Реферат на тему:
-
Вступ
- 1 Джерела ультразвуку
- 1.1 Свисток Гальтона
- 1.2 Рідинний ультразвуковий свисток
- 1.3 Сирена
- 2 Ультразвук в природі
- 3 Застосування ультразвуку
- 3.1 Діагностичне застосування ультразвуку в медицині (УЗД)
- 3.2 Терапевтичне застосування ультразвуку в медицині
- 3.3 Різання металу за допомогою ультразвуку
- 3.4 Приготування сумішей за допомогою ультразвуку
- 3.5 Застосування ультразвуку в біології
- 3.6 Застосування ультразвуку для очищення
- 3.7 Застосування ультразвуку для очищення коренеплодів
- 3.8 Застосування ультразвуку в ехолокації
- 3.9 Застосування ультразвуку в витратометрії
- 3.10 Застосування ультразвуку в дефектоскопії
- 3.11 Ультразвукове зварювання
- 3.12 Теплоотведеніе і ультразвук
- 3.13 Застосування ультразвуку в гальванотехнике
Ультразвук - пружні звукові коливання високої частоти. Людське вухо сприймає що поширюються в середовищі пружні хвилі частотою приблизно до 16-20 кГц; коливання з більш високою частотою є ультразвук (за межею чутності). Зазвичай ультразвуковим діапазоном вважають смугу частот від 20 000 до мільярда Гц. Звукові коливання з більш високою частотою називають гіперзвуком. У рідинах і твердих тілах звукові коливання можуть досягати 1000 ГГц
Хоча про існування ультразвука ученим було відомо давно, практичне використання його в науці, техніці і промисловості почалося порівняно недавно. Зараз ультразвук широко застосовується в різних областях фізики, технології, хімії та медицини.
1. Джерела ультразвуку
Частота надвисокочастотних ультразвукових хвиль, що застосовуються в промисловості і біології, лежить в діапазоні порядку декількох МГц. Фокусування таких пучків зазвичай здійснюється за допомогою спеціальних звукових лінз і дзеркал. Ультразвуковий пучок з необхідними параметрами можна отримати за допомогою відповідного перетворювача. Найбільш поширені керамічні перетворювачі з титаніту барію. У тих випадках, коли основне значення має потужність ультразвукового пучка, зазвичай використовуються механічні джерела ультразвуку. Спочатку все ультразвукові хвилі отримували механічним шляхом (камертони, свистки, сирени).
У природі УЗ зустрічається як в якості компоненти багатьох природних шумів (в шумі вітру, водоспаду, дощу, в шумі гальки, перекочується морським прибоєм, в звуках, які супроводжують грозові розряди, і т. Д.), Так і серед звуків тваринного світу. Деякі тварини користуються ультразвуковими хвилями для виявлення перешкод, орієнтування в просторі.
Випромінювачі ультразвуку можна поділити на дві великі групи. До першої відносяться випромінювачі-генератори; коливання в них порушуються через наявність перешкод на шляху постійного потоку - струменя газу або рідини. Друга група випромінювачів - електроакустичні перетворювачі; вони перетворять вже задані коливання електричної напруги або струму в механічне коливання твердого тіла, яке і випромінює в навколишнє середовище акустичні хвилі.
1.1. свисток Гальтона
Перший ультразвуковий свисток зробив в 1883 році англієць Гальтон. Ультразвук тут створюється подібно звуку високого тону на вістрі ножа, коли на нього потрапляє потік повітря. Роль такого вістря в свистку Гальтона грає "губа" в маленькій циліндричної резонансної порожнини. Газ, що пропускається під високим тиском через порожнистий циліндр, ударяється об цю «губу»; виникають коливання, частота яких (вона становить близько 170 кГц) визначається розмірами сопла і губи. Потужність свистка Гальтона невелика. В основному його застосовують для подачі команд при дресируванні собак і кішок.
1.2. Рідинний ультразвуковий свисток
Більшість ультразвукових свистків можна пристосувати для роботи в рідкому середовищі. У порівнянні з електричними джерелами ультразвука рідинні ультразвукові свистки малопотужні, але іноді, наприклад, для ультразвукової гомогенізації, вони володіють істотною перевагою. Так як ультразвукові хвилі виникають безпосередньо в рідкому середовищі, то не відбувається втрати енергії ультразвукових хвиль при переході з одного середовища в іншу. Мабуть, найбільш вдалою є конструкція рідинного ультразвукового свистка, виготовленого англійськими вченими Коттелем і Гудменом на початку 50-х років 20 століття. У ньому потік рідини під високим тиском виходить з еліптичного сопла і прямує на сталеву пластинку. Різні модифікації цієї конструкції набули досить широкого поширення для отримання однорідних середовищ. Завдяки простоті і стійкості своєї конструкції (руйнується тільки коливається) такі системи довговічні і недорогі.
1.3. Сирена
Інший різновид механічних джерел ультразвуку - сирена. Вона володіє відносно великою потужністю і застосовується в міліцейських та пожежних машинах. Всі ротаційні сирени складаються з камери, закритою зверху диском (статором), в якому зроблено велику кількість отворів. Стільки ж отворів є і на що обертається усередині камери диску - роторі. При обертанні ротора положення отворів в ньому періодично збігається з положенням отворів на статорі. У камеру безперервно подається стиснене повітря, що виривається з неї в ті короткі миті, коли отвори на роторі і статорі співпадають.
Основне завдання при виготовленні сирен - це, по-перше, зробити якомога більше отворів в роторі і, по-друге, досягти великій швидкості його обертання. Однак практично виконати обидва ці вимоги дуже важко.
2. Ультразвук в природі
Кажани, що використовують при нічному орієнтуванні ехолокацію, випускають при цьому ротом (Кожанова - Vespertilionidae) або мають форму параболічного дзеркала носовою отвором (підковоніс - Rhinolophidae) сигнали надзвичайно високої інтенсивності. На відстані 1 - 5 см від голови тварини тиск ультразвуку досягає 60 мбар, тобто відповідає в чутної нами частотній області тиску звуку, створюваного відбійним молотком. Відлуння своїх сигналів кажани здатні сприймати при тиску всього 0,001 мбар, тобто в 10000 разів менше, ніж у випускаються сигналів. При цьому кажани можуть обходити при польоті перешкоди навіть у тому випадку, коли на ехолокаційні сигнали накладаються ультразвукові перешкоди з тиском 20 мбар. Механізм цієї високої завадостійкості ще невідомий. При локалізації кажанами предметів, наприклад, вертикально натягнутих ниток з діаметром всього 0,005 - 0,008 мм на відстані 20см (половина розмаху крил), вирішальну роль відіграють зрушення в часі і різниця в інтенсивності між випускаються і відбитим сигналами. Підковоноси можуть орієнтуватися і за допомогою тільки одного вуха (моноурально), що істотно полегшується великими безперервно рухаються вушними раковинами. Вони здатні компенсувати навіть частотний зсув між випускаються і відбитими сигналами, обумовлений ефектом Доплера (при наближенні до предмета луна є більш високочастотним, ніж посилається сигнал). Знижуючи під час польоту ехолокаційному частоту таким чином, щоб частота відбитого ультразвуку залишалася в області максимальної чутливості їх «слухових» центрів, вони можуть визначити швидкість власного переміщення.
У нічних метеликів з сімейства ведмедиць розвинувся генератор ультразвукових перешкод, «збиває зі сліду» кажанів, які переслідують цих комах.
Ехолокацію використовують для навігації і птиці - жирні дрімлюги, або гуахаро. Населяють вони гірські печери Латинської Америки - від Панами на північно-заході до Перу на півдні і Сурінаму на сході. Живучи в непроглядній пітьмі, жирні дрімлюги, проте, пристосувалися віртуозно літати по печерах. Вони видають неголосні клацають звуки, які сприймаються і людським вухом (їх частота приблизно 7 000 герц). Кожне клацання триває одну-дві мілісекунди. Звук клацання відбивається від стін підземелля, різних виступів і перешкод і сприймається чуйним слухом птиці.
Ультразвукову ехолокацією в воді користуються китоподібні.
3. Застосування ультразвуку
3.1. Діагностичне застосування ультразвуку в медицині (УЗД)
Завдяки гарному поширенню ультразвуку в м'яких тканинах людини, його відносної нешкідливості в порівнянні з рентгенівськими променями і простотою використання в порівнянні з магнітно-резонансною томографією ультразвук широко застосовується для візуалізації стану внутрішніх органів людини, особливо в черевній порожнині і порожнині тазу.
3.2. Терапевтичне застосування ультразвуку в медицині
Крім широкого використання в діагностичних цілях (див. Ультразвукове дослідження), ультразвук застосовується в медицині як лікувальний засіб.
Ультразвук має дією:
- протизапальну, розсмоктуючу
- аналгезирующим, спазмолітичну
- кавітаційним посиленням проникності шкіри
Фонофорез - поєднаний метод, при якому на тканини діють ультразвуком і вводяться з його допомогою лікувальними речовинами (як медикаментами, так і природного походження). Проведення речовин під дією ультразвуку обумовлено підвищенням проникності епідермісу і шкірних залоз, клітинних мембран і стінок судин для речовин невеликої молекулярної маси, особливо - іонів мінералів бішофіту. [1] Зручність ультрафонофореза медикаментів та природних речовин:
- лікувальну речовину при введенні ультразвуком не руйнується
- синергізм дії ультразвуку і лікувальної речовини
Показання до ультрафонофорезу бішофіту: остеоартроз, остеохондроз, артрити, бурсити, епікондиліти, п'яткова шпора, стану після травм опорно-рухового апарату; Неврити, нейропатії, радикуліти, невралгії, травми нервів.
Наноситься бішофіт-гель і робочою поверхнею випромінювача проводиться мікро-масаж зони впливу. Методика лабільна, звичайна для ультрафонофореза (при ОФФ суглобів, хребта інтенсивність в області шийного відділу - 0,2-0,4 Вт / см2. В області грудного і поперекового відділу - 0,4-0,6 Вт / см2).
3.3. Різання металу за допомогою ультразвуку
На звичайних металорізальних верстатах не можна просвердлити в металевій деталі вузький отвір складної форми, наприклад у вигляді п'ятикутної зірки. За допомогою ультразвуку це можливо, магнітострикційний вібратор може просвердлити отвір будь-якої форми. Ультразвукове долото цілком замінює фрезерний верстат. При цьому таке долото набагато простіше фрезерного верстата і обробляти їм металеві деталі дешевше і швидше, ніж фрезерним верстатом.
Ультразвуком можна навіть робити гвинтову нарізку в металевих деталях, в склі, в рубін, в алмазі. Зазвичай різьблення спочатку робиться в м'якому металі, а потім вже деталь піддають загартуванню. На ультразвуковому верстаті різьблення можна робити в уже загартованому металі і в самих твердих сплавах. Те ж і з штампами. Зазвичай штамп загартовують вже після його ретельної обробки. На ультразвуковому верстаті складну обробку виробляє абразив (наждак, корундовий порошок) в поле ультразвукової хвилі. Безперервно вагаючись в поле ультразвуку, частинки твердого порошку врізаються в оброблюваний сплав і вирізують отвір такої ж форми, як і у долота.
3.4. Приготування сумішей за допомогою ультразвуку
Широко застосовується ультразвук для приготування однорідних сумішей (гомогенізації). Ще в 1927 році американські вчені Лімус і Вуд виявили, що якщо дві незмішувані рідини (наприклад, масло і воду) злити в одну мензурки і піддати опроміненню ультразвуком, то в мензурки утворюється емульсія, тобто дрібна суспензія масла у воді. Подібні емульсії відіграють велику роль в промисловості: це лаки, фарби, фармацевтичні вироби, косметика.
3.5. Застосування ультразвуку в біології
Здатність ультразвуку розривати оболонки клітин знайшла застосування в біологічних дослідженнях, наприклад, при необхідності відокремити клітину від ферментів. Ультразвук використовується також для руйнування таких внутрішньоклітинних структур, як мітохондрії і хлоропласти з метою вивчення взаємозв'язку між їх структурою і функціями. Інше застосування ультразвуку в біології пов'язане з його здатністю викликати мутації. Дослідження, проведені в Оксфорді, показали, що ультразвук навіть малої інтенсивності може пошкодити молекулу ДНК. [Джерело не вказано 107 днів] Штучне цілеспрямоване створення мутацій грає велику роль в селекції рослин. Головна перевага ультразвуку перед іншими мутагенами (рентгенівські промені, ультрафіолетові промені) полягає в тому, що з ним надзвичайно легко працювати.
3.6. Застосування ультразвуку для очищення
У лабораторіях і на виробництві застосовуються ультразвукові ванни для очищення лабораторного посуду і деталей від дрібних частинок. У ювелірній промисловості ювелірні вироби очищають від дрібних частинок полірувальної пасти в ультразвукових ваннах. У дев'яності роки XX століття на Томському заводі НВО «РЕТОН» був отриманий патент на винахід і випущено ультразвукове стирає пристрій «Ретона», в основі дії якого лежить ультразвук низької частоти. Пізніше з'явилося безліч ультразвукових пристроїв для прання текстильних виробів. Загальним для них є принцип дії: пружні хвилі ультразвуку діють на забруднення, «вибиваючи» бруд за допомогою поверхнево-активних речовин з волокон тканини.
3.7. Застосування ультразвуку для очищення коренеплодів
У деяких виробництвах застосовують ультразвукові ванни для очищення коренеплодів (картоплі, моркви, буряка та ін.) Від частинок землі.
3.8. Застосування ультразвуку в ехолокації
У рибної промисловості застосовують ультразвукову ехолокацію для виявлення косяків риб. Ультразвукові хвилі відбиваються від косяків риб і приходять в приймач ультразвука раніше, ніж ультразвукова хвиля, що відбилася від дна.
3.9. Застосування ультразвуку в витратометрії
Для контролю витрат і обліку води та теплоносія з 60-х років минулого століття в промисловості застосовуються ультразвукові витратоміри.
3.10. Застосування ультразвуку в дефектоскопії
Ультразвук добре поширюється в деяких матеріалах, що дозволяє використовувати його для ультразвукової дефектоскопії виробів з цих матеріалів. Останнім часом набуває розвиток напрямок ультразвукової мікроскопії, що дозволяє досліджувати підповерхневий шар матеріалу з хорошою роздільною здатністю.
3.11. Ультразвукове зварювання
Ультразвукове зварювання - зварювання тиском, що здійснюється при впливі ультразвукових коливань. Такий вид зварювання застосовується для з'єднання деталей, нагрівання яких утруднений, або при з'єднанні різнорідних металів або металів з міцними окисними плівками (алюміній, нержавіючі стали, магнітопроводи з пермаллоя і т. П.). Так ультразвукове зварювання застосовується при виробництві інтегральних мікросхем.
3.12. Теплоотведеніе і ультразвук
Існують три способи відведення тепла - випромінювання, конвекція і теплопровідність. І на їх основі було розроблено безліч пристроїв для відведення тепла від електронних компонентів і систем. Найбільш ефективним способом є, перш за все, передача тепла через кордони розділу двох матеріалів, які знаходяться в тісному контакті. Радіатори і теплорассеівателі застосовують для відводу тепла шляхом теплопровідності. 1
Виробники електроніки, орієнтуючись на вимоги сьогоднішнього споживача, прагнуть до підвищення ефективності своїх пристроїв і зменшення їх габаритів і ваги. Одна з головних завдань, які необхідно вирішити конструкторам для досягнення поставлених цілей, - це розробка ефективної системи відводу тепла для запобігання перегріву виробів, що негативно позначається на їх характеристиках і надійності.
Для ефективного відводу тепла необхідний тісний контакт між матеріалами. Вкрай важливо, щоб не було порожнеч в шарі клею, який зазвичай є добре проводить тепло матеріал або термопасту. Освіта розшарувань чи інших повітряних утворень погіршує відведення тепла і призводить до перегріву вироби. Тому дуже важливо вчасно виявляти ці дефекти.
3.13. Застосування ультразвуку в гальванотехнике
Ультразвук застосовують для інтенсифікації гальванічних процесів і поліпшення якості покриттів, одержуваних електрохімічним способом.