Ultragarsas ir jo panaudojimas

Home / Fizika / Ultragarsas ir jo panaudojimas

KAS YRA GARSAS?

Garsas yra tam tikra kinetinės energijos (judesio energijos) forma, kurią sukuria bet kuris virpantis objektas. Garso bangos perneša energiją, kurią galima panaudoti. Kalbą ir muziką galima perduoti daugybe būdų, todėl garsas efektyvi ryšio priemonė.

ULTRAGARSAS – tai elastinės bangos, kurių dažnis viršija žmogaus girdos viršutinę ribą (15-20 kHz). Ultragarso dažnio viršutinę ribą lemia medžiagos sandara: dujų elastinių bangų ilgis didesnis už molekulių laisvojo kelio ilgį, o skysčių ir kietūjų kūnų – už nuotolį tarp atomų. UUltragarso dažnių dipazonas skirstomas į tris sritis: <100000 Hz – žemo, 100000–10000000 Hz – vidutinio ir 10000000-1000000000 Hz – aukšto dažnio ultragarsą (elastinės bangos, kurių dažnis >1000000000 Hz, vadinamos hipergarsu). Dujose ir skysčiuose gali sklisti tik išilginės, kietuosiuose kūnuose – išilginės ir skersinės elastinės bangos. Jos sklinda kryptingai, nes dažniausiai palyginti su ultragarso šaltinio skersmeniu yra trumpos. Ultragarso sklidimo kryptis tiriama geometrinės akustikos metodais. Ultragarsas nuo didielių aplinkos nevienalytiškumų atsispindi ir lūžta. Ultragarsą galima fokusuoti akustiniais lęšiais ir reflektoriais. Jo ssklidimo greitis priklauso nuo medžiagos tamprumo ir tankio; kai kuriose medžiagose jis priklauso ir nuo bangų dažnio – pasireiškia ultragarso greičio dispersija. Ultragarsas slopsta daugiau už žemesnio dažnio bangas.

Ultragarsą skleidžia gamtiniai triukšmo šaltiniai (lietus, griaustinis ir pan.), gyvūnai (šikšnosparniai, ddelfinai, kai kurių rūšių banginiai). Jį sužadina mechaniniai ultragarso generatoriai (švilpukai, sirena, hidrodinaminiai vibratoriai), kurie mechaninę skysčio ar dujų energiją paverčia ultragarso energija.

Ultragarsas veikia žmogų, gyvūnus, augalus mikroorganizmus. Biologinis ultragarso poveikis priklauso nuo jo stiprumo ir trukmės. Pvz., 1-2 W/cm². stiprumo, 100000-1000000 Hz dažnio ultragarsas sukelia audinio mikromasažą: žmogaus ir gyvūno organizmo audiniuose geriau cirkuliuoja kraujas ir limfa. Organizmas sugeria ultragarsą, ir jo akustinė energija virsta šilumine. Audinių giluminis įšilimas pagerina medžiagų apykaitą. Tam tikro stiprumo ultragarsas sunaikina bakterijas ir virusus (pvz., tuberkuliozės mikrobakterijas ir šiltinės salmoneles, polimielito, encefalito virusus). 3-10 W/cm². Ultragarso ilgalaikis poveikis ardo audinius ir ląsteles (dėl kavitacijos ir per didelio įšilimo).

Ultragarso naudojimo sritys: medicina (fizioterapija, ultragarsinė diagnostika, chirurgija, medicininių aerozolių gamyba, medicininių instrumentų iir vaistinių medžiagų sterilizavimas), technika (detalių ultragarsinis valymas, ultragarsinis apdirbimas, ultragarsinis suvirinimas, aliuminio dirbinių litavimas, šilumos ir masės mainų bei elektrocheminių procesų spartinimas, dūmų ir aerozolių nusodinimas). Ultragarsu naudojamasi kietojo kūno fizikoje, hidrolokacijoje, defektoskopijoje, mikrodkopijoje, kasyboje.

