Ультразвук и его применение

Муниципальное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа п. Пробуждение»
Энгельсского района Саратовской области
Ультразвук и его
применение
Работу выполнили обучающиеся
МОУ «Средняя общеобразовательная
школа п. Пробуждение»
Энгельсского района
Саратовской области
теоретики:
Подгорнова Екатерина 8 класс
Полулях Кристина 8 класс
Родионова Мария 8 класс
исследователи:
Лисина Оксана 9 класс
Шингалиева Ольга 9 класс
руководители: учитель физики Николаева Г.И.
учитель физики Родионова С.Ф.
2010 год
Содержание
1.
2.
2.1.
2.2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Введение
Основная часть:
Что такое ультразвук. История ультразвука.
Источники ультразвука:
- свисток Гальтона
- жидкостный ультразвуковой свисток
- сирена
Ультразвук в природе.
Применение ультразвука:
- в медицине;
- в промышленности и технике;
- в быту.
Практическая часть.
Заключение.
Литература, ссылки.
Приложения
Стр.
4
4
6
7
7
8
10
13
16
17
19
19
20
2
Цель работы: расширить знания об ультразвуковых волнах, рассмотреть
область применения ультразвука (УЗ).
Задачи исследования:
 Показать взаимосвязь развития физики и техники.
 Раскрыть роль и значение УЗ в современном мире.
 Продемонстрировать как современные технологии
многие
вопросы,
связанные
с
технологическими
позволили решать
процессами
на
производстве.
 Актуальность работы характеризуется: 1) в связи с не изученностью
глубоко выбранной темы; 2) в связи с возможностью решения
определенной
практической
задачи
на
основе
полученных
в
исследовании данных.
 Практическая
значимость
работы
заключается
в
возможности
использования данного материала как при изучении обучающимися темы
«Ультразвук», так и во внеклассной работе по физике.
3
Почти каждому человеку в своей жизни приходилось обследовать свой
организм с помощью ультразвука. Вот и нам тоже «посчастливилось»…. После
посещения кабинета ультразвуковой диагностики мы заинтересовались: «А что
это такое - УЗИ?» И выяснилось, что в его основе лежит использование
ультразвуковых волн. И мы решили более детально изучить вопрос: «Что такое
ультразвук и где он применяется?»
Двадцать первый век - век атома, покорения космоса, радиоэлектроники и
ультразвука.
Наука
об
ультразвуке
сравнительно
молодая.
Первые
лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены великим
русским ученым- физиком П. Н. Лебедевым в конце XIX века, а затем
ультразвуком занимались многие видные ученые. Хотя о существовании
ультразвука ученым было известно давно, практическое использование его в
науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно. Сейчас
ультразвук широко применяется в различных физических и технологических
методах.
Что такое ультразвук?
Исследования показали, что человеческое ухо способно воспринимать
как звук механические колебания в пределах от 20 Гц до 20000 Гц. Поэтому
колебания этого диапазона частот являются звуковыми. Если механические
колебания имеют частоту колебаний выше 20000 Гц, то они называются
ультразвуковыми.
В природе ультразвук встречается в качестве компонента
многих естественных шумов: в шуме ветра, водопада, дождя, в грозовых
разрядах. Многие млекопитающие, например кошки и собаки, обладают
способностью восприятия ультразвука частотой до 100 кГц, а локационные
способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем
хорошо известны. Существование неслышимых звуков было обнаружено с
развитием акустики в конце XIX века. Тогда же начались первые исследования
ультразвука, но основы его применения были заложены только в первой трети
XX-века.
Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн
слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но, у
4
ультразвука есть специфические особенности, которые определили его
широкое применение в науке и технике. Вот основные из них:
- Малая длина волны. Для самого низкого УЗ диапазона длина волны не
превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны
обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя
УЗ распространяется в виде пучков по размеру близких к размеру излучателя.
Попадая на неоднородности в среде, УЗ пучок ведёт себя как световой луч,
испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет формировать
звуковые изображения в оптически непрозрачных средах, используя чисто
оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.)
