Ультразвук: физические свойства и применение¶

Ультразвук — это механические (упругие) колебания среды с частотой выше верхней границы слышимости человеческого уха, которая условно принята за 20 000 Гц (20 кГц). Ультразвук относится к звуковым волнам, но в силу высокой частоты обладает рядом специфических свойств, делающих его ценным инструментом в науке, медицине и промышленности. Верхняя граница ультразвукового диапазона обычно ограничивается частотами 10⁹–10¹⁰ Гц, за которыми начинается гиперзвук.

¶Физическая природа и свойства

Как и любой звук, ультразвук представляет собой продольные волны, распространяющиеся в упругой среде (газах, жидкостях, твёрдых телах). Скорость распространения зависит от плотности и упругости среды: в воздухе она составляет около 330 м/с, в воде — около 1500 м/с, в стали — около 5000 м/с.

Ключевой характеристикой является длина волны, которая обратно пропорциональна частоте. Для ультразвука она мала (от нескольких сантиметров в воздухе до долей миллиметра в твёрдых телах), что обеспечивает высокую разрешающую способность и возможность фокусировки пучка.

Основные физические эффекты, проявляющиеся при распространении ультразвука:

• Кавитация — образование в жидкости микроскопических пузырьков, заполненных паром и газом. При захлопывании пузырьков возникают локальные импульсы давления до сотен атмосфер и кратковременные разогревы, что вызывает эрозию поверхностей, эмульгирование жидкостей и разрушение клеток.
• Акустические течения — стационарные потоки жидкости, возникающие из-за поглощения энергии волны и нелинейных эффектов.
• Нагрев среды — поглощение ультразвуковой энергии веществом приводит к повышению температуры, что используется в физиотерапии.
• Отражение и преломление — на границах раздела сред с разным акустическим импедансом ультразвук отражается, что лежит в основе диагностических методов.

¶Источники и приёмники

Для генерации ультразвука используются два основных класса устройств:

• Магнитострикционные преобразователи — используют эффект изменения размеров ферромагнитных материалов (никель, ферриты) в переменном магнитном поле. Работают на частотах до 100 кГц, применяются для мощных технологических установок.
• Пьезоэлектрические преобразователи — основаны на обратном пьезоэффекте (деформация кристалла кварца, керамики ЦТС под действием электрического поля). Позволяют генерировать ультразвук в широком диапазоне частот — от десятков кГц до единиц ГГц.

Приём ультразвука осуществляется теми же типами преобразователей, работающими в обратном режиме (прямой пьезоэффект).

¶Применение в технике и промышленности

Ультразвук широко используется для неразрушающего контроля качества материалов. Дефектоскопия основана на регистрации отражённых от внутренних дефектов (трещин, раковин, расслоений) импульсов. Метод позволяет контролировать сварные швы, рельсы, трубопроводы без повреждения изделия.

В технологических процессах ультразвук применяется для:

• очистки деталей — удаление загрязнений, окалины и жира с поверхностей в ваннах с ультразвуковым воздействием;
• сварки — соединение термопластичных полимеров и тонких металлических листов за счёт трения, создаваемого колебаниями;
• резки и обработки — резка хрупких материалов (стекло, керамика, полупроводники) и сверление отверстий сложной формы;
• интенсификации химических процессов — ускорение реакций, эмульгирование несмешивающихся жидкостей, диспергирование твёрдых частиц.

¶Применение в медицине

Медицинское использование ультразвука делится на диагностическое и терапевтическое.

Диагностика (сонография) — метод визуализации внутренних органов, основанный на отражении ультразвуковых волн от границ тканей с разной акустической плотностью. УЗИ безопасно для организма, не использует ионизирующее излучение и позволяет получать изображения в реальном времени. Применяется в кардиологии, акушерстве, онкологии, урологии.

Терапия включает:

• физиотерапию — локальный прогрев тканей для снятия воспаления и боли;
• фонофорез — введение лекарственных веществ через кожу под действием ультразвука;
• литотрипсию — дробление камней в почках и желчном пузыре сфокусированным ультразвуковым ударом;
• хирургию — ультразвуковые скальпели для рассечения тканей с одновременной коагуляцией сосудов.

¶Биологическое действие и безопасность

Интенсивный ультразвук может оказывать повреждающее действие на биологические ткани: вызывать нагрев, кавитационные разрушения, механические повреждения клеток. Поэтому для диагностических применений установлены строгие пределы интенсивности (обычно не более 100 мВт/см²), не вызывающие нежелательных биологических эффектов. Производственные нормы ограничивают уровень ультразвука на рабочих местах во избежание воздействия на персонал.

¶Ультразвук в природе

Ряд животных использует ультразвук для эхолокации и коммуникации. Летучие мыши и дельфины излучают ультразвуковые сигналы и анализируют их отражения для ориентации в пространстве и охоты. Некоторые насекомые (сверчки, кузнечики) способны воспринимать ультразвук, что позволяет им избегать хищников.