Ultragarso savybes, jo panaudojimo moksle ir technikoje fizikinius pagrindus tiria ultragarso fizika.

ULTRAGARSO ŠALTINIAI – įrenginiai garsui sužadinti. Keičia kitos rūšies energiją, pvz., elektrinę, kinetinę, į akustinę energiją. Plačiausiai vartojami ultragarso šaltiniai yra pjezoelektrinis, magnetostrikcinis, elektrodinaminis, elektromagnetinis keitikliai. Jie verčia elektrinio lauko energiją kietojo kkūno (plokštelės, strypo, diafragmos) virpesiais, kurie žadina ultragarsą (20 kHz-1 GHz dažnio garso virpesius). Pjezoelektrinis keitiklis turi vieną ar kelis pjezoelementus, kurie sujungti su pasyviaisiais elementais (antgaliais, virpesių koncentratoriais, plokštelėmis, membranomis; 1 pav.) . Būna didelio intensyvumo (iki 10 W/cm²), vartojamas ultragarsinėje technologijoje, ir mažo intensyvumo (iki 1 W/cm²), vartojamas ultragarsinėje defektoskopijoje, lokacijoje, medicininėje diagnostikoje. Magnetostrikcinis keitiklis verčia kintamojo magnetinio lauko energiją šerdies virpesiais; keičiamąją energiją sukuria šerdies apvijomis tekanti kintamoji elektros srovė. Ji žadina 10-100 kHz ultragarsą 2 (pav.). Vartojamas ultragarsinėje technologijoje. Elektrodinaminio keitiklio veikimas pagrįstas kintamosios elektros srovės sąveika su nuolatiniu magnetiniu lauku. Ultragarsą skleidžia diafragma 3 (3 pav.). Ją virpina magnetiniame lauke esanti trumpai sujungta vija, kuria teka indukuota elektros srovė. Virpesių dažnis sutampa su elektros srovės, tekančios laidininku, dažniu. Elektrodinaminis keitiklis žadina keliasdešimt kilohercų dažnio ultragarsą. Elektromagnetinio keitiklio veikimo principas remiasi laidžiame kūne sužadintų sūkurinių srovių sąveika su nuolatiniu magnetiniu lauku. Rite 2 tekanti kintamoji srovė indukuoja elektrai laidžiame kūne 1 sūkurines sroves (4 pav.). Dėl jų sąveikos su magnetiniu lauku atsiranda jėga, virpinanti laidaus kūno daleles, kurios žadina iki 10 MHz ultragarsą. Vartojamas defektoskopijoje. Kiti elektromagnetiniai keitikliai verčia skysčio arba dujų srauto kinetinę energiją akustine. Vartojami ultragarsinėje technologijoje.

ULTRAGARSO TECHNIKA. Skiriami kontrolės ir matavimo ultragarsiniai įįrenginiai ir technologiniai ultragarsiniai įrenginiai. Technologinio ultragarsinio įrenginio pagrindinė dalis yra ultragarso šaltinis. Pramonėje vartojami šie technologiniai ultragarsiniai įrenginiai: plovimo ir galvaninės vonios; gręžimo pjovimo, graviravimo ir suvirinimo staklės; emulgatoriai; dispergatoriai; lituokliai; dulkių, suodžių, aerozolių ir suspensijų filtrai; kristalizatoriai; medicinoje – fizioterapijos aparatai; chirurginiai prietaisai; ultragarsiniai vibraciniai mikromanipuliatoriai; inhaliatoriai; chirurginių instrumentų, mėgintuvėlių, pipečių plovimo vonios.

Kauno politechnikos institute kuriami: ultragarsiniai interferometrai; nuotolio, temperatūros, srauto greičio matuokliai; skleidimo sistemos medicinos diagnostikos prietaisams; ultragarso intensyvumo matuokliai; vibraciniai varikliai. Vilniaus universitete tiriami akustoelektroniniai ir akustooptiniai keitikliai. Vilniaus radijo matavimų prietaisų mokslinio tyrimo institute kuriami medicinos diagnostikos prietaisai.