- Малый период колебаний. Это позволяет излучать ультразвук в виде
импульсов
и
осуществлять
в
среде
точную
временную
селекцию
распространяющихся сигналов.
- Возможность получения высоких значений энергии колебаний при
малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты.
Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не
требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.
- В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические
течения. Поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические
эффекты: физические, химические, биологические и медицинские. Такие как
кавитация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.
История ультразвука
Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Гальтон.
Ультразвук создавался подобно свисту на острие ножа, если на него дуть. Роль
такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух или
другой газ, выходящий под
давлением через кольцевое сопло, диаметром
таким же, как и кромка цилиндра, набегал на кромку, и возникали
высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить
колебания до 170 кГц.
В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой
техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на
кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный
5
прикладываемой
к
кристаллу
силе.
Это
явление
было
названо
"пьезоэлектричество" от греческого слова, означающего "нажать". Кроме того,
они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который
проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал
применялся
к
кристаллу,
техническая
возможность
вызывая
его
изготовления
вибрацию.
Отныне
малогабаритных
появилась
излучателей
и
приёмников ультразвука.
Гибель «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы
с новым оружием - подводными лодками требовали быстрого развития
ультразвуковой гидроакустики.
В 1914 году, французский физик Поль
Ланжевен совместно с русским учёным, жившим в Швейцарии - Константином
Шиловским
впервые разработали гидролокатор, состоящий из излучателя
ультразвука и гидрофона - приёмника УЗ колебаний, основанный на
пьезоэффекте.
Гидролокатор Ланжевена – Шиловского, был первым ультразвуковым
устройством, применявшимся на практике. Тогда же российский ученый
С.Я.Соколов
разработал
основы
ультразвуковой
дефектоскопии
в
промышленности. В 1937 году немецкий врач-психиатр Карл Дуссик, вместе с
братом Фридрихом, физиком, впервые применили ультразвук для обнаружения
опухолей головного мозга, но результаты, полученные ими, оказались
недостоверными.
В
медицинской
практике
ультразвук
впервые
стал
применяться только с 50-х годов XX-го века в США.
Источники ультразвука
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 твердого тела, которое и излучает в окружающую
среду акустические волны.
6
Как уже выше отмечалось, первый ультразвуковой свисток сделал в 1883
году англичанин Гальтон. Мощность свистка Гальтона невелика. В основном
его применяют для подачи команд при дрессировке собак.
Жидкостный ультразвуковой свисток
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 (процесс получения веществ однородного
строения),
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.
Наиболее
удачной
является
конструкция
жидкостного
ультразвукового свистка, изготовленного английскими учеными Коттелем и
Гудменом в начале 50-х годов 20 века. В нем 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
Другая разновидность механических источников ультразвука — сирена.
Она обладает относительно большой мощностью и применяется в милицейских
и пожарных машинах. 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. Основная задача при изготовлении
сирен — это, во-первых, сделать как можно больше отверстий в роторе и, во-
7
вторых, достичь большой скорости его вращения. Однако практически
выполнить оба эти требования очень трудно.
Ультразвук в природе
Как было выше сказано, некоторые животные пользуются УЗ волнами
для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве. Это и летучие
мыши, и бабочки из семейства медведиц, и китообразные.
Природа наградила летучих мышей способностью издавать звуки с
частотой колебаний выше 20000 герц, т. е ультразвуки, недоступные уху
человека. Локатор летучих мышей высокоточен, надёжен и ультраминиатюрен.
Он всегда находиться в рабочем состоянии и во много раз эффективнее всех
локационных
систем,
созданных
человеком.
С
помощью
такого
ультразвукового «видения» летучие мыши обнаруживают в темноте натянутую
проволоку диаметром 0,12- 0,05 мм, улавливают эхо, которое 2000 раз слабее
посылаемого сигнала, на фоне множества звуковых помех могут выделять
полезный звук, т.е. только тот диапазон, который им нужен.
