USG -Ultrasound

Obraz ultrasonograficzny (sonogram) płodu w macicy, oglądany w 12. tygodniu ciąży (skan dwuwymiarowy)
Badanie ultradźwiękowe
USG płodu

Ultradźwięki to fale dźwiękowe o częstotliwościach wyższych niż górna granica słyszalności ludzkiego słuchu . Ultradźwięki nie różnią się od „normalnego” (słyszalnego) dźwięku pod względem właściwości fizycznych, z wyjątkiem tego, że ludzie go nie słyszą. Ta granica różni się w zależności od osoby i wynosi około 20 kiloherców (20 000 herców) u zdrowych młodych osób dorosłych. Urządzenia ultradźwiękowe działają z częstotliwościami od 20 kHz do kilku gigaherców.

Ultradźwięki znajdują zastosowanie w wielu różnych dziedzinach. Urządzenia ultradźwiękowe służą do wykrywania obiektów i pomiaru odległości. W medycynie często wykorzystuje się obrazowanie ultrasonograficzne lub ultrasonograficzne . W nieniszczących badaniach wyrobów i konstrukcji ultradźwięki służą do wykrywania niewidocznych wad. Przemysłowo ultradźwięki są używane do czyszczenia, mieszania i przyspieszania procesów chemicznych. Zwierzęta, takie jak nietoperze i morświny , używają ultradźwięków do lokalizowania ofiar i przeszkód.

Historia

Gwizdek Galton, jedno z pierwszych urządzeń do produkcji ultradźwięków

Akustyka , nauka o dźwięku , zaczyna się już w VI wieku pne Pitagorasa , który pisał o matematycznych właściwościach instrumentów strunowych . Echolokację u nietoperzy odkrył Lazzaro Spallanzani w 1794 r., kiedy wykazał, że nietoperze polują i poruszają się dzięki niesłyszalnemu dźwiękowi, a nie wizji. Francis Galton w 1893 wynalazł gwizdek Galtona , regulowany gwizdek wytwarzający ultradźwięki, którego używał do pomiaru zakresu słyszenia ludzi i innych zwierząt, pokazując, że wiele zwierząt może słyszeć dźwięki powyżej zakresu słyszenia ludzi. Pierwszym technologicznym zastosowaniem ultradźwięków była próba wykrycia okrętów podwodnych przez Paula Langevina w 1917 roku. Efekt piezoelektryczny , odkryty przez Jacquesa i Pierre'a Curie w 1880 roku, był użyteczny w przetwornikach do generowania i wykrywania fal ultradźwiękowych w powietrzu i wodzie.

Definicja

Przybliżone zakresy częstotliwości odpowiadające ultradźwiękom, z przybliżonym przewodnikiem niektórych zastosowań

Ultradźwięki są zdefiniowane przez American National Standards Institute jako „ dźwięk o częstotliwościach większych niż 20 kHz”. W powietrzu pod ciśnieniem atmosferycznym fale ultradźwiękowe mają długość fali 1,9 cm lub mniejszą.

Postrzeganie

Wynik medyczny USG na kartce papieru

Ludzie

Górna granica częstotliwości u ludzi (około 20 kHz) wynika z ograniczeń ucha środkowego . Uczucie słuchowe może wystąpić, gdy ultradźwięki o wysokiej intensywności są podawane bezpośrednio do ludzkiej czaszki i docierają do ślimaka poprzez przewodnictwo kostne , bez przechodzenia przez ucho środkowe.

Dzieci mogą słyszeć niektóre wysokie dźwięki, których starsi dorośli nie mogą słyszeć, ponieważ u ludzi górna granica tonu słyszenia ma tendencję do zmniejszania się wraz z wiekiem. Amerykańska firma telefonii komórkowej wykorzystała to do tworzenia sygnałów dzwonka, które rzekomo są słyszalne tylko dla młodszych ludzi, ale wiele starszych osób może je słyszeć, co może być spowodowane znaczną zmiennością związanego z wiekiem pogorszenia górnego progu słyszenia. Mosquito to urządzenie elektroniczne, które wykorzystuje wysoką częstotliwość do odstraszania młodych ludzi od włóczęgi .