ULTRAGARSINĖ DIAGNOSTIKA – tai techninių įrenginių ir gyvų organizmų tyrimo ultragarso bangomis metodų visuma. Būna medicininė ir techninė, aktyvioji (tiriamos atsispindėjusios arba specialiai objekte sužadintos ultragarso bangos) ir pasyvioji (tiriamos paties objekto skleidžiamos ultragrso bangos).

MEDICININĖ ULTRAGARSINĖ DIAGNOSTIKA būna aktyvioji. Iš ultragarso bangų, atsispindėjusių nuo gyvų organizmų, sužinoma apie jų minkštųjų audinių būklę, struktūrą, erdvinę padėtį, jos parodo svetimkūnius, tulžies akmenis, navikus. Medicininei ultragarsinei diagnostikai dažniausiai naudojamos 0,8-15 MHz dažnių ultragarso bangos. Onkologijoje, gastroenterologijoje, akušerijoje naudojamasi ultragarsiniu prietaisu, kuris į tiriamą organizmą spinduliuoja trumpus (kelių mikrosekundžių trukmės) ultragarso signalus. Sklisdami audinyje, jie iš dalies atsispindi ir grįžta į pjezoelektrinį keitiklį. Informacijos apdorojimo įrenginyje jie stiprinami, ttransformuojami, iš ten siunčiami į elektroninį vamzdį. Jo ekrane gaunama vienmatė echograma, susidedanti iš daugelio skirtingos amplitudės ir formos impulsų. Kerdiologojoje naudojami ultragarsinės diagnostikos prietaisai, kurie atsispindėjusiais signalais moduliuoja elektrononio vamzdžio spindulio intensyvumą. Lėtai skleidžiant šitaip moduliuojamą spindulį, ekrane gaunama vienmatė echograma, rodanti, kaip su laiku kinta biologinės struktūros. Onkologijoje, akušerijoje, ginekologojoje, gastroenterologijoje, otorinolaringologijoje dažniau naudojami ultragarsinės diagnostikos prietaisai su dvimačiu indikatoriumi. Kad būtų gautas dvimatis vaizdas, ultragarso bangų spindulys kraipomas organizmo paviršiuje. Atsispindėję nuo audinių, ultragarso signalai moduliuoja elektronų spindulio intensyvumą. Elektrononio vamzdžio ekrane šitoks spindulys brėžia dvimatį organizmo skerspjūvio vaizdą. Ultragarsinis spektrometrinis analizatorius, analizuodamas įvairaus dažnio signalų, praėjusių per audinį, spektrą, rodo, kokia yra audinių mikrostruktūra. Kraujotaka, žmogaus gemalo judesiai tiriami dopleriniais matuokliais, kuriais matuojamas išspinduliuotų ir atsispindėjusių nuo judančios biol. struktūros nuolatinių signalų dažnių skirtumas.

ULTRAGARSO TERAPIJA – tai fizioteraoijos metodas – gydymas ultragarsu. Gydoma portatyviniais ir stacionariniais aparatais, skleidžiančiais impulsinį arba tolydinį ~900 kHz dažnio ultragarsą. Jį sukelia kintamoji elektros srovė, tekėdama kvarco, titano, bario ar kitais kristalais. Nedidelės ultragarso dozės mažina skausmą, spazmus, uždegimą, tonizuoja, stimuliuoja kraujotaką, limfos tekėjimą, regeneraciją, audinių mitybą. Ultragarsu gydomos kai kurios lėtinės periferinės nervų sistemos, judamojo aparato ligos.

