5 лет, а далее их необходимость определяет только лечащий врач. При воздействии ультразвуком важно избегать эпифизов костей – есть вероятность повредить зоны роста. Новые технологии ультразвуковой терапии у детей позволяют проводить процедуры максимально безопасно, но важно учитывать все особенности растущего организма и наличие противопоказаний.

Заключение

Применение методик ультразвуковой терапии эффективно при различных хронических заболеваниях, замедлении обменных процессов, травмах. Для каждого пациента подбирается оптимальный курс процедур, с учетом его возраста, стадии болезни и ее особенностей, наличия противопоказаний. При грамотном проведении лечение безопасно и не имеет побочных эффектов, приносит заметные результаты.

Автор статьи: Габер Ядвига Здиславовна, врач-терапевт первой квалификационной категории.

Источник