Ультразву́к — акустичні коливання, частота яких більша ніж високочастотна межа чутного звуку (понад 20 000 Гц)ДСТУ 3515-97 Акустика й електроакустика. Терміни та визначення. Верхня межа частот ультразвуку умовна.
Ультразвук у різних галузях Застосування ультразвуку в медицині
Фізіотерапевти часто використовують ультразвук, щоб пришвидшити зрощення зламаних кісток, проте, як саме ультразвук впливає на механізм загоєння, поки не зовсім зрозуміло. Одна з теорій свідчить, що ультразвук має ефект, схожий до активних вправ, навантажуючи кістку і примушуючи її виробляти більше кісткових клітин — цей процес називається остеогенезом.
Лікувальний чинник методу — це ультразвукові коливання (понад 20 000 Гц).
При підводній методиці (зручній при озвучуванні дрібних суглобів кистей та стоп) кінцівку та вібратор занурюють у підігріту воду (30-32 °C), у фаянсовій або пластмасовій ванночці, та вібратор повільно переміщують навколо суглобів на відстані 1-2 см.
Частота надвисокочастотних ультразвукових хвиль, що використовуються в промисловості і біології, лежить в діапазоні порядку декількох МГц. Фокусування таких пучків звичайно здійснюється за допомогою спеціальних звукових лінз і дзеркал. Ультразвуковий пучок з необхідними параметрами можна одержати за допомогою відповідного перетворювача. Найпоширеніші керамічні перетворювачі з титанату барію. У тих випадках, коли основне значення має потужність ультразвукового пучка, звичайно використовуються механічні джерела ультразвуку. Спочатку всі ультразвукові хвилі одержували механічним шляхом (камертон, свистки, сирени).
У природі зустрічається УЗ як компонент багатьох природних шумів (в шумі вітру, водоспаду, дощу, в шумі гальки, перекочується морським прибоєм, у звуках, які супроводжують грозові розряди, і т. д.) і звуків тваринного світу. Деякі тварини користуються ультразвуковими хвилями для виявлення перешкод, орієнтування в просторі.
Випромінювачі ультразвуку можна підрозділити на дві великі групи. До першої належать 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.
Свисток Гальтона. Перший ультразвуковий свисток зробив в 1883 році англієць Гальтон. Ультразвук тут створюється подібно звуку високого тону на вістря ножа, коли на нього потрапляє потік повітря. Роль такого вістря в свистку Гальтона грає «губа» в маленькій циліндричній резонансній порожнині. Газ, що пропускається під високим тиском через порожнистий циліндр, ударяється до цієї «губи»; 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.
Рідинний ультразвуковий свисток
Більшість ультразвукових свистків можна пристосувати для роботи в рідкому середовищі. У порівнянні з електричними джерелами ультразвуку 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 інше. Мабуть, найвдалішою є конструкція рідинного ультразвукового свистка, виготовленого англійськими ученими 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 отримали досить широке розповсюдження для отримання однорідних середовищ. Завдяки простоті і стійкості своєї конструкції (руйнується тільки платівка) такі системи довговічні і недорогі.
Інший різновид механічних джерел ультразвуку — сирена. Вона володіє відносно великою потужністю і застосовується в міліційних і пожежних машинах. Всі ротаційні сирени складаються з камери, закритої 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 стисле повітря, який виривається з неї в ті короткі миті, коли отвори на роторі і статорі збігаються.
Основне завдання при виготовленні сирен — це, по-перше, зробити якомога більше отворів в роторі і, по-друге, досягти великої швидкості його обертання. Проте практично виконати ці обидві вимоги дуже важко.
Ультразвук в природі
Кажани, що використовують при нічному орієнтуванні ехолокацію, випускають при цьому ротом (Кожанова — Vesperti lianidae +) або мають форму параболічного дзеркала носовим отвором (підковик — Rhinolophidae) сигнали надзвичайно високої інтенсивності. На відстані 1–5 см від голови тварини тиск ультразвуку досягає 60 мбар, тобто відповідає в чутному нами частотній області тиску звуку, створюваного відбійним молотком. Ехо своїх сигналів кажани здатні сприймати при тиску всього 0,001 мбар, тобто в 10000 разів менше, ніж 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 зсув у часі і різниця в інтенсивності між випускаючим і відбитим сигналами. Підковоноси можуть орієнтуватися і за допомогою тільки одного вуха (моноурально), що істотно полегшується великими безперервно рухомими вушними раковинами. Вони здатні компенсувати навіть частотний зсув між випускаючими і відбитими сигналами, обумовлений ефектом Доплера (при наближенні до предмета ехо є більш високочастотним, ніж посилаючими сигнал). Знижуючи під час польоту ехолокаційну 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, «що збиває з сліду» кажанів, які переслідують цих комах. Не менш вмілі навігатори — жирні дрімлюги, або гуахаро. Населяють вони гірські печери Латинської Америки — від Панами на північному заході до Перу на півдні і на сході Суринаму. Найбільший подарунок природи — це здатність гуахаро до ехолокації. Живучи в непроглядній темряві, жирні дрімлюги, тим не менше, пристосувалися віртуозно літати по печерах. Вони видають неголосні клацаючі звуки, вільно вловимий 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 відбитий звук сприймається птахом.
