Вступление

Оглавление

Оглавление. 1

Вступление. 7

Часть I. Теоретические основы акустики. 10

Глава 1. Немного истории. 10

1.1. Открытия в области звуковых колебаний. 10

1.2. Рождение ультразвука. 14

Глава 2. Волны и колебания. 16

2.1. Колебания. 16

2.1.1. Периодическое движение. 16

2.1.2. Свободные колебания. 16

2.1.3. Маятник; кинематика его колебаний. 17

2.1.4. Гармоническое колебание. Частота. 18

2.1.5. Динамика гармонических колебаний. 20

2.1.6. Период. 21

2.1.7. Сдвиг фаз. 22

2.1.8. Вынужденные колебания. 23

2.1.9. Резонанс. 23

2.2. Волны. 25

2.2.1. Поперечные волны в шнуре. 25

2.2.2. Продольные волны в столбе воздуха. 27

2.2.3. Звуковые колебания. 28

2.2.4. Музыкальный тон. Громкость и высота тона. 29

2.2.5. Акустический резонанс. 30

2.2.6. Шумы.. 31

2.2.7. Волны на поверхности жидкости. 32

2.2.8. Скорость распространения волн. 34

2.2.9. Радиолокация, гидроакустическая локация и звукометрия. 35

2.2.10. Отражение волн. 36

2.2.11. Отражение плоских волн. 36

2.2.12. Перенос энергии волнами. 37

2.3. Звук и его характеристики. 39

2.3.1 Звуковые колебания. 39

2.3.2. Высота звука. 41

2.3.3. Громкость звука. 45

2.3.4. Тембр звука. 49

2.3.5. Восприятие созвучий. 52

2.3.6. Устройство уха. Резонансная теория Гельмгольца. 64

Глава 3. Ультразвук и его свойства. 68

3.1. Что такое ультразвук. 68

3.1.1 Характеристика ультразвука. 68

3.1.2. Ультразвук как упругие волны. 68

3.1.3. Специфические особенности ультразвука. 70

3.2. Скорость звука. 72

3.2.1. Измерение скорости звука. 72

3.2.2. Дисперсия. 77

3.2.3. Эффект Доплера в акустике. 80

3.3. Ослабление звука с расстоянием. 84

3.3.1. Ослабление звука для сферических волн. 84

3.3.2. Поглощение звука. 85

3.3.3. Коэффициент поглощения звука. 88

3.3.4. Коэффициент поглощения ультразвука в воздухе. 90

3.3.5. Молекулярное поглощение и дисперсия ультразвука. 91

3.3.6. Физический механизм молекулярного поглощения. 92

3.4. Дифракция и интерференция. 99

3.4.1. Понятие Дифракции. 99

3.4.2. Интерференция звука. 102

3.4.3. Акустооптическая дифракция. 105

3.4.4. Дифракция света на ультразвуке в анизотропной среде. 112

3.4.5. Применение на практике акустооптической дифракции. 115

Часть II. Ультразвуковая аппаратура. 117

Глава 1. Введение в ультразвуковую аппаратуру. 117

1.1. Обзор мировой ситуации. 117

1.2. Действующие факторы и особенности ультразвукового воздействия. 120

1.3. Общие требования к ультразвуковым аппаратам. 124

Глава 2. Схемы и характеристики аппаратуры. 138

2.1. Ультразвуковые колебательные системы.. 138

2.1.1. Общая характеристика. 138

2.1.2. Ультразвуковые преобразователи. 141

2.1.3. Согласование преобразователей со средой. 145

2.1.4. Конструкция колебательной системы.. 149

2.1.5. Рабочие инструменты, соединения и опоры.. 154

2.2. Генераторы ультразвуковых колебаний. 161

2.2.1. Общая характеристика. 161

2.2.2. Ультразвуковые генераторы с независимым возбуждением. 164

2.2.3. Генераторы с самовозбуждением. 166

2.2.4. Генераторы с автоподстройкой частоты.. 173

2.3. Конструкции многофункциональных аппаратов. 179

2.3.1. Многофункциональный аппарат для индивидульного потребителя. 179

2.3.2. Многофункциональный аппарат мощностью 40 вт (миксер "алёна"). 180

2.3.3. Многофункциональный ультразвуковой аппарат мощностью 160 вт. (электронный фитомиксер "алёна") 182

2.3.4. Многофункциональный аппарат мощностью 400 вт ("сонатор - 22/04 - 01") 187

Глава 3. Алгоритм обработки изображений при УЗ-диагностике. 190

3.1. Общая характеристика. 190

3.1.1. История. 190

3.1.2. Биофизика ультразвука. 191

3.1.3. Лучевая безопасность ультразвукового исследования. 192

3.1.4. Общая схема ультразвукового аппарата. 194

3.2. Методы и алгоритмы обработки изображений. 195

3.2.1. Принципы обработки. 195

3.2.2. Линейное контрастирование. 196

3.2.3. Пороговая обработка. 196

3.2.4. Алгоритмы линейной фильтрации изображений. 197

3.2.5. Медианный фильтр. 199

3.2.6. Выделение контуров. 201

3.2.7. Градиентный метод. 202

3.2.8. Метод активных контуров. 203

3.3. Пример ультразвуковой диагностики. 205

3.3.1. Методика ультразвуковой ангиографии печени. 205

3.3.2. Техника проведения ультразвуковой ангиографии печени. 207

3.3.3. Ультразвуковая картина печени при гепатите. 212

3.3.4. Ультразвуковая диагностика острого гепатита. 212

3.3.5. Ультразвуковая диагностика хронического гепатита. 216

Часть III. Применение ультразвука. 220

Глава 1. Применение ультразвука в промышленности. 220

1.1. Применение ультразвуковых аппаратов для обработки растворов. 220

1.1.1. Ультразвуковая обработка мяса и рыбопродуктов. 220

1.1.2. Ультразвуковая обработка молока. 222

1.1.3. Интенсификация процессов приготовления сыров. 225

1.1.4. Применение ультразвука при приготовлении соков. 226

1.1.5. Применение ультразвука в сельском хозяйстве. 228

1.1.6. Ультразвуковое снятие заусенцев. 230

1.1.7. Ультразвуковая дегазация жидкостей. 231

1.1.8. Ультразвуковая мойка и очистка. 232

1.2. Применение ультразвуковых многофункциональных аппаратов для обработки твердых тел. 236

1.2.1. Общая характеристика. 236

1.2.1. Ультразвуковая размерная обработка. 237

1.2.2. Соединение порлимерных материалов под действием ультразвука. 242

Глава 2. Применение ультразвука в медицине. 248

2.1. Диагностика. 248

2.1.1. Принципы УЗ-диагностики. 248

2.1.2. Эхо-имульсивные методы визуализациии измерений. 251

2.1.3. Акушерство. 251

2.1.4. Офтальмология. 253

2.1.5. Исследование внутренних органов. 253

2.1.6. Приповерхносные и наружные органы.. 254

2.1.7. Кардиология. 255

2.1.8. Неврология. 255

2.1.9. Использование эффекта Доплера в диагностике. 256

2.2. Применение ультразвука в терапии и хирургии. 257

2.2.1. Принципы применения УЗ в терапии и хирургии. 257

2.2.2. Нагрев. 257

2.2.3. Увеличение растяжимости коллагенсодержащих тканей. 258

2.2.4. Повышение подвижности суставов. 258

2.2.5. Болеутоляющее действие. 258

2.2.6. Изменения кровотока. 258

2.2.7. Уменьшение мышечного спазма. 259

2.2.8. Хирургия с помощью фокусированного ультразвука. 259

2.2.9. Ускорение регенерации тканей. 260

2.2.10. Лечение трофических язв. 261

2.2.11. Ускорение рассасывания отеков. 261

2.2.12. Заживление переломов. 261

2.2.13. Ультразвук и косметика. 262

2.3. Ультразвук в стоматологии. 262

2.3.1. История. 262

2.3.2. Пародонтология. 263

2.3.3. Эндодонтия. 263

2.3.4. Хирургия. 263

2.3.5. Ультазвуковая терапия. 264

2.3.6. Профилактика и гигиена. 264

2.3.7. Дезинфекция и очистка. 264

Глава 3. Применение ультразвука в фармации. 265

3.1. Обработка растворов. 265

3.1.1. Ускорение процессов растворения. 265

3.1.2. Приготовление эмульсий. 268

3.1.3. Ультразвуковая стерилизация жидких сред. 277

3.2. Обработка природного сырья. 279

3.2.1. Ускорение процессов экстрагирования лекарственного сырья. 279

3.2.2. Ультразвуковое диспергирование и приготовление суспензий. 284

Заключение. 290

Список использованной литературы. 293

Вступление

Понятие «ультразвук» приобрело в настоящее время более широкий смысл, чем просто обозначение высокочастотной части спектра акустических волн. С ним связаны целые области современной физики, промышленной технологии, информационной и измерительной техники, медицины и биологии.