Летучие мыши издают звуки высотой в 50 000 – 60 000 Гц и
воспринимают их. Этим объясняется их способность избегать столкновения с
предметами даже при выключенном зрении (принцип радара). В пределах
своего диапазона нормальное человеческое ухо воспринимает все тоны
беспрерывно, без пропусков.
У летучих мышей ультразвуки возникают обычно в гортани, которая по
устройству напоминают обычный свисток. Выдыхаемый из лёгких воздух
вихрем проноситься через него и с такой силой вырывается наружу, словно
выброшен взрывом. Давление проносящегося
через гортань воздуха вдвое
больше, чем в паровом котле! Более того, издаваемые звуки очень громкие:
если бы мы их улавливали, то воспринимали бы, как рёв двигателя реактивного
истребителя с близкого расстояния. Не глохнут же летучие мыши потому, что у
них есть мышцы, закрывающие уши в момент испускания разведывательных
ультразвуков.
Безопасностью
ушей
гарантируется
совершенством
их
конструкции: при максимальной частоте следования зондирующих импульсов –
8
250 в секунду – заслонка в ухе летучей мыши успевают открываться и
закрываться 500 раз в секунду.
Поскольку скорость звука значительно превышает скорость движения даже
быстрокрылых птиц, эхолокацию можно пользоваться и во время полёта.
Самым совершенным локатором обладают летучие мыши, развивающие во
время охоты большую скорость и постоянно выполняющее в воздухе фигуры
высшего пилотажа. О качестве «локаторного» слуха
свидетельствуют
результаты охоты: самые маленькие хищники уже за 15 минут охоты на
комаров, мошек и москитов увеличивают свой вес на 10 процентов.
«Навигационный прибор» настолько точен, что в состоянии запеленговать
микроскопически малый предмет диаметром всего 0,1 миллиметра. Дональд
Гриффин, исследователь эхолокаторов летучих мышей (давший, кстати, им это
название), считает, что если бы не эхолот, даже всю ночь летая с открытым
ртом, летучая мышь поймала бы по закону случая одного-единственного
комара.
Ультразвуковую эхолокацию в воде прекрасно освоили китообразные.
То, что у дельфина необычайно развитый слух, известно уже десятки лет.
Объёмы тех отделов мозга, которые заведуют слуховыми функциями, у него в
десятки раз больше, чем у человека (при том, что общий объём мозга примерно
одинаков). Дельфин способен принимать частоты звуковых колебаний, в 10 раз
более высокие(до 150 кГц),чем человек(до 15-18кГц), и слышит звуки,
мощность которых в 10-30 раз ниже чем у звуков, доступных слуху человека.
Но каким бы хорошим ни было зрение дельфина, его возможности ограничены
из - за невысокой прозрачности воды. Поэтому основные сведения об
окружающей обстановке дельфин получает с помощью слуха. При этом он
использует активную локацию: слушает эхо, возникающее при отражении
издаваемых им звуков от окружающих предметов. Эхо даёт ему точные
сведения не только о положении предметов, но и об их величине, форме,
материале.
Иными
словами
слух
позволяет
дельфину
воспринимать
окружающий мир не хуже или даже лучше, чем зрение.
Слух человека позволяет различать интервалы времени примерно от одной
сотой секунды (10 мс). Дельфины же различают интервалы в десятитысячные
9
доли секунды(0.1-0.3 мс). Тоже и наблюдается и при действии других пробных
звуков. Два коротких звуковых импульса отличаются от одного, когда интервал
между ними составляет всего 0.2-0.3 мс (у человека- несколько мс). Пульсации
громкости звука вызывают ответы, когда их частота приближается к 2 кГц (у
человека- 50-70 Гц).
Применение ультразвука
в медицине - ультразвуковая диагностика
УЗИ (ультразвуковая диагностика, эхография, ультразвук) является
наиболее современным, а также одним из самых информативных методов
диагностики большинства заболеваний, в том числе и гинекологии. В чем же
преимущество УЗИ перед другими, не менее современными методами
диагностики?
