Три основных направления применения ультразвука в медицине - это ультразвуковая диагностика, «ультразвуковой скальпель» и ультразвуковая физиотерапия. Начнем рассказ с двух последних.
«Ультразвуковой скальпель» используют прежде всего там, где необходимо точное и ограниченное воздействие, где каждый лишний миллиметр разрушенной ткани может вызвать тяжелые последствия, как, например, при хирургическом лечении глазных болезней, при пластических операциях лица и т. п. Фокусировка ультразвука в небольшой по размерам заданной области дает возможность воздействовать на глубоко расположенные структуры организма. Это особенно важно при проведении нейрохирургических операций на головном мозге, при операциях разрушения добавочных проводящих путей сердца. С повышением частоты ультразвука его действие предельно локализуется. Например, при частоте 4 мГц можно подвергнуть разрушению участок ткани объемом всего 0,05 мм куб., причем окружающие ткани остаются неповрежденными.
Для лечения глазных болезней ультразвук впервые применили медики в Одесском НИИ глазных болезней и тканевой терапии им. В. П. Филатова, известном разработкой ряда новых методов лечения помутнения роговицы, катаракты травматического происхождения, отслойки сетчатки и др. Низкочастотный ультразвук частотой 20-40 кГц был использован для расширения слезного канала, а также при операциях на роговице.
Операцию при катаракте (помутнении хрусталика) обычно делают только после ее созревания, когда зрение уже утрачено полностью. В естественных условиях этот процесс иногда длится годами. «Озвучивание» ультразвуком ускоряет его до нескольких минут, что позволяет провести операцию в более ранние сроки и с лучшими результатами. Для проведения этой операции был разработан оригинальный ультразвуковой инструмент в виде пустотелой иглы толщиной 1 мм, заключенной в тонкую силиконовую оболочку и соединенной с ультразвуковым генератором. Наблюдая в микроскоп за движением иглы, хирург подводит ее вплотную к хрусталику и включает ультразвук. Под действием ультразвука через несколько мгновений помутневший хрусталик разжижается. Образующаяся жидкость вымывается из капсулы дезинфицирующим раствором, поступающим через зазор между иглой и ее футляром, и отсасывается через внутренний канал иглы. Течение послеоперационного периода после такой операции значительно сокращается.
Фокусированный ультразвук был применен для того, чтобы задержать грозящую слепотой отслойку сетчатки. Его направленное воздействие в нескольких точках фиксирует сетчатку к подлежащим тканям. Во многих случаях ультразвук помогает обойтись без операции при глаукоме. Основной симптом при этом заболевании - повышение внутриглазного давления. Склеру глаза «озвучивают» ультразвуком в нескольких точках, после чего внутриглазное давление снижается. По данным американских врачей, этот метод эффективен в 80% случаев.
Разрушающее действие ультразвука также используют для удаления тромбов из крупных сосудов. Через отверстие, сделанное специальной иглой, хирург вводит в сосуд тонкий ультразвуковой волновод и осторожно продвигает его к тромбу. После 10-12 с «озвучивания» тромб перестает существовать, а из просвета сосуда вымывают образовавшееся жидкое содержимое и отсасывают его через ту же иглу. Инструмент извлекают, а отверстие «запаивают» ультразвуковым сварным швом.
Применяют ультразвук и при хирургическом лечении заболеваний уха, горла, носа. Операции по удалению набухших тканей хронически воспаленной слизистой оболочки носа и по исправлению искривления носовой перегородки делают в большинстве случаев при помощи скальпеля, долота и молотка. Позже разработали ультразвуковую аппаратуру для этой операции. Ультразвуковой инструмент позволил проводить ее бескровно, почти безболезненно и к тому же во много раз быстрее. Та же группа российских медