המאה ה-21 היא המאה של אלקטרוניקת הרדיו, האטום, חקר החלל והאולטרסאונד. מדע האולטרסאונד צעיר יחסית כיום. בסוף המאה ה-19 ערך פ.נ.לבדב, פיזיולוג רוסי, את מחקריו הראשונים. לאחר מכן, מדענים בולטים רבים החלו ללמוד אולטרסאונד.
מה זה אולטרסאונד?
אולטרסאונד הוא תנועת תנודה גלית מתפשטת שחלקיקי המדיום עושים. יש לו מאפיינים משלו, שבהם הוא שונה מהצלילים של הטווח הנשמע. קל יחסית להשיג קרינה מכוונת בתחום האולטראסוני. בנוסף, הוא מתמקד היטב, וכתוצאה מכך, עוצמת התנודות שנעשות עולה. כאשר מתפשטים במוצקים, נוזלים וגזים, האולטרסאונד מוליד תופעות מעניינות שמצאו יישום מעשי בתחומים רבים של טכנולוגיה ומדע. זה מה זה אולטרסאונד, שתפקידו בתחומי החיים השונים כיום הוא גדול מאוד.
תפקיד האולטרסאונד במדע ובפרקטיקה
אולטרסאונד בשנים האחרונות החל לשחק במחקר מדעיתפקיד חשוב יותר ויותר. בוצעו בהצלחה מחקרים ניסיוניים ותיאורטיים בתחום זרימות אקוסטיות וקוויטציה קולית, שאפשרו למדענים לפתח תהליכים טכנולוגיים המתרחשים בעת חשיפה לאולטרסאונד בשלב הנוזל. זוהי שיטה רבת עוצמה לחקר תופעות שונות בתחום ידע כמו פיזיקה. אולטרסאונד משמש, למשל, בפיזיקה של מוליכים למחצה ומצב מוצק. כיום מתגבש ענף נפרד בכימיה, הנקרא "כימיה אולטרה-סונית". היישום שלו מאפשר האצת תהליכים כימיים-טכנולוגיים רבים. גם אקוסטיקה מולקולרית נולדה - ענף חדש באקוסטיקה החוקר את האינטראקציה המולקולרית של גלי קול עם חומר. תחומי יישום חדשים של אולטרסאונד הופיעו: הולוגרפיה, אינטרוסקופיה, אקוסטולאלקטרוניקה, מדידת פאזה אולטרסאונד, אקוסטיקה קוונטית.
בנוסף לעבודה ניסיונית ותיאורטית בתחום זה, נעשתה היום עבודה מעשית רבה. פותחו מכונות קוליות מיוחדות ואוניברסליות, מתקנים הפועלים בלחץ סטטי מוגבר וכו'. התקנות קוליות אוטומטיות הנכללות בקווי ייצור הוכנסו לייצור, מה שיכול להגדיל משמעותית את פריון העבודה.
עוד על אולטרסאונד
בוא נדבר יותר על מה זה אולטרסאונד. כבר אמרנו שמדובר בגלים ובתנודות אלסטיות. תדירות האולטרסאונד היא יותר מ-15-20 קילו-הרץ. המאפיינים הסובייקטיביים של השמיעה שלנו קובעים את הגבול התחתון של תדרים קוליים, אשרמפריד בינו לבין תדר הצליל הנשמע. הגבול הזה, אם כן, מותנה, וכל אחד מאיתנו מגדיר אחרת מהו אולטרסאונד. הגבול העליון מסומן על ידי גלים אלסטיים, טבעם הפיזי. הם מתפשטים רק בתווך חומרי, כלומר, אורך הגל חייב להיות גדול משמעותית מהנתיב החופשי הממוצע של המולקולות הקיימות בגז או מהמרחקים הבין-אטומיים במוצקים ובנוזלים. בלחץ רגיל בגזים, הגבול העליון של תדרים קוליים הוא 109 Hz, ובמוצקים ובנוזלים - 1012-10 13 הרץ.
מקורות קוליים
אולטרסאונד נמצא בטבע הן כמרכיב של רעשים טבעיים רבים (מפל מים, רוח, גשם, חלוקי נחל שהתגלגלו על ידי הגלישה, כמו גם בקולות הנלווים לסופות רעמים וכו'), והן כחלק בלתי נפרד מ. עולם החי. מינים מסוימים של בעלי חיים משתמשים בו להתמצאות בחלל, זיהוי מכשולים. ידוע גם שדולפינים משתמשים באולטרסאונד בטבע (בעיקר בתדרים מ-80 עד 100 קילו-הרץ). במקרה זה, העוצמה של אותות המיקום הנפלטים על ידם יכולה להיות גדולה מאוד. ידוע שדולפינים מסוגלים לזהות להקות דגים במרחק של עד קילומטר.