К несомненным достоинствам ультразвука относится, прежде всего, то,
что нет лучевой нагрузки. Поэтому, если врач либо сам пациент нуждается в
уточнении поставленного диагноза, процедуру УЗИ всегда можно повторить
без лишних опасений. В этой связи нельзя не упомянуть об уникальности
метода ультразвука, когда в рамках одного обращения к врачу можно провести
ультразвуковое исследование многих органов и систем организма.
Какие органы исследуют при помощи УЗИ?
Метод диагностики ультразвуком
диагностике
большинства
заболеваний
занимает ведущие позиции в
органов
брюшной
полости,
мочевыделительной системы, щитовидной железы, слюнных и молочных
желез, сердца и т. д. Наверное, легче сказать, где использование УЗИ
невозможно или ограничено. Это часть заболеваний костной системы, легких,
головного мозга и др. Но даже в данных областях с каждым годом все чаще
обращаются к ультразвуковому методу диагностики. Заключение, полученное
по результатам подобного ультразвукового исследования, поможет различным
врачам-специалистам наиболее объективно оценить степень патологии или
избавить пациента от напрасного беспокойства.
Ультразвуковое исследование ввиду относительно маленькой стоимости
и
высокой
доступности
обследования больного
и
является
позволяет
широко
используемым
диагностировать
методом
онкологические
10
заболевания, хронические диффузные изменения в органах (например, гепатоз,
цирроз – болезнь печени), наличие конкрементов (камни, плотные образования)
в желчном пузыре, почках, наличие аномалий внутренних органов и т.д. В
исследовании щитовидной железы ультразвуковой анализ является ведущим и
позволяет определить размеры узлов, кист, изменения размера железы.
Ультразвуковая терапия — лечебное использование ультразвука путем
применения высокочастотных ультразвуковых волн (механических колебаний).
Для ультразвуковой терапии используют ультразвук с частотой диапазона от
800-3000 кГц.
Ультразвуковая терапия нашла широкое применение в медицине и
аппаратной косметологии.
При
лечении
ультразвуком
окислительно-восстановительных
биологически
активных
повышается
процессов,
веществ
—
интенсивность
увеличивается
гистамина,
гепарина,
тканевых
образование
серотонина.
Ультразвук обладает выраженным противовоспалительным, обезболивающим,
спазмолитическим (устраняющим спазмы), противоаллергическим и оказывает
общетонизирующее
действие.
Ультразвук
стимулирует
кровообращение,
улучшает питание тканей.
Ультразвуковая терапия нашла широкое применение при заболеваниях
суставов, кожи, уха, горла, носа. Ультразвуком дробят камни в желчном
пузыре, почках, мочевом пузыре.
В аппаратной косметологии под влиянием ультразвука происходит
активизация клеточного обмена и лимфодренажа. Ультразвуковой массаж
применяется для лечения целлюлита и похудения. УЗ волны разрушают
фиброзный каркас, окружающий целлюлитные клетки. Кроме того, ультразвук
улучшает кровообращение, в результате чего жировые отложения значительно
уменьшаются, и повышается тургор кожи.
Одним из методов лечебного использования ультразвука является
ультрафонофорез лекарственных веществ. Ультрафонофорез — это введение
лекарственных средств через кожу и слизистые оболочки во время воздействия
ультразвуковых колебаний.
11
Противопоказаниями для ультразвуковой терапии являются: опухоли,
острые инфекции и интоксикации, болезни крови, ишемическая болезнь сердца,
тромбофлебит, склонность к кровотечениям, пониженное артериальное
давление,
органические
заболевания
центральной
нервной
системы,
выраженные невротические и эндокринные расстройства, беременность.
Значительное распространение ультразвук получил в медицине для
лечения заболеваний позвоночника, суставов, периферической нервной
системы, а также для выполнения хирургических операций. Американскими
учеными был разработан эффективный метод удаления опухолей головного
мозга (2002 г), не поддающихся обычному хирургическому лечению. В его
основе принцип, использующийся при удалении катаракты – дробление
патологического
образования
фокусированным
ультразвуком.
