Ультразвук.

Ультразвук

Ультразвук

Звук  - это упругие волнообразные колебания воздуха, возбуждаемые звучащим в нем телом. Каждый из нас когда-нибудь бросал в воду камешек и наблюдал, как от него кругами расходятся волны. Если хлопнуть в ладоши, то в результате хлопка точно также начнет колебаться воздух с определенной частотой и интенсивностью, только мы этого не увидим.  В зависимости от частоты колебаний звук может изменяться. Чем больше частота колебаний, тем выше тон  звука.

Чувствительность человеческого уха к звукам разной частоты  различна. Люди особенно чувствительны к звукам, частоты которых лежат в пределах от 16 до 20 000 колебаний в секунду. С возрастом этот диапазон слышимости может уменьшаться. Эсли частота колебаний звучащего тела составляет меньше 16 колебаний в секунду, то человеческий слуховой аппарат таких звуков не воспринимает. Это, так называемые, инфразвуки. Не воспринимаем мы и звуки с частотой более 20 тысяч колебаний в секунду – ультразвуки. Как правило, частота звуковых колебаний измеряется в герцах (Гц).

Ультразвуки не слышимы и поэтому для их обнаружения люди пользуются специальными приборами. Исследования ультразвука привели к ряду интереснейших научных открытий и создали предпосылки для широкого применения ультразвука: в физике, химии, биологии, медицине и технике.

Скорость распространения ультразвука зависит от свойств вещества, в котором он распространяется. Свойства ультразвука существенно отличаются от свойств слышимых звуков. В то время как обычные звуки распространяются из источника сразу по всем направлениям, ультразвуки распространяются узким лучом, наподобие светового. В воздухе сила ультразвука по мере удаления от источника быстро убывает, в жидкостях и твердых телах ультразвуки с расстоянием медленно ослабляются. Именно это свойство и позволило с успехом  применять ультразвуки для обнаружения подводных лодок и различных препятствий под водой. Специальный ультразвуковой локатор – посылает под водой в

Работа эхолота
Работа эхолота

каком-либо направлении узкий луч, который бежит от источника и постепенно теряется, если не встречает на своем пути никакого препятствия. Если же ультразвуковой луч наталкивается под водой на скалу или лодку, то отражается от них. У обычных звуков такое отражение называется эхом. Ультразвуковое эхо возвращается к источнику, пославшему сигнал, и может быть им принято. Отмечая время, прошедшее от момента посылки сигнала до возвращения эхо-сигнала, и зная скорость, с которой распространяется ультразвук, можно определить расстояние, на котором находится препятствие. На основе этого принципа  ведутся переговоры между двумя подводными лодками. Поворачивая  специальный ультразвуковой прибор сверху вниз, им измеряют глубину моря. Этот прибор называется эхолотом. Он так точно передает все неровности поверхности дна, что им очень эффективно пользуются для поиска затонувших кораблей. Нужно также сказать, что на границе жидкость – воздух ультразвуковые волны почти полностью отражаются, не проникая в воздушную среду. Даже тонкий слой воздуха толщиной в одну стотысячную сантиметра создает препятствие для перехода ультразвуковой энергии из одной среды в другую. По этой причине действие ультразвука проявляется только при наличии жидкостного контакта между излучателем ультразвуковых волн и озвучиваемым объектом. Возникновение ультразвуковых колебаний сопровождается возникновением  на поверхности ряби или фонтана.

Кавитация
Кавитация

Особенно интересными оказались исследования, изучающие химическое действие ультразвука. Оказалось, что ультразвук может ускорять, а в некоторых случаях вызывать различные окислительные реакции и даже возбуждать свечение воды. Ученые считают, что оба явления имеют оду и ту же причину. Распространение ультразвука происходит путем периодического сжатия и разрежения среды. Было выяснено, что при прохождении ультразвука через толщу воды в ней возникают полые пространства - мельчайшие пузырьки (кавитации), в которые немедленно проникают, растворенные в жидкости газы. Кавитационные пузырьки существуют очень долго. Образуются они в местах разрежения при разрыве жидкости. А так как стенки этих пузырьков несут электрические заряды, то при сжатии в них проскакивают очень маленькие электрические искры, каждая из которых напоминает микроскопическую молнию. Под действием таких искр растворенный в воде кислород переходит в особенное  - активное состояние. Частично он превращается в газ озон, образующийся в воздухе во время грозы. Именно активный кислород вызывает окислительные процессы, наблюдаемые при распространении ультразвука. Электрические заряды вызывают ионизацию молекул воды, проникающих в кавитационные пузырьки в виде пара. Ионизированная молекула очень нестойкая и быстро распадается на атом водорода (Н) и  активный свободный гидроксил (ОН). Взаимодействуя с растворенными в воде веществами, эти элементы вызывают ряд химических реакций. Под воздействием ультразвуковых волн из водного раствора йодистого калия выделяется йод, из  сероводорода – сера,  ионы железа и марганца  подвергаются окислению. Кроме того, в результате воздействия ультразвуковой волной в воде появляется перекись водорода, а в присутствии азота – азотистая (HNO2) и азотная (HNO3) кислоты, которые являются ядовитыми для ряда животных клеток. Под воздействием ультразвука возникают не только процессы окисления, но и процессы восстановления, полимеризации, деполимеризации, а также внутримолекулярные перегруппировки.