Хотя первые ультразвуковые исследования были выполнены ещё в позапрошлом веке, основы широкого практического применения ультразвука были заложены позже, в 1-й трети 20 в. Как область науки и техники ультразвук получил особенно бурное развитие в последние три-четыре десятилетия. Это связано с общим прогрессом акустики как науки и, в частности, со становлением и развитием таких её разделов, как нелинейная акустика и квантовая акустика, а также с развитием физики твёрдого тела, электроники и в особенности с рождением квантовой электроники.

Широкое распространение ультразвуковых методов обусловлено появлением новых надёжных средств излучения и приёма акустических волн, с одной стороны, обеспечивших возможность существенного повышения излучаемой ультразвуковой мощности и увеличения чувствительности при приёме слабых сигналов, а с другой — позволивших продвинуть верхнюю границу диапазона излучаемых и принимаемых волн в область гиперзвуковых частот.

Характерной особенностью современного состояния физики и техники ультразвука является чрезвычайное многообразие его применений, охватывающих частотный диапазон от слышимого звука до предельно достижимых высоких частот и область мощностей от долей милливатта до десятков киловатт.

Ультразвук применяется в металлургии для воздействия на расплавленный металл и в микроэлектронике и приборостроении для прецизионной обработки тончайших деталей.

В качестве средства получения информации он служит как для измерения глубины, локации подводных препятствий в океане, так и для обнаружения микродефектов в ответственных деталях и изделиях.

Ультразвуковые методы используются для фиксации малейших изменений химического состава веществ и для определения степени затвердевания бетона в теле плотины.

В области контрольно-измерительных применений ультразвука в самостоятельный, установившийся раздел выделилась ультразвуковая дефектоскопия, возможности которой и разнообразие решаемых ею задач существенно возросли.

В самое последнее время сформировались как самостоятельные области акустоэлектроника и акустооптика. Первая из них связана с обработкой электрических сигналов, использующей преобразование их в ультразвуковые. Из устройств акустоэлектроники наиболее известными и давно используемыми являются линии задержки и фильтры.

Достижения в области изучения поверхностных волн, генерации и приёма гиперзвуковых волн, установление связи упругих волн с элементарными возбуждениями в твёрдом теле привели к существенному расширению возможностей этих устройств и к созданию новых приборов акустоэлектроники, обеспечивающих более сложную обработку сигналов.

Акустооптика, связанная с обработкой световых сигналов посредством ультразвука, является одной из самых молодых и быстро развивающихся областей ультразвуковой техники. К новейшим ультразвуковым методам принадлежит акустическая голография, перспективы которой весьма многообещающи, поскольку она создаёт возможность получения изображений предметов в непрозрачных для световых лучей средах.

Рассматривая многообразие практических применений ультразвуковых колебаний и волн, нельзя не упомянуть об ультразвуковой медицинской диагностике, которая даёт в ряде случаев более детальную информацию и является более безопасной, чем другие методы диагностики. Об ультразвуковой терапии, занявшей прочное положение среди современных физиотерапевтических методов, и, наконец, о новейшем направлении применения ультразвука в медицине — ультразвуковой хирургии.

Наряду с применениями практического характера, ультразвук играет важную роль в научных исследованиях. Нельзя себе представить современную физику твёрдого тела без применения ультразвуковых и гиперзвуковых методов, без понятия о фотонах, их поведении и взаимодействиях с различными полями и возбуждениями в твёрдом теле. В изучении жидкостей и газов широко используются методы молекулярной акустики; всё большую роль играют ультразвуковые методы в биологии.

Интерес к ультразвуку, к ультразвуковой технике всё возрастает, благодаря его проникновению в самые различные области человеческой деятельности. Растёт число публикаций о нём в газетах и журналах, в популярных изданиях. Инженеры и научные работники, занятые в самых различных областях народного хозяйства и науки, оценивают возможности использования ультразвуковых методов для своих конкретных задач и в связи с этим хотят получить представление о различных аспектах физики и техники ультразвука на современном уровне. Однако имеющаяся научно-техническая литература в настоящее время не в состоянии полностью удовлетворить такую потребность. Известные издания общего характера, посвящённые физике и технике ультразвука, зачастую не соответствуют современному состоянию науки. Опубликованные в последние годы специальные монографии научного и прнкладного характера предназначены для подготовленных читателей, обладающих достаточным запасом знаний в области акустики и смежных разделов физики, например, физики твёрдого тела, или в какой-то определенной, связанной с ультразвуком отрасли техники.

В данной работе я попытался обобщить собранные мною данные об ультразвуке, выделить наиболее современные и актуальные.