Впервые
разработан аппарат, способный создать в заданной точке ультразвуковые
колебания необходимой интенсивности и при этом не повредить окружающие
ткани. Источники ультразвука располагаются на черепе пациента и испускают
относительно слабые колебания. Компьютер рассчитывает направление и
интенсивность ультразвуковых импульсов таким образом, чтобы они только в
опухоли сливались друг с другом и разрушали ткани.
Кроме того, врачи научились с помощью ультразвука выращивать
утерянные зубы заново (2006 г). Как обнаружили исследователи из канадского
университета Альберты, пульсирующий ультразвук низкой интенсивности
стимулирует повторный рост выбитых и выпавших зубов. Медики разработали
особую технологию – миниатюрную “систему на чипе”, обеспечивающую
заживление
зубной
ткани.
Благодаря
беспроводному
выполнению
преобразователя ультразвука, микроскопическое устройство, укомплектованное
биологически совместимыми материалами, помещается во рту пациента, не
доставляя ему дискомфорта.
УЗ нашел применение в зубоврачебной практике для снятия зубного
камня. Он позволяет безболезненно, бескровно, быстро удалять зубной камень
и налет с зубов. При этом не травмируется слизистая полость рта и
обеззараживаются «карманы» полости, а пациент вместо боли испытывает
ощущение теплоты.
12
Интенсивно используется в течение трех десятилетий диагностический
ультразвук во время беременности и при заболеваниях отдельных органов.
Ультразвук, натыкаясь на препятствие в виде органов человека или плода,
определяет их наличие и размеры.
Помимо широкого использования в диагностических целях, ультразвук
применяется в медицине как лечебное средство, т.к. он обладает такими
действиями:
 противовоспалительным, рассасывающим;
 анальгезирующим, спазмолитическим;
 кавитационным усилением проницаемости кожи.
Действия
ультразвука
на
биологические
объекты
вызывает
разнообразные эффекты и реакции в тканях организма, что широко
используется в ультразвуковой терапии и хирургии.
Ультразвук является
катализатором, ускоряющим установление равновесного, с точки зрения
физиологии состояния организма, т.е. здорового состояния. Он оказывает на
больные ткани значительно большее влияние, чем на здоровые. Также
используется
ультразвуковое
распыление
лекарственных
средств
при
ингаляциях. Ультразвуковая хирургия основана на следующих эффектах:
разрушение тканей собственно сфокусированным ультразвуком и наложение
УЗ колебаний на режущий хирургический инструмент. (Приложение № 1)
- в промышленности и технике:
В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в
научных
исследованиях.
Успешно
проведены
теоретические
экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации
и
и
акустических течений, позволившие разработать новые технологические
процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе.
Важнейшим нелинейным эффектом в УЗ поле является кавитация –
возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных
паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их схлопывание,
слияние друг с другом и т.д. порождают в жидкости импульсы сжатия
13
(микроударные волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды,
ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит
разрушение находящихся в жидкости твердых тел
(кавитационная эрозия),
возникает перемешивание жидкости, инициируются или ускоряются различные
физические и химические процессы. Изменяя условия протекания кавитации,
можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты, например
с ростом частоты УЗ увеличивается роль микропотоков и уменьшается
кавитационная эрозия, с увеличением давления в жидкости возрастает роль
микроударных воздействий. Кавитация – сложный комплекс явлений. УЗ-вые
волны, распространяющиеся в жидкости, образуют чередующиеся области
высоких и низких давлений, создающих зоны высоких сжатий и зоны
разрежений. В разреженной зоне гидростатическое давление понижается до
такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся
больше сил межмолекулярного сцепления. В результате резкого изменения
гидростатического
равновесия
жидкость
«разрывается»,
образуя
многочисленные мельчайшие пузырьки газов и паров. В следующий момент,
когда в жидкости наступает период высокого давления, образовавшиеся ранее
пузырьки схлопываются. Процесс схлопывания пузырьков сопровождается
образованием ударных волн с очень большим местным мгновенным давлением,
достигающим нескольких сотен атмосфер.