פולטים (מקורות) של אולטרסאונד מחולקים ל-2 קבוצות גדולות. הראשון הוא גנרטורים, שבהם מתרגשות תנודות עקב נוכחותם של מכשולים בהם המותקנים בנתיב של זרימה קבועה - סילון של נוזל או גז. הקבוצה השנייה אליה ניתן לשלב מקורות אולטרסאונד היאמתמרים אלקטרו-אקוסטיים הממירים תנודות נתונות בזרם או במתח חשמלי לרטט מכני שנוצר על ידי גוף מוצק המקרין גלים אקוסטיים אל הסביבה.
מקלטי אולטרסאונד
בתדרים בינוניים ונמוכים, מקלטי קולי הם לרוב מתמרים אלקטרו-אקוסטיים מסוג פיזואלקטרי. הם יכולים לשחזר את צורת האות האקוסטי המתקבל, המיוצג כתלות בזמן של לחץ הקול. התקנים יכולים להיות פס רחב או תהודה, בהתאם לתנאי היישום שהם מיועדים להם. מקלטים תרמיים משמשים להשגת מאפייני שדה קול בממוצע בזמן. הם תרמיסטורים או צמדים תרמיים המצופים בחומר סופג קול. ניתן להעריך את לחץ ועוצמת הקול גם בשיטות אופטיות, כגון עקיפה של אור על ידי אולטרסאונד.
היכן משתמשים באולטרסאונד?
ישנם תחומים רבים של היישום שלו, תוך שימוש בתכונות שונות של אולטרסאונד. ניתן לחלק באופן גס את האזורים הללו לשלושה אזורים. הראשון שבהם קשור להשגת מידע שונה באמצעות גלים קוליים. הכיוון השני הוא השפעתו הפעילה על החומר. והשלישי קשור לשידור ועיבוד של אותות. US של טווח תדרים מסוים משמש בכל מקרה. נסקור רק כמה מהתחומים הרבים שבהם הוא מצא את דרכו.
ניקוי קולי
אי אפשר להשוות את איכות הניקוי הזה לשיטות אחרות. בעת שטיפת חלקים, למשל, נשארים עד 80% מהמזהמים על פני השטח שלהם, כ-55% - בניקוי רטט, כ-20% - בניקוי ידני, ובניקוי קולי לא נשארים יותר מ-0.5% מהמזהמים. פרטים בעלי צורה מורכבת ניתן לנקות היטב רק בעזרת אולטרסאונד. יתרון חשוב של השימוש בו הוא פרודוקטיביות גבוהה, כמו גם עלויות נמוכות של עבודה פיזית. יתרה מכך, ניתן להחליף ממיסים אורגניים יקרים ודליקים בתמיסות מימיות זולות ובטוחות, להשתמש בפריאון נוזלי וכו'.
בעיה רצינית היא זיהום אוויר עם פיח, עשן, אבק, תחמוצות מתכות וכו'. ניתן להשתמש בשיטה האולטראסונית של ניקוי אוויר וגז ביציאות גז, ללא קשר ללחות הסביבה ולטמפרטורה. אם מניחים פולט קולי בתא שקיעת אבק, היעילות שלו תגדל מאות מונים. מה המהות של טיהור כזה? חלקיקי אבק הנעים באקראי באוויר פוגעים זה בזה בצורה חזקה יותר ולעתים קרובות יותר בהשפעת רעידות קוליות. במקביל, גודלם גדל בשל העובדה שהם מתמזגים. קרישה היא תהליך של הגדלת חלקיקים. מסננים מיוחדים תופסים את האשכולות המשוקללים והמוגדלים שלהם.
עיבוד חומרים שבירים וסופר קשים
אם אתה נכנס בין חומר העבודה למשטח העבודה של הכלי באמצעות אולטרסאונד, חומר שוחק, ואז החלקיקים השוחקים במהלך הפעולהפולט ישפיע על פני השטח של חלק זה. במקרה זה, החומר נהרס ומוסר, נתון לעיבוד תחת פעולתם של מגוון השפעות מיקרו מכוונות. הקינמטיקה של העיבוד מורכבת מהתנועה העיקרית - חיתוך, כלומר, תנודות האורך שמבצע הכלי, ומהעזר - תנועת ההזנה שהמכונה מבצעת.
אולטרסאונד יכול לעשות עבודות שונות. עבור גרגירים שוחקים, מקור האנרגיה הוא רעידות אורכיות. הם הורסים את החומר המעובד. תנועת ההזנה (עזר) יכולה להיות מעגלית, רוחבית ואורכית. עיבוד אולטרסאונד מדויק יותר. בהתאם לגודל הגרגירים של החומר השוחק, הוא נע בין 50 ל-1 מיקרון. באמצעות כלים בצורות שונות, ניתן לבצע לא רק חורים, אלא גם חיתוכים מורכבים, צירים מעוקלים, לחרוט, לטחון, ליצור מטריצות ואפילו לקדוח יהלום. חומרים המשמשים כחומר שוחק - קורונדום, יהלום, חול קוורץ, צור.