TECHNINĖ ULTRAGARSINĖ DIAGNOSTIKA būna aktyvioji ir pasyvioji. Aktyvioji techninė ultragarsinė diagnostika: techniniame

įrenginyje arba jo dalyje sužadinamos ultragarso bangos; per jį sklindančių arba nuo jo atsispindėjusių ultragarso bangų charakteristikos analizuojamos. Pvz., matuojant aukštos teperatūros dujų ir plazmos srautuose ultragarso bangų sklidimo greitį ir dažnines sklaidos charakteristikas, nustatomos šių srautų sklidimo ypatybės. Pasyvioji techninė ultragarsinė daignostika: analizuojamos įrenginio spinduliuojamos ultragarso bangos, rodančios įrenginio trūkumus. Taip nustatoma judančių elementų (pvz., guolių) kokybė, randamos suslėgtų dujų nuotėkio vietos.

ULTRAGARSINĖ LOKACIJA – tai objekto susekimas ir jo koordinačių bei judėjimo parametrų matavimas ultragarso signalais. Būna pasyvioji ((objektas pats spinduliuoja ultragarso signalus). Pasyviąja ultragarsine lokacija matuojamos objekto kampinės koordinatės, o atstumas iki jo apskaičiuojamas, išmatavus kampines koordinates iš dviejų arba daugiau skirtingų taškų. Aktyviąja ultragarsine lokacija kampinės koordinatės matuojamos pagal ultragarso signalų atėjimo kryptį, o radialinis objekto greitis dažniausiai randamas pagal doplerinį dažnio pokytį. Atstumo matavimas: impulsiniais zonduojančiais ultragarso signalais matuojamas laiko intervalas tarp zonduojančio signalo išspinduliavimo ir atsispindėjusio signalo priėmimo momentų. Siunčiant nuolatinius signalus, atstumas randamas pagal atsispindėjusių signalų fazės arba dažnio pokyčių.

Ultragarsinės lokacijos įįrenginiai taip pat naudojami laivų navigacijoje, ultragarsinėje diagnostikoje, ultragarsinėje mikroskopijoje. Miniatiūriniai ultragarsiniai lokatoriai padeda orientuotis akliesiems.

ULTRAGARSINĖS STAKLĖS – tai staklės, kurios apdirba madžiagą ultragarso virpesiais. Jomis apdirbamos kietos (deimantas, kietlydiniai, grūgintasis plienas) ir trapios (keramika, stiklas, kvarcas) medžiagos. Virpesius ssukelia staklių špindelyje įtvirtintas magnetostrikcinis arba pjezokeraminis keitiklis (jį maitina elektrinis aukštojo dažnio generatorius). Jame įtaisytas darbo įrankis – peilis, grąžtas, sriegtuvas – virpina abrazyvų suspensija tepamą apdirbamos detalės paviršių; vyksta pavišiaus erozija, dėl to sparčiau nuimama drožlė, lengviau apdirbama. Būna universaliosios (štampams, presformoms ir sudėtingos konfigūracijos detalėms tiksliai ir glotniai apdirbti, detalėms žymėti, skylėms gręžti) ir specializuotosios (sriegiui įsriegti).

ULTRAGARSINIAI MATAVIMO PRIETAISAI – tai ultragarsiniai prietaisai iformacijai gauti ir apdoroti informacinėmis skaičiavimo sistemomis. Susideda dažniausiai iš dviejų ultragarsinių pjezoelektrinių keitiklių – siųstuvo ir imtuvo, elektrinių signalų generatoriaus, komutacinės ir informacijos apdorojimo sistemos (mikroprocesoriaus) ir rezultatų rodymo, spausdinimo arba įvedimo į elektroninę skaičiavimo mašiną įrenginio. Ultragarso siųstuvas skleidžia ultragarsą, kuris, atsispindėjęs nuo tiriamo objekto arba per jį praėjęs, patenka į uultragarso imtuvą. Palyginus išsiųstąjį signalą su atspindėtu arba per objektą praėjusiu signalu, gaunama reikiama informacija. Ultragarsiniai matavimo prietaisai buna medžiagos savybių ir sudėties (kietumo, struktūros, anizotropijos, koncentracijos) analizatoriai, atstumo matuokliai – echolotai, lygio signalizatoriai, altimetrai, profilografai, termometrai. Vartojami technologiniams ir biocheminiams procesams kontroliuoti (pvz., medicininiuose tyrimuose).