Zwierząt

Nietoperze używają ultradźwięków do poruszania się w ciemności.
Gwizdek na psa , gwizdek emitujący dźwięk w zakresie ultradźwiękowym, używany do szkolenia psów i innych zwierząt

Nietoperze stosują różne techniki pomiaru odległości ultradźwiękowej ( echolokacji ), aby wykryć swoją ofiarę. Mogą wykrywać częstotliwości powyżej 100 kHz, prawdopodobnie do 200 kHz.

Wiele owadów ma dobry słuch ultradźwiękowy, a większość z nich to nocne owady nasłuchujące echolokacji nietoperzy . Należą do nich liczne grupy ciem , chrząszczy , modliszki i złotooki . Po usłyszeniu nietoperza niektóre owady wykonają manewry wymijające, aby uniknąć złapania. Częstotliwości ultradźwiękowe wywołują u ćmy nocnej działanie odruchowe , które powoduje, że w locie nieznacznie opada, aby uniknąć ataku. Tygrysie ćmy również wydają trzaski, które mogą zakłócać echolokację nietoperzy, a w innych przypadkach mogą reklamować, że są trujące , emitując dźwięk.

Zakres słuchu psów i kotów rozciąga się na ultradźwięki; górna granica zakresu słuchu psa wynosi około 45 kHz, a kota 64 kHz. Dzicy przodkowie kotów i psów wyewoluowali ten wyższy zakres słyszenia, aby słyszeć dźwięki o wysokiej częstotliwości wydawane przez ich preferowaną zdobycz, małe gryzonie. Gwizdek na psa to gwizdek emitujący ultradźwięki, używany do szkolenia i wzywania psów. Częstotliwość większości gwizdków dla psów mieści się w zakresie od 23 do 54 kHz.

Zębate wieloryby , w tym delfiny , słyszą ultradźwięki i wykorzystują takie dźwięki w swoim systemie nawigacyjnym ( biosonar ) do orientacji i chwytania zdobyczy. Morświny mają najwyższą znaną górną granicę słyszenia przy około 160 kHz. Kilka rodzajów ryb może wykryć ultradźwięki. W kolejności Clupeiformes członkowie podrodziny Alosinae ( szad ) są w stanie wykrywać dźwięki do 180 kHz, podczas gdy inne podrodziny (np . śledzie ) słyszą tylko do 4 kHz.

Generatory ultradźwięków/systemy głośników są sprzedawane jako elektroniczne urządzenia do zwalczania szkodników , które mają odstraszać gryzonie i owady , ale nie ma naukowych dowodów na to, że urządzenia działają.

Wykrywanie i zasięg

Czujnik bezdotykowy

Poziomica ultradźwiękowa lub system wykrywania nie wymaga kontaktu z celem. W przypadku wielu procesów w przemyśle medycznym, farmaceutycznym, wojskowym i ogólnym jest to przewaga nad czujnikami wbudowanymi, które mogą zanieczyścić płyny wewnątrz naczynia lub rurki lub które mogą zostać zatkane przez produkt.

Stosowane są zarówno systemy fali ciągłej, jak i impulsowe. Zasadą technologii impulsowo-ultradźwiękowej jest to, że przesyłany sygnał składa się z krótkich impulsów energii ultradźwiękowej. Po każdym impulsie elektronika szuka sygnału zwrotnego w małym oknie czasu odpowiadającym czasowi przejścia energii przez naczynie. Tylko sygnał odebrany w tym oknie kwalifikuje się do dodatkowego przetwarzania sygnału.

Popularną konsumencką aplikacją do pomiaru odległości ultradźwiękowej była kamera Polaroid SX-70 , która zawierała lekki system przetwornika do automatycznego ustawiania ostrości kamery. Polaroid później licencjonował tę technologię ultradźwiękową i stał się podstawą wielu produktów ultradźwiękowych.

Czujniki ruchu i pomiar przepływu

Powszechną aplikacją ultradźwiękową jest automatyczny mechanizm otwierania drzwi, w którym czujnik ultradźwiękowy wykrywa zbliżanie się osoby i otwiera drzwi. Czujniki ultradźwiękowe służą również do wykrywania intruzów; USG może obejmować szeroki obszar z jednego punktu. Przepływ w rurach lub kanałach otwartych można mierzyć za pomocą przepływomierzy ultradźwiękowych, które mierzą średnią prędkość przepływającej cieczy. W reologii reometr akustyczny opiera się na zasadzie ultradźwięków. W mechanice płynów przepływ płynu można mierzyć za pomocą przepływomierza ultradźwiękowego .

Badania nieniszczące

Zasada wykrywania wad za pomocą ultradźwięków. Pustka w materiale stałym odbija część energii z powrotem do przetwornika, który jest wykrywany i wyświetlany.

Badania ultradźwiękowe to rodzaj badań nieniszczących powszechnie stosowanych w celu znalezienia wad materiałów i pomiaru grubości obiektów. Częstotliwości od 2 do 10 MHz są powszechne, ale do celów specjalnych używane są inne częstotliwości. Kontrola może być ręczna lub zautomatyzowana i stanowi istotną część nowoczesnych procesów produkcyjnych. Można badać większość metali , jak również tworzywa sztuczne i kompozyty lotnicze . Ultradźwięki o niższej częstotliwości (50–500 kHz) mogą być również używane do kontroli mniej gęstych materiałów, takich jak drewno , beton i cement .

Badania ultradźwiękowe złączy spawanych są od lat 60-tych alternatywą dla radiografii w badaniach nieniszczących . Kontrola ultradźwiękowa eliminuje stosowanie promieniowania jonizującego, zapewniając bezpieczeństwo i oszczędność kosztów. Ultradźwięki mogą również dostarczyć dodatkowych informacji, takich jak głębokość wad w złączu spawanym. Kontrola ultradźwiękowa przeszła od metod ręcznych do systemów komputerowych, które automatyzują większość procesu. Badanie ultradźwiękowe złącza może zidentyfikować występowanie wad, zmierzyć ich rozmiar i określić ich lokalizację. Nie wszystkie spawane materiały są jednakowo podatne na kontrolę ultradźwiękową; niektóre materiały mają duży rozmiar ziarna, który powoduje wysoki poziom szumu tła podczas pomiarów.

Badania nieniszczące wału obrotowego wykazujące pękanie wielowypustowe

Ultradźwiękowy pomiar grubości to jedna z technik stosowanych do monitorowania jakości spoin.

Znajdowanie zasięgu ultradźwiękowego

Zasada działania sonaru aktywnego

Powszechnym zastosowaniem ultradźwięków jest znajdowanie zasięgu podwodnego ; to zastosowanie jest również nazywane Sonar . Impuls ultradźwiękowy jest generowany w określonym kierunku. Jeśli na ścieżce tego impulsu znajduje się obiekt, część lub całość impulsu zostanie odbita z powrotem do nadajnika jako echo i może zostać wykryta przez ścieżkę odbiornika. Mierząc różnicę czasu między wysyłanym impulsem a odbieranym echem, możliwe jest określenie odległości.

Zmierzony czas podróży impulsów sonaru w wodzie jest silnie zależny od temperatury i zasolenia wody. Zakres ultradźwiękowy jest również stosowany do pomiarów w powietrzu i na krótkich dystansach. Na przykład ręczne ultradźwiękowe narzędzia pomiarowe mogą szybko mierzyć układ pomieszczeń.

Chociaż wyszukiwanie odległości pod wodą odbywa się zarówno przy częstotliwościach podsłyszalnych, jak i słyszalnych na duże odległości (od 1 do kilku kilometrów), ultradźwiękowe wyszukiwanie odległości jest używane, gdy odległości są krótsze, a dokładność pomiaru odległości ma być większa. Pomiary ultradźwiękowe mogą być ograniczone przez warstwy barierowe o dużym stopniu zasolenia, temperatury lub wirów. Zasięg w wodzie waha się od około setek do tysięcy metrów, ale można go wykonać z dokładnością centymetrów na metry

Identyfikacja ultradźwiękowa (USID)

Identyfikacja ultradźwiękowa (USID) to technologia systemu lokalizacji w czasie rzeczywistym (RTLS) lub systemu pozycjonowania w pomieszczeniach (IPS) używana do automatycznego śledzenia i identyfikacji lokalizacji obiektów w czasie rzeczywistym za pomocą prostych, niedrogich węzłów (znaczek/znaczników) dołączonych lub osadzonych w przedmiotach i urządzeniach, które następnie przesyłają sygnał ultradźwiękowy, aby przekazać swoją lokalizację czujnikom mikrofonu.