На эффекте кавитации основаны следующие технологические процессы:
предотвращение образования накипи, ультразвуковая очистка, металлизация и
пайка.
Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в
области ультразвука выполнено много практических работ. Разработаны
универсальные и специальные ультразвуковые станки, установки, работающие
под повышенным статическим давлением, ультразвуковые механизированные
установки для очистки деталей, генераторы с повышенной частотой и новой
системой охлаждения, преобразователи с равномерно распределенным полем.
Созданы
и
внедрены
в
производство
автоматические
ультразвуковые
установки, которые включаются в поточные линии, позволяющие значительно
повысить производительность труда.
14
УЗ нашел очень широкое применение и в других направлениях. Это гидролокация,
неразрушающий контроль и дефектоскопия,
размеров изделий, ультразвуковая сушка, коагуляция
определения
аэрозолей
и многое
другое. Воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым
изменениям в нём, широко используется в промышленности. При этом
механизмы воздействия ультразвука различны для разных сред.
Ультразвук так же воздействует и на сформированный слой накипи,
образуя в нем микротрещины способствующие откалыванию кусочков накипи с
теплообменной поверхности.
В установках по ультразвуковой очистке
с помощью кавитации и
порождаемых ею микропотоков удаляют загрязнения как жёстко связанные с
поверхностью, типа окалины, накипи, заусенцев, так и мягкие загрязнения типа
жирных плёнок, грязи и т.п. Этот же эффект используется для интенсификации
электролитических процессов.
- резка металла с помощью ультразвука
На
обычных
металлорежущих
станках
нельзя
просверлить
в
металлической детали узкое отверстие сложной формы, например в виде
пятиконечной звезды. Магнитострикционный вибратор может просверлить
отверстие любой формы. Ультразвуковое долото вполне заменяет фрезерный
станок. При этом такое долото намного проще фрезерного станка и
обрабатывать им металлические детали дешевле и быстрее, чем фрезерным
станком. Ультразвуком можно даже делать винтовую нарезку в металлических
деталях, в стекле, в рубине, в алмазе, т.е. резьбу можно делать в уже
закалённом металле и в самых твёрдых сплавах. Большинство ультразвуковых
станков
работает
бесшумно.
В
недалеком
будущем
в
цехах
металлообрабатывающих заводов не будет ни лязга, ни грохота. Путь к тишине
идёт через звук.
- применение ультразвука для очистки
В лабораториях и на производстве применяются ультразвуковые ванны
для очистки лабораторной посуды и деталей от мелких частиц. В ювелирной
15
промышленности
ювелирные
изделия
очищают
от
мелких
частиц
полировальной пасты в ультразвуковых ваннах. В некоторых стиральных
машинах применяют ультразвук для стирки белья.
- приготовление смесей с помощью ультразвука
Широко применяется ультразвук для приготовления однородных смесей.
Еще в 1927 году американские ученые Лимус и Вуд обнаружили, что если две
несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду) слить в одну мензурку и
подвергнуть облучению ультразвуком, то в мензурке образуется эмульсия, то
есть мелкая взвесь масла в воде. Подобные эмульсии играют большую роль в
промышленности: это лаки, краски, фармацевтические изделия, косметика.
- применение ультразвука в быту:
Интерес представляет применение УЗ в быту. Не так давно в продажу
поступили стиральные машинки, действие которых основано на использовании
УЗ.
Пьезокерамический излучатель возбуждает ультразвуковые акустические
колебания частотой 20-63 кГц, которые обладают хорошей проникающей
способностью в
жидкой среде и между волокнами ткани. Их воздействие
позволяет не только удалить частицы грязи
с поверхности, но очистить
внутреннюю структуру ткани, что позволяет достичь высокой эффективности
стирки. Чем выше акустическая мощность, тем выше качество стирки.
Все дело в кавитационных пузырьках, которые образуются в мыльном
растворе под воздействием ультразвука. Эти крошечные пузырьки, двигаясь с
огромной скоростью, вызывают турбулентные потоки, которые отрывают
частицы «грязи» от волокон ткани. Затем кавитационные пузырьки лопаются и
в момент взрыва измельчают частицы «грязи». Размельченные
грязные
частицы смываются водой.