ULTRAGARSINIS APDIRBIMAS – tai elektrofizinis apdirbimo būdas – medžiaga veikiama ultrgarso virpesiais. Jie sukeliami dažniausiai elektroakustiniu keitkliu, sustiprinami koncentratoriumi, rezonansine plokštele. Stiprinimo įtaisas ar bangolaidis paprastai būna kartu ir darbo įrankis. Kietosios medžiagos uultragarsu suvirinamos, lituojamos ir alavuojamos (virpesiai suardo medžiagos paviršiuje oksidų plėvelę), apdirbamos pjovimu arba spaudimu (virpesių veikiama medžiaga lengviau deformuojama), sukietinamas jų paviršius. Ultragarsas sukelia skysčių kavitaciją; tai panaudojama medžiagoms disperguoti, dulkėms, riebalams, drožlėms nuo detalių paviršiaus valyti (valo erozinis ultragarsinės kavitacijos skystyje poveikis ir akustiniai srautai), chem. reakcijoms ir masės mainų procesams (tirpimui, ekstrakcijai, absorbcijai) pagerinti, skystam stiklui arba metalui degazuoti, rudų flotacijai, emulsijoms sudaryti, stambiamolekuliams junginiams polimerizuoti. Dujose ultragarsas sukelia aerozolių ir dulkių koaguliaciją, spartina dulkių nusėdimą (akustinis dulkių gaudytuvas), akytų medžiagų džūvimą.

ULTRAGARSINIS DISPERGAVIMAS – tai kietųjų medžiagų ir skysčių dalelių smulkinimas stipriu ultragarso lauku. Ultragarsiniu dispergavimu daromos dispersinės sistemos (suspensijos, emulsijos, aerozoliai). Kietosios medžiagos paprastai smulkinamos skystyje. Galingas ultragarsinio dažnio generatorius ir magnetostrikcinis arba pjezoelektrinis keitiklis skleidžia ultragarso bangas inde, kuriame yra smulkinamos medžiagos. Dispergavimo metu skystyje vyksta kavitacija. Akustiniai srautai smarkiai maišo skystį ir varo apdorojamą mišinį į poveikio zoną (prie keitiklio paviršiaus ar jo spinduliavimo židinio). Ten smūginės bangos, kurios kyla, sprogstant kavitaciniams burbuliukams, ardo ir smulkina kietas daleles (gaminant suspensiją) arba nesimaišančių skysčių paviršines plėveles (darant emulsiją).

ULTRAGARSINĖ DEFEKTOSKOPIJA – defektoskopija, kuria ieškoma gaminio paviršinių bei vidinių defektų ultragarso virpesiais. Jie sukeliami ir priimami ultragarsiniu keitikliu. Defektų ieškoma šiais metodais: aido (pakinta atspindėtų bbangų intensyvumas), šešėlio (pakinta pro dfektinę vietą praėjusių bangų intensyvumas arba fazė), rezonanso (pakinta rezonansinių virpesių dažnis: jis defektinėse vietose mažesnis), laisvųjų virpesių (pakinta virpesių spektras), impedanso (pakinta mechaninis pasipriešinimas), velosimetriniu (pakinta bangų sklidimo greitis). Matavimo rezultatai matomi osciloskopo ekrane, registruojami savirašiu prietaisu arba apdorojami elektrononiais skaičiavimo įrenginiais. Šiuo būdu randami suvirintųjų siūlių, bėgių, daugiasluoksnių konstrukcijų ir kitų metalinių ir nemetališkųjų gaminių defektai.