Микроскоп
Микроскоп

В результате многочисленных  испытаний ученые сделали вывод, что ультразвук имеет способность разламывать крупные молекулы, а при определенных условиях может ускорять процесс образования больших молекул из более мелких частиц. С помощью ультразвука можно дробить не только жидкости, но и твердые тела. Этот способ дробления ультразвуком нашел свое применение в промышленности.

Был изобретен  специальный ультразвуковой паяльник, который облегчил  работу с алюминием и его сплавами. К деталям сделанным из этих материалов невозможно что-либо припаять обычным способом. Все дело в том, что алюминий под воздействием кислорода воздуха молниеносно окисляется, образуя на своей поверхности очень тонкую пленку окиси. При пайке эта пленка препятствует проникновению припоя к поверхности металла и не дает возможности образоваться прочному спаю. Ультразвуковые колебания паяльника разрушают эту пленку, позволяя сделать механически прочный спай. Таким паяльником можно спаивать даже заржавевшие железные предметы без предварительной очистки поверхности.

Язык летучих мышей
Язык летучих мышей

Широко используется способность ультразвука распознавать различные дефекты при прохождении через твердые тела.  Для этого созданы специальные ультразвуковые приборы, которые позволяют проводить очень точные исследования в этой области. Такая точная ультразвуковая  диагностика помогает предупреждать аварии на  промышленых предриятиях.

Ультразвуковой микроскоп был создан советским физиком, специалистом по ультразвуковой дефектоскопии Сергеем Яковлевичем Соколовым.  В отличие от обычного оптического, данный  микроскоп позволяет получать увеличенные изображения предметов, находящихся внутри непрозрачных тел. С  помощью ультразвукового микроскопа можно наблюдать не только предметы, помещенные в непрозрачную жидкость, а также все трещины, пустоты и неоднородности внутри твердых тел. Пустотам  внутри твердого тела соответствуют более темные места, что дает возможность наблюдать мельчайшие изъяны. Ультразвуковой микроскоп дает увеличение в сотни, тысячи и даже десятки тысяч раз.

Благодаря исследованиям биологов было установлено, что способностью воспроизводить и воспринимать ультразвуковые колебания обладают многие представители животного мира. Например, стрекочущие звуки, издаваемые кузнечиками, сверчками, саранчой и другими насекомыми, охватывают диапазон частот до 100 тысяч герц. Летучие мыши издают ультразвук с частотой колебаний 70 – 80 тысяч колебаний в секунду. При  этом звук  отражается от всех предметов, находящихся на пути их полета. Уже отраженный ультразвук улавливается ухом летучей мыши и служит для нее предостерегающим сигналом. Иными словами, можно сказать, что летучие мыши обладают природным эхолокационным устройством. Ученые пришли к выводу, что летучие мыши очень хорошо отличают ультразвуковые сигналы каждого из своих сородичей.

Ультразвук в жизни дельфинов
Ультразвук в жизни дельфинов

Все мы  знаем, что великолепные представители подводного мира киты и дельфины также успешно используют  ультразвуковой  диапазон для ориентации в воде. С помощью ультразвука они передают информацию на огромные расстояния в десятки тысяч километров. Способностью улавливать ультразвук обладают кошки и собаки.

Биологическое действие ультразвука впервые было выявлено французским ученым физиком Полем  Ланжевеном. Он обнаружил, что при распространении ультразвуковых волн в водоемах, обитающие там рыбы всплывают на поверхность «оглушенными». Они теряют равновесие и всплывают вверх животом, пытаясь безуспешно принять обычное положение. С прекращением воздействия ультразвуком рыбы возвращаются к своей обычной жизни и поведению, но только при условии, что интенсивность и продолжительность этого воздействия не превышают определенных пределов. В противном случае живым существам наносятся тяжелые повреждения, и они погибают.