אולטרסאונד באלקטרוניקה רדיו
אולטרסאונד בטכנולוגיה משמש לעתים קרובות בתחום האלקטרוניקה הרדיופונית. באזור זה, לעתים קרובות יש צורך לעכב אות חשמלי ביחס לאותו אות אחר. מדענים מצאו פתרון טוב בכך שהציעו להשתמש בקווי השהייה אולטרסאונדים (בקיצור LZ). פעולתם מבוססת על העובדה שדחפים חשמליים מומרים לרעידות מכניות על-קוליות. איך זה קרה? העובדה היא שמהירות האולטרסאונד נמוכה משמעותית מזו שפותחה על ידי תנודות אלקטרומגנטיות. דוֹפֶקמתח לאחר ההמרה ההפוכה לרעידות מכניות חשמליות יעוכב במוצא הקו ביחס לפולס הכניסה.
מתמרים פיזואלקטריים ומגנטוסטרקטיביים משמשים להמרת רעידות חשמליות למכניות ולהיפך. LZ, בהתאמה, מחולקים לפיזואלקטרי ומגנטוסטריקטיבי.
אולטרסאונד ברפואה
סוגים שונים של אולטרסאונד משמשים כדי להשפיע על אורגניזמים חיים. בפרקטיקה הרפואית, השימוש בו הוא כעת פופולרי מאוד. הוא מבוסס על ההשפעות המתרחשות ברקמות ביולוגיות כאשר אולטרסאונד עובר דרכן. הגלים גורמים לתנודות בחלקיקי המדיום, מה שיוצר מעין מיקרומסאז' של רקמות. וקליטה של אולטרסאונד מובילה לחימום המקומי שלהם. במקביל, טרנספורמציות פיזיקוכימיות מסוימות מתרחשות במדיה ביולוגית. תופעות אלו אינן גורמות לנזק בלתי הפיך במקרה של עוצמת קול בינונית. הם רק משפרים את חילוף החומרים, ולכן תורמים לפעילות החיונית של הגוף שנחשף אליהם. תופעות כאלה משמשות בטיפול אולטרסאונד.
אולטרסאונד בניתוח
Cavitation וחימום חזק בעוצמות גבוהות מובילים להרס רקמות. אפקט זה משמש כיום בניתוח. אולטרסאונד ממוקד משמש לפעולות כירורגיות, המאפשר הרס מקומי במבנים העמוקים ביותר (למשל, המוח), מבלי לפגוע במסביב. אולטרסאונד משמש גם בניתוחכלים שבהם קצה העבודה נראה כמו קובץ, אזמל, מחט. התנודות המוטלות עליהם מעניקות איכויות חדשות למכשירים אלו. הכוח הנדרש מצטמצם באופן משמעותי, ולכן הטראומטית של הניתוח מצטמצמת. בנוסף, בא לידי ביטוי אפקט משכך כאבים והמוסטטי. אימפקט עם מכשיר קהה באמצעות אולטרסאונד משמש להרוס סוגים מסוימים של ניאופלזמות שהופיעו בגוף.
השפעה על רקמות ביולוגיות מתבצעת להשמדת מיקרואורגניזמים ומשמשת בתהליכי עיקור של תרופות ומכשור רפואי.
מחקר של איברים פנימיים
בעיקר אנחנו מדברים על חקר חלל הבטן. למטרה זו, נעשה שימוש במכשיר מיוחד. ניתן להשתמש באולטרסאונד כדי למצוא ולזהות חריגות רקמות ואנטומיות שונות. האתגר הוא לרוב כדלקמן: יש חשד לממאירות ויש להבחין בה מנגע שפיר או זיהומי.
אולטרסאונד שימושי בבדיקת הכבד ולמשימות נוספות, הכוללות איתור חסימות ומחלות של דרכי המרה, וכן בדיקת כיס המרה לאיתור נוכחות של אבנים ופתולוגיות נוספות בו. בנוסף, ניתן להשתמש בבדיקות לשחמת ומחלות כבד שפירות אחרות.
בתחום הגינקולוגיה, בעיקר בניתוח השחלות והרחם, השימוש באולטרסאונד הוא זמן רבהכיוון העיקרי שבו הוא מבוצע בהצלחה במיוחד. לעתים קרובות, יש צורך גם בהבחנה בין תצורות שפירות וממאירות, מה שבדרך כלל דורש את הניגודיות והרזולוציה המרחבית הטובים ביותר. מסקנות דומות יכולות להיות שימושיות במחקר של איברים פנימיים רבים אחרים.
השימוש באולטרסאונד ברפואת שיניים
אולטרסאונד מצא את דרכו גם לרפואת שיניים, שם הוא משמש להסרת אבנית. זה מאפשר לך להסיר במהירות, ללא דם וללא כאבים, רובד ואבן. יחד עם זאת, רירית הפה אינה נפגעת, ו"כיסי" החלל עוברים חיטוי. במקום כאב, המטופל חווה תחושת חום.