Устройство не только стирает белье, но и уничтожает все болезнетворные
бактерии, вирусы и простейшие микроорганизмы.
16
Миниатюрный пластиковый диск, который помещается на изящной
женской
ладошке,
способен
отстирать
столько
же
белья,
сколько
малогабаритная стиральная машина, а потребляет электроэнергии в десятки раз
меньше, чем обыкновенная лампочка, и в сотни раз меньше, чем современная
стиральная машина. Она не создает «привычных» шумовых и вибрационных
эффектов, видимых перемещений воды, сопровождающих обычную стирку.
И это только некоторые области применения ультразвука.
Практическая работа
«Наблюдение кавитационного явления.
Ультразвуковая очистка мелких деталей»
Оборудование: генератор установки ультразвуковой демонстрационной
УД – 76, выпрямитель ВС – 24М, мелкие детали, масло.
Порядок выполнения работы:
1. Ознакомиться с описанием устройства и инструкцией по эксплуатации.
2. Подключить генератор к источнику постоянного тока (ВС – 24М), с учетом
полярности подключения.
3. Получить ультразвуковой жидкостный фонтан.
4. Провести очистку мелких деталей.
5. Вывод.
Ход работы.
С помощью УЗ в производстве экономично и качественно можно
очистить детали сложной формы.
Для демонстраций этого свойства ультразвука:
1. Ознакомились с инструкцией по эксплуатации генератора.
2. Подключили устройство к источнику постоянного тока.
3. Обильно смазали резьбу болта маслом с железными опилками.
Поместили болт над поверхностью воды в линзовом стакане так, чтобы
он находился над центральной точкой поверхности жидкости. Подали питание
генератору ультразвука. При появлении фонтана отрегулировали его на
максимум.
17
Наблюдаемое кавитационное явление обусловлено тем, что жидкости,
«перенося» очень большие всесторонние сжатия, чрезвычайно чувствительны
к растягивающим усилиям.
При прохождении
фазы волны, создающей
разряжения, жидкость «рвется», в ней образуется большое количество
пузырьков. Это происходит в тех местах, где прочность жидкости ослаблена.
Такими местами являются маленькие пузырьки газа, частицы посторонних
примесей и др. Пузырьки возникают там, где находятся узлы ультразвуковой
линзы, т.е. в центре поверхности уровня воды в стакане. При разрушении
пузырьков возникают очень высокие давления, сосредоточенные в малом
объеме, что обеспечивает более эффективную очистку деталей.
Через 2-3 минуты работы установки были видны следы удаления смазки
ультразвуком. (Приложение №2)
Вывод.
Применение
ультразвука ускоряет процесс и
повышает качество
очистки. Это особенно ценно, когда нужно очистить деталь сложной формы с
труднодоступными местами.
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.
Качество УЗ очистки несравнимо с другими способами.
Заключение
Ультразвук играет важную роль во многих сферах деятельности, но
особенно важно его использование в медицине.
Таким
образом,
основываясь
на
положительных
результатах
применения ультразвука, считаем необходимым внедрять опыт назначения
ультразвуковых приборов в противовес лечебным препаратам.
Ультразвук чрезвычайно
«интересная вещь» и можно предположить,
что многие возможности его практического применения до сих пор еще не
известны человечеству.
18
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
И.П. Голямина. Ультразвук. – М.: Советская энциклопедия, 1979.
И.Г. Хорбенко. В мире неслышимых звуков. – М.: Машиностроение,
1971.
В.П. Северденко, В.В. Клубович. Применение ультразвука в
промышленности. – Минск : Наука и техника, 1967.
А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. Физика 9 класс.- Дрофа. 2004.
Ю.Г. Симаков. Живые приборы. – Изд. «Знание», Москва,1986.
http://www.altermed.ru/index.php
http://ru.wikipedia.org/wiki/Заглавная_страница
http://www.retona.ru/kupit.php
19
Приложение № 1
20
Приложение № 2
21