Важная для биологии особенность ультразвуковых волн заключается в том, что они обладают способностью вызывать мгновенные механические разрывы,  гибель животных и растительных клеток в водной среде. Под влиянием ультразвука разрушаются красные кровяные тельца (эритроциты), белые кровяные тельца (лейкоциты), эпителиальные, печеночные и другие клетки, находящиеся в физиологическом растворе во взвешенном состоянии. Губительно воздействует ультразвуковая волна и на различные микроорганизмы. Довольно быстро происходят разрывы клеточных оболочек некоторых видов грибков, при этом их содержимое переходит во внешнюю среду. В поле действия ультразвуковых волн гибнут  почти все исследованные болезнетворные и неболезнетворные организмы. Даже туберкулезная палочка, известная своей устойчивостью разрывается на отдельные части под воздействием волн ультразвукового диапазона. Ультразвук способен убивать вирусы. Правда, не все микроорганизмы одинаково чувствительны к ультразвуку. Одни из них довольно быстро разрываются и погибают, а для гибели других требуется более интенсивное и длительное воздействие. Описанные свойства ультразвука позволяют широко использовать его для различных практических целей, особенно в тех отраслях промышленности и коммунального хозяйства, где требуется стерилизация воды.

Ультразвук в жизни насекомых
Ультразвук в жизни насекомых

Очень велико значение применения ультразвука при изготовлении некоторых лекарств. Например, известно, что камфора - нерастворима в воде,  поэтому ее нельзя вводить непосредственно  в кровь больных. Благодаря дробящей способности ультразвука, удалось получить эмульсию камфорного масла с такими мелкими частицами, которые можно абсолютно безболезненно вводить в кровь больного. С помощью ультразвуковых волн, разрывающих растительные и животные клетки, удается извлекать находящиеся в этих клетках биологически активные вещества – ферменты, витамины, гормоны и др. Процес извлечения происходит в условиях низких температур без участия посторонних веществ, и в стерильных условиях, что предохраняет получаемые вещества от быстого разрушения.

При более длительном воздействии ультразвуком распадаются и биологически активные вещества: ферменты, витамины, токсины, а также подвергаются расщеплению: белковые частицы, аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, нуклеиновые кислоты и т. п.

С помощью ультразвука можно получать рыбий жир, сохраняя при этом целостность, находящегося там витамина  А. Также ультразвук помагает извлекать из некоторых бактериальных тел

Ультразвуковая диагностика
Ультразвуковая диагностика

болезнетворные микроорганизмы эндотоксины. Извлеченный ультразвуком эндотоксин лишается при определенных условиях своей токсичности, сохраняя при этом иммуногенные свойства, способные вызывать невосприимчивость организма к действию данного токсина, что позволяет использовать ультразвук для создания очень ценных лечебных препаратов.

Нужно также знать, что пучок ультразвуковых волн большой интенсивности  может стать грозным оружием, убивающим все живое. Он  вызвает  разрывы кровеносных сосудов и поражение внутренних органов, что приводит живой организм к гибели.

Если налить воду в сложенную в виде чаши кисть руки, и погрузить руку тыльной стороной в ультразвуковой фонтан -  поверхность воды, находящейся в ладони, придет в движение, при этом человек будет испытывать сильные боли в руке. Ультразвуковые волны, воздействуя  на мозговую ткань,  могут вызывать шоковое состояние. Также очень чувствительна к ультразвуку и нервная система.

Естественно, что ультразвук малой интенсивности может оказывать и благотворное влияние на организм человека. Он может ускорять и усиливать течение некоторых биологических процессов, проявляя, таким образом, стимулирующее действие и влияя на обмен веществ. Например, воздействие ультразвуком на семена злаковых бобовых и масляничных растений оказывает благотворное влияние на их рост.

Ультразвук в медицине
Ультразвук в медицине

При помощи специальных фокусирующих линз ультразвуковую энергию можно концентрировать и направлять на определенную глубину и в определенный участок организма, что открывает новые очень широкие возможности  в изучении роли и значения отдельных органов, а также их отдельных  частей в жизнедеятельности живых организмов.

Ультразвук малой интенсивности  оказывает лечебный терапевтический эффект в случае различных заболеваний внутренних органов, сердечно-сосудистой системы, периферических нервов, мышечной ткани, суставов, и т. п., что обусловлено не только теплом, вызываемым колебаниями в глубоко лежащих тканях. Сейчас особенно широко   он применяется в физиотерапии.

Ультразвуковые методы диагностики применяются в неврологии, кардиологии, хирургии, офтальмологии и гинекологии  для обследования  внутренних, приповерхностных и наружных органов.

Если статья Вам понравилась и оказалась для вас полезной, то поделитесь ей с другими:

Хочу себе плагин с такими кнопками

One thought on “Ультразвук.

  1. Зоя

    Интересная статья, так подробно рассказали об ультразвуке и его применении. Вспомнились занятия физикой. А на практике приходилось и диагностику проходить и лечебные процедуры.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Анти-спам: выполните заданиеWordPress CAPTCHA