Obrazowanie

USG płodu w wieku 14 tygodni (profil)
Głowa płodu w wieku 29 tygodni w " USG 3D "

Potencjał ultradźwiękowego obrazowania obiektów, z rozdzielczością wytwarzania fali dźwiękowej 3 GHz porównywalną z obrazem optycznym, został rozpoznany przez Sokołowa w 1939 roku, ale techniki tamtych czasów dawały obrazy o stosunkowo niskim kontraście i słabej czułości. Obrazowanie ultradźwiękowe wykorzystuje częstotliwości 2 megaherców i wyższe; krótsza długość fali umożliwia rozdzielczość małych szczegółów wewnętrznych w strukturach i tkankach. Gęstość mocy jest zwykle mniejsza niż 1 wat na centymetr kwadratowy, aby uniknąć efektu nagrzewania i kawitacji w badanym obiekcie. W mikroskopii akustycznej stosuje się wysokie i ultrawysokie fale ultradźwiękowe o częstotliwościach do 4 gigaherców. Zastosowania obrazowania ultradźwiękowego obejmują przemysłowe badania nieniszczące, kontrolę jakości i zastosowania medyczne.

Mikroskopia akustyczna

Mikroskopia akustyczna to technika wykorzystująca fale dźwiękowe do wizualizacji struktur zbyt małych, aby ludzkie oko mogło je rozróżnić. W mikroskopach akustycznych wykorzystywane są częstotliwości do kilku gigaherców. Odbicie i dyfrakcja fal dźwiękowych z mikroskopijnych struktur może dostarczyć informacji niedostępnych dla światła.

Medycyna ludzka

Ultrasonografia medyczna to ultrasonograficzna technika diagnostyczna obrazowania medycznego stosowana do wizualizacji mięśni, ścięgien i wielu narządów wewnętrznych w celu uchwycenia ich wielkości, struktury i wszelkich zmian patologicznych za pomocą obrazów tomograficznych w czasie rzeczywistym. Ultradźwięki są wykorzystywane przez radiologów i ultrasonografów do obrazowania ludzkiego ciała od co najmniej 50 lat i stały się szeroko stosowanym narzędziem diagnostycznym. Technologia ta jest stosunkowo niedroga i przenośna, zwłaszcza w porównaniu z innymi technikami, takimi jak rezonans magnetyczny (MRI) i tomografia komputerowa (CT). Ultradźwięki są również wykorzystywane do wizualizacji płodów podczas rutynowej i nagłej opieki prenatalnej . Takie aplikacje diagnostyczne stosowane w czasie ciąży określane są mianem ultrasonografii położniczej . Jak obecnie stosowane w medycynie, prawidłowo wykonane USG nie stwarza żadnego zagrożenia dla pacjenta. W sonografii nie stosuje się promieniowania jonizującego , a poziomy mocy stosowane do obrazowania są zbyt niskie, aby powodować niekorzystne efekty ogrzewania lub ciśnienia w tkance. Chociaż długoterminowe skutki ekspozycji na ultradźwięki o natężeniu diagnostycznym są nadal nieznane, obecnie większość lekarzy uważa, że ​​korzyści dla pacjentów przewyższają ryzyko. W badaniu ultrasonograficznym zalecana jest zasada ALARA (tak niskie, jak rozsądnie osiągalne) – to znaczy utrzymywanie czasu skanowania i ustawienia mocy na jak najniższym poziomie, ale spójne z obrazowaniem diagnostycznym – i zgodnie z tą zasadą zastosowania niemedyczne, które z definicji są nie jest to konieczne, są aktywnie zniechęcani.

Ultradźwięki są również coraz częściej stosowane w przypadkach urazów i pierwszej pomocy, a ultrasonografia w nagłych wypadkach staje się podstawą większości zespołów reagowania EMT. Ponadto ultradźwięki są wykorzystywane w przypadkach zdalnej diagnozy, w których wymagana jest telekonsultacja , takich jak eksperymenty naukowe w kosmosie lub diagnostyka mobilnych drużyn sportowych.

Według RadiologyInfo, ultradźwięki są przydatne w wykrywaniu nieprawidłowości miednicy i mogą obejmować techniki znane jako ultrasonografia brzucha (przezbrzuszna), ultrasonografia pochwy (przezpochwowa lub wewnątrzpochwowa) u kobiet, a także ultrasonografia odbytnicza (przezodbytnicza) u mężczyzn.

Medycyna weterynaryjna

Ultrasonografia diagnostyczna stosowana jest zewnętrznie u koni do oceny uszkodzeń tkanek miękkich i ścięgien, a wewnętrznie w szczególności do pracy rozrodczej – oceny układu rozrodczego klaczy i wykrywania ciąży. Może być również stosowany zewnętrznie u ogierów do oceny stanu i średnicy jąder, a także wewnętrznie do oceny rozrodczości (przewód odmienny itp.).

Do 2005 roku przemysł bydła mięsnego zaczął wykorzystywać technologię ultradźwiękową w celu poprawy zdrowia zwierząt i wydajności hodowli bydła. Ultradźwięki służą do oceny grubości tłuszczu, obszaru żeber i tłuszczu śródmięśniowego u żywych zwierząt. Służy również do oceny stanu zdrowia i cech nienarodzonych cieląt.

Technologia ultradźwiękowa zapewnia producentom bydła sposób na uzyskanie informacji, które można wykorzystać do poprawy hodowli i hodowli bydła. Technologia może być kosztowna i wymaga znacznego zaangażowania czasu na ciągłe gromadzenie danych i szkolenie operatorów. Niemniej jednak technologia ta okazała się przydatna w zarządzaniu i prowadzeniu hodowli bydła.

Przetwarzanie i moc

Zastosowania ultradźwięków o dużej mocy często wykorzystują częstotliwości od 20 kHz do kilkuset kHz. Intensywność może być bardzo wysoka; powyżej 10 watów na centymetr kwadratowy kawitacja może być indukowana w mediach ciekłych, a niektóre aplikacje zużywają do 1000 watów na centymetr kwadratowy. Tak wysoka intensywność może wywołać zmiany chemiczne lub wywołać znaczące skutki poprzez bezpośrednie działanie mechaniczne i może dezaktywować szkodliwe mikroorganizmy.

Fizykoterapia

Ultradźwięki są stosowane od lat czterdziestych przez fizjoterapeutów i terapeutów zajęciowych do leczenia tkanki łącznej : więzadeł , ścięgien i powięzi (a także tkanki bliznowatej ). Stany, w których ultradźwięki mogą być stosowane w leczeniu, obejmują następujące przykłady: skręcenia więzadeł, nadwyrężenia mięśni , zapalenie ścięgien , zapalenie stawów, zapalenie powięzi podeszwowej , ból śródstopia , podrażnienie twarzy, zespół ciasnoty , zapalenie kaletki , reumatoidalne zapalenie stawów , choroba zwyrodnieniowa stawów i przyleganie tkanki bliznowatej.

Zastosowania biomedyczne

Ultradźwięki mają zastosowania diagnostyczne i terapeutyczne , co może być bardzo korzystne, gdy stosuje się je z zachowaniem ostrożności w zakresie dawkowania. Ultradźwięki o stosunkowo dużej mocy mogą rozbijać złogi kamieni lub tkanki, przyspieszać działanie leków w docelowym obszarze, pomagać w pomiarach właściwości elastycznych tkanki i mogą być wykorzystywane do sortowania komórek lub małych cząstek do celów badawczych.

Ultradźwiękowe leczenie uderzeniowe

Ultradźwiękowa obróbka udarowa (UIT) wykorzystuje ultradźwięki do poprawy mechanicznych i fizycznych właściwości metali. Jest to technika obróbki metalurgicznej, w której do metalowego przedmiotu przykładana jest energia ultradźwiękowa. Obróbka ultradźwiękowa może skutkować kontrolowanym szczątkowym naprężeniem ściskającym, rozdrobnieniem ziarna i zmniejszeniem wielkości ziarna. Zmęczenie nisko- i wysokocyklowe jest wzmocnione i udokumentowano, że zapewnia wzrost do dziesięciu razy większy niż w przypadku próbek innych niż UIT. Ponadto UIT okazał się skuteczny w rozwiązywaniu problemów związanych z pękaniem korozyjnym naprężeniowym , zmęczeniem korozyjnym i powiązanymi problemami.

Gdy narzędzie UIT, składające się z przetwornika ultradźwiękowego, szpilek i innych elementów, wchodzi w kontakt z przedmiotem obrabianym, łączy się akustycznie z przedmiotem, tworząc rezonans harmoniczny. Ten rezonans harmoniczny jest wykonywany ze starannie skalibrowaną częstotliwością, na którą metale reagują bardzo korzystnie.

W zależności od pożądanych efektów leczenia stosuje się kombinację różnych częstotliwości i amplitudy przemieszczeń. Częstotliwości te mieszczą się w zakresie od 25 do 55 kHz, przy amplitudzie przesunięcia korpusu rezonansowego od 22 do 50 µm (0,00087 do 0,0020 cala).

Urządzenia UIT opierają się na przetwornikach magnetostrykcyjnych .

Przetwarzanie

Ultradźwięki oferują ogromny potencjał w przetwarzaniu cieczy i zawiesin, poprawiając mieszanie i reakcje chemiczne w różnych zastosowaniach i gałęziach przemysłu. Ultradźwięki generują naprzemienne fale niskiego i wysokiego ciśnienia w cieczach, co prowadzi do powstawania i gwałtownego zapadania się małych pęcherzyków próżniowych . Zjawisko to nazywane jest kawitacją i powoduje uderzenia strumieni cieczy z dużą prędkością oraz silne hydrodynamiczne siły ścinające. Efekty te są wykorzystywane do deaglomeracji i mielenia materiałów o rozmiarach mikrometrowych i nanometrowych, a także do dezintegracji komórek lub mieszania reagentów. W tym aspekcie ultradźwięki są alternatywą dla szybkich mikserów i młynów kulkowych z mieszadłem. Folie ultradźwiękowe pod poruszającym się drutem w maszynie papierniczej wykorzystają fale uderzeniowe z implodujących pęcherzyków do bardziej równomiernego rozprowadzenia włókien celulozy w wyprodukowanej wstędze papieru, co sprawi, że papier będzie mocniejszy o bardziej równych powierzchniach. Ponadto reakcje chemiczne korzystają z wolnych rodników powstałych w wyniku kawitacji, a także z wkładu energii i przenoszenia materiału przez warstwy graniczne. W przypadku wielu procesów ten sonochemiczny (patrz sonochemia ) efekt prowadzi do znacznego skrócenia czasu reakcji, jak w przypadku transestryfikacji oleju do biodiesla .

Schemat ultradźwiękowych procesorów cieczy na skalę laboratoryjną i przemysłową

Znaczna intensywność ultradźwięków i wysokie amplitudy drgań ultradźwiękowych są wymagane w wielu zastosowaniach przetwarzania, takich jak nanokrystalizacja, nanoemulsyfikacja, deaglomeracja, ekstrakcja, rozrywanie komórek i wiele innych. Zwykle proces jest najpierw testowany w skali laboratoryjnej, aby udowodnić wykonalność i ustalić niektóre z wymaganych parametrów ekspozycji ultradźwiękowej. Po zakończeniu tej fazy proces jest przenoszony na wagę pilotażową (stołową) w celu optymalizacji przepływu przed produkcją, a następnie na skalę przemysłową do produkcji ciągłej. Podczas tych etapów zwiększania skali konieczne jest upewnienie się, że wszystkie lokalne warunki ekspozycji (amplituda ultradźwięków, intensywność kawitacji , czas spędzony w aktywnej strefie kawitacji itp.) pozostają takie same. Jeśli ten warunek jest spełniony, jakość produktu końcowego pozostaje na zoptymalizowanym poziomie, a wydajność zwiększa się o przewidywalny „współczynnik skalowania”. Wzrost wydajności wynika z faktu, że systemy procesorów ultradźwiękowych na skalę laboratoryjną, stołową i przemysłową zawierają coraz większe rogi ultradźwiękowe , zdolne do generowania coraz większych stref kawitacji o wysokiej intensywności , a zatem do przetwarzania większej ilości materiału w jednostce czasu. Nazywa się to „bezpośrednią skalowalnością”. Należy podkreślić, że samo zwiększenie mocy procesora ultradźwiękowego nie powoduje bezpośredniej skalowalności, ponieważ może mu towarzyszyć (i często towarzyszy) zmniejszenie amplitudy ultradźwięków i natężenia kawitacji. Podczas bezpośredniego zwiększania skali wszystkie warunki przetwarzania muszą być zachowane, podczas gdy moc znamionowa sprzętu jest zwiększana, aby umożliwić działanie większej tuby ultradźwiękowej.

Manipulacja ultradźwiękowa i charakterystyka cząstek

Naukowiec z Instytutu Badań Materiałów Przemysłowych, Alessandro Malutta, opracował eksperyment, który zademonstrował działanie wychwytujące ultradźwiękowe fale stojące na włóknach pulpy drzewnej rozcieńczone w wodzie i ich równoległe zorientowanie w równoodległych płaszczyznach nacisku. Czas orientowania włókien w równoodległych płaszczyznach jest mierzony za pomocą lasera i czujnika elektrooptycznego. Może to zapewnić przemysłowi papierniczemu szybki system pomiaru rozmiaru włókien on-line. Nieco inną implementację zademonstrowano na Uniwersytecie Stanowym w Pensylwanii przy użyciu mikroukładu, który generował parę prostopadłych fal akustycznych powierzchni stojących, co pozwala na umieszczenie cząstek w równej odległości od siebie na siatce. Ten eksperyment, zwany pęsetą akustyczną , może być wykorzystywany do zastosowań w materiałoznawstwie, biologii, fizyce, chemii i nanotechnologii.

Czyszczenie ultradźwiękowe

Myjki ultradźwiękowe , czasami mylnie nazywane myjkami naddźwiękowymi , są używane przy częstotliwościach od 20 do 40 kHz do biżuterii , soczewek i innych części optycznych, zegarków , instrumentów dentystycznych , narzędzi chirurgicznych , regulatorów nurkowania i części przemysłowych . Myjka ultradźwiękowa działa głównie dzięki energii uwolnionej z rozpadu milionów mikroskopijnych kawitacji w pobliżu brudnej powierzchni. Pęcherzyki powstałe w wyniku kawitacji zapadają się, tworząc maleńkie fale uderzeniowe, które rozbijają się i rozpraszają zanieczyszczenia na powierzchni obiektu.

Dezintegracja ultradźwiękowa

Podobnie jak w przypadku czyszczenia ultradźwiękowego, komórki biologiczne, w tym bakterie, mogą ulec dezintegracji. Ultradźwięki o dużej mocy wytwarzają kawitację , która ułatwia rozpad cząstek lub reakcje. Ma to zastosowanie w naukach biologicznych do celów analitycznych lub chemicznych ( sonikacja i sonoporacja ) oraz do zabijania bakterii w ściekach . Ultradźwięki o dużej mocy mogą rozbijać gnojowicę kukurydzianą i poprawiać upłynnienie i scukrzanie, aby uzyskać wyższą wydajność etanolu w suchych zakładach mielenia kukurydzy.

Nawilżacz ultradźwiękowy

Nawilżacz ultradźwiękowy, jeden rodzaj nebulizatora (urządzenie wytwarzające bardzo drobny strumień), jest popularnym rodzajem nawilżacza. Działa poprzez wibrowanie metalowej płytki z częstotliwościami ultradźwiękowymi w celu nebulizacji (czasami błędnie nazywanej „atomizacją”) wody. Ponieważ woda nie jest podgrzewana do parowania, wytwarza chłodną mgiełkę. Ultradźwiękowe fale ciśnieniowe nebulizują nie tylko wodę, ale także zawarte w niej materiały, w tym wapń, inne minerały, wirusy, grzyby, bakterie i inne zanieczyszczenia. Choroby spowodowane zanieczyszczeniami znajdującymi się w zbiorniku nawilżacza są objęte nagłówkiem „Gorączka nawilżacza”.

Nawilżacze ultradźwiękowe są często używane w aeroponice , gdzie ogólnie nazywa się je zamgławiaczami .

Spawanie ultradźwiękowe

W zgrzewaniu ultradźwiękowym tworzyw sztucznych drgania o wysokiej częstotliwości (15 kHz do 40 kHz) o niskiej amplitudzie są wykorzystywane do wytwarzania ciepła w wyniku tarcia pomiędzy łączonymi materiałami. Interfejs dwóch części został specjalnie zaprojektowany, aby skoncentrować energię w celu uzyskania maksymalnej wytrzymałości spoiny.

Sonochemia

Ultradźwięki mocy w zakresie 20–100 kHz są stosowane w chemii . Ultradźwięki nie oddziałują bezpośrednio z cząsteczkami, aby wywołać zmianę chemiczną, ponieważ jego typowa długość fali (w zakresie milimetrów) jest zbyt długa w porównaniu z cząsteczkami. Zamiast tego energia powoduje kawitację , która generuje ekstremalne temperatury i ciśnienie w cieczy, w której zachodzi reakcja. Ultradźwięki rozbijają również ciała stałe i usuwają pasywujące warstwy materiału obojętnego , aby uzyskać większą powierzchnię, na której zachodzi reakcja. Oba te efekty przyspieszają reakcję. W 2008 r. Atul Kumar doniósł o syntezie estrów Hantzscha i pochodnych polihydrochinoliny za pomocą wieloskładnikowego protokołu reakcji w wodnych micelach przy użyciu ultradźwięków.

Do ekstrakcji wykorzystuje się ultradźwięki , wykorzystujące różne częstotliwości.

Komunikacja bezprzewodowa

W lipcu 2015 r. The Economist poinformował, że naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley przeprowadzili badania ultrasonograficzne z użyciem membran grafenowych . Cienkość i niska waga grafenu w połączeniu z jego wytrzymałością sprawiają, że jest to skuteczny materiał do zastosowania w komunikacji ultradźwiękowej. Jednym z sugerowanych zastosowań tej technologii byłaby komunikacja podwodna, w której fale radiowe zwykle nie rozchodzą się dobrze.

Sygnały ultradźwiękowe zostały wykorzystane w „sygnalizatorach dźwiękowych” do śledzenia użytkowników Internetu na różnych urządzeniach .

Inne zastosowania

Ultradźwięki zastosowane w określonych konfiguracjach mogą wytwarzać krótkie rozbłyski światła w egzotycznym zjawisku znanym jako sonoluminescencja . Zjawisko to jest badane częściowo ze względu na możliwość fuzji pęcherzyków ( przypuszcza się, że reakcja fuzji jądrowej zachodzi podczas sonoluminescencji).

Ultradźwięki są używane do charakteryzowania cząstek za pomocą techniki spektroskopii tłumienia ultradźwięków , obserwacji zjawisk elektroakustycznych lub przezczaszkowej pulsacji ultradźwiękowej .

Dźwięk może być propagowany przez modulowane ultradźwięki .

Poprzednio popularnym zastosowaniem ultradźwięków przez konsumentów były piloty telewizyjne do regulacji głośności i zmiany kanałów. Wprowadzony przez firmę Zenith pod koniec lat pięćdziesiątych system wykorzystywał ręczny pilot zdalnego sterowania zawierający krótkie rezonatory prętowe uderzane małymi młotkami oraz mikrofon na planie. Filtry i detektory rozróżniały różne operacje. Główne zalety polegały na tym, że w ręcznej skrzynce kontrolnej nie była potrzebna bateria i, w przeciwieństwie do fal radiowych , ultradźwięki raczej nie wpływały na sąsiednie zestawy. Ultradźwięki pozostawały w użyciu, dopóki nie zostały wyparte przez systemy podczerwieni, począwszy od późnych lat 80. XX wieku.

Bezpieczeństwo

Narażenie zawodowe na ultradźwięki przekraczające 120 dB może prowadzić do utraty słuchu. Ekspozycja powyżej 155 dB może powodować efekty ogrzewania, które są szkodliwe dla ludzkiego ciała, a obliczono, że ekspozycja powyżej 180 dB może prowadzić do śmierci. Niezależna brytyjska grupa doradcza ds. promieniowania niejonizującego (AGNIR) sporządziła w 2010 r. raport, który został opublikowany przez brytyjską Agencję Ochrony Zdrowia (HPA). Raport ten zalecał limit narażenia ogółu społeczeństwa na poziom ciśnienia akustycznego ultradźwięków w powietrzu (SPL) wynoszący 70 dB (przy 20 kHz) i 100 dB (przy 25 kHz i powyżej).

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Kundu T (2004). Ultradźwiękowa ocena nieniszcząca: charakterystyka materiałów inżynierskich i biologicznych . Boca Raton, FL: CRC Press. Numer ISBN 978-0-8493-1462-9.
  • Grzesik J, Pluta E (1983). „Ryzyko słuchu o wysokiej częstotliwości operatorów przemysłowych urządzeń ultradźwiękowych”. Międzynarodowe Archiwum Zdrowia Zawodowego i Środowiskowego . 53 (1): 77-88. doi : 10.1007/BF00406179 . PMID  6654504 . S2CID  37176293 .

Zewnętrzne linki