Ультразвукову ехолокацію у воді чудово освоїли китоподібні.
Крім широкого використання в діагностичних цілях (див. медична акустика), ультразвук застосовується в медицині як лікувальний засіб.
Ультразвук має дію: протизапальну, розсмоктувальну аналгезуючу, спазмолітичну кавітаційного посилення проникності шкіри
Техніка ультразвуку є ефективним засобом для неінвазивної мікроскопії клітинСлюсар В.И. Ультразвуковая техника на пороге третьего тысячелетия.//Электроника: наука, технология, бизнес. – 1999. - № 5. – С. 50 - 53. - Слюсар В.И. Новое в ультразвуковой технике: от эхотомоскопов к ульразвуковой микроскопии. //Биомедицинская радиоэлектроника. - 1999, №. 8. - С. 49 - 53. - .
Фонофорез — поєднаний метод, при якому на тканини діють ультразвуком і вводять з його допомогою лікувальні речовини (як медикаменти, так і природного походження). Проведення речовин під дією ультразвуку зумовлено підвищенням проникності епідермісу та шкірних залоз, клітинних мембран і стінок судин для речовин невеликої молекулярної маси, наприклад іонів мінералів бішофітуОржешковский В. В., Оржешковский Вас. В. Бишофитотерапия // Вестник физиотерапии и курортологии.-2005.-№ 3- С.62-71.. Зручність фонофорезу медикаментів та природних речовин: лікувальна речовина при введенні ультразвуком не руйнується; синергізм дії ультразвуку та лікувальної речовини.
Показання до ультрафонофорезу бішофітом: остеоартроз, остеохондроз, артрити, бурсити, епіконділіти, п'яткова шпора, стану після травм опорно-рухового апарату; неврити, нейропатії, радикуліти, невралгії, травми нервів.
Наносять бішофіт-гель і робочою поверхнею випромінювача проводять 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 та поперекового відділу — 0,4-0,6 Вт/см²).
Різка металу за допомогою ультразвуку
На звичайних металорізальних верстатах не можна просвердлити в металевій деталі вузький отвір складної форми, наприклад у вигляді п'ятипроменевої зірки. Тут без слюсаря не обійдешся, а за допомогою ультразвуку це можна зробити. Магнітострикційний вібратор може просвердлити отвір будь-якої форми. Ультразвукове долото цілком замінює фрезерний верстат. При цьому таке долото набагато простіше фрезерного верстата і обробляти ним металеві деталі дешевше і швидше, ніж фрезерним верстатом. Ультразвуком можна навіть робити гвинтову нарізку в металевих деталях, у склі, у рубіні, в алмазі. Зазвичай різьба спочатку робиться в м'якому металі, а потім вже деталь піддають гартуванню. На ультразвуковому верстаті різьблення можна робити у вже загартованому металі і в найтвердіших сплавах. Те ж і з штампами. Зазвичай штамп загартовують вже після його ретельної обробки. На ультразвуковому верстаті складну обробку виробляє абразив (наждак, корундові порошок) у полі ультразвукової хвилі. Безперервно коливаючись у полі ультразвуку, частинки твердого порошку вгризаються в оброблюваний сплав і вирізують отвір такої ж форми, як і у долота. Більшість ультразвукових верстатів працює безшумно. У недалекому майбутньому в цехах металообробних заводів не буде ні брязкоту, ні гуркоту. Шлях до тиші йде через звук.
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, олію і воду) злити в одну мензурку і піддати опромінення ультразвуком, то в мензурці утворюється емульсія, тобто дрібна завись олії у воді. Подібні емульсії грають велику роль в промисловості: це лаки, фарби, фармацевтичні вироби, косметика.
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 та функціями. Інше застосування ультразвуку в біології пов'язана з його здатністю викликати мутації. Дослідження, проведені в Оксфорді, показали, що ультразвук навіть малої інтенсивності може пошкодити молекулу ДНК. Штучне цілеспрямоване створення мутацій відіграє велику роль у селекції рослин. Головна перевага ультразвуку перед іншими мутагенами (рентгенівські промені, ультрафіолетові промені) полягає в тому, що з ним надзвичайно легко працювати.
Застосування ультразвуку для очищення.
У лабораторіях та на виробництві застосовуються ультразвукові ванни для очищення лабораторного посуду і деталей від дрібних частинок. У ювелірної промисловості ювелірні вироби очищають від дрібних частинок полірувальні пасти в ультразвукових ваннах. У деяких пральних машинах застосовують ультразвук для прання білизни.
Застосування ультразвуку для очищення коренеплодів