ULTRAGARSINIS LITAVIMAS – tai litavimas lituoklio antgaliu, kuris vibruoja ultragarsiniu dažniu. Taip lituojamas aliuminis ir jo lydiniai. Kaitinamo aliuminio pavišius apsitraukia oksido plėvele, kuri neleidžia išlydytam lydmetaliui prilipti prie metalo paviršiaus. Vibruojantis lituoklio antgalis suardo oksido plėvelę, dėl to lydmetalis susiliečia su švariais lituojamų detalių paviršiais ir juos sujungia.

ULTRAGARSINĖ VIZUALIZACIJA – ultragarso lauką apibūdinančių parametrų ir jame esančių objektų regimojo vaizdo gavimas. Garso lauko vizualizacijos metodais vizualizuojama akustinis slėgis, dalelių virpesių amplitudė, aplinkos tankio pokyčiai. Šiam tikslui naudojama netiesiniai ultragarso lauko efektai (radiacinis slėgis, akustinės srovės), difuzijos procesų suintensyvėjimas, ultragarso poveikis fotografinėms medžiagoms, skysčio degazacija, akustinė kavitacija, holografija (ultragarso bangų amplitudžių, fazių registravimas šioms bangoms jautrioje aplinkoje), ultragarso liuminesencija, šviesos difrakcija ultragarso lauke.

ULTRAGARSINIS SUVIRINIMAS – tai suvirinimo spaudimu būdas, kai detalės sujungimo vietoje veikiamos aukštojo dažnio mechaniniais virpesiais (ultragarsu) ir suspaudžiamos. Suvirinama taškinio (pav.) arba iištisinio suvirinimo ultragarsinės mašinomis; virpesius sukelia vandeniu aušinamas magnetostrikcinis keitiklis, kurį maitina ultragarso generatorius. Ultragarso virpesiai per bangolaidį virpina spaudimo mechanizmo spaudžiamas detales, ir jos dėl difuzijos sukimba; detalės susivirina per 0,1-5 s. Pranašumai: galima sujungti itin plonas ir nevienodos masės detales, chemiškai aktyvius metalus, be to, sujungimo vieta neužgrūdinama. Taip virinami aliuminio, vario, nikelio, nerūdijančiojo plieno, niobio, titano, molibdeno, volframo lakštai, kaulų audiniai, termoplastikai, sintetinio pluošto audiniai, keramika. Šiuo būdu jungiamos radiotechnikos, elektrotechnikos, elektronikos detalės ir mazgai.

ULTRAGARSINIS VALYMAS – kietų paviršių valymas stipriu ultragarsu ir plaunamuojuskysčiu. Remiasi reiškiniais, kuriuos stiprus ultragarso laukas sukelia skystyje: kavitacija, akustiniais srautais, radiaciniu slėgiu, ultragarsiniu kapiliariniu efektu. Dėl jų poveikio suardoma taršalų plėvelė valomame paviršiuje, nuo jo atsiskiria nešvarumai, jie emulsuojami ir ištirpdomi. Ultragarsinio valymo įrangą sudaro plovimo vonia, ultragarso (18-22 kHz) generatorius ir elektroakustinis keitiklis, sukeliantis 0,5-10 W/cm² stiprumo ultragarsą. Keitiklis dažnai tvirtinamas prie vonios dugno (pav.). Vonios būna nuo dešimtųjų litro iki kelių šimtų litrų tūrio, ultragarso generatorių galia – nuo 50 W iki kelių dešimčių kilovatų. Ultragarsas padeda nuplauti riebalus, pašalinti lakų, dažų, nuodėgių, oksidų, korozijos produktų, abrazyvo liekanas. Valoma greitai, švariai, be mech. priemonių, rankų darbo, agresyvių, degių ir nuodingų tirpiklių. Ultragarsinis valymas dažniausiai būna tarpinė technologinė operacija (pvz.,

prieš dengimą).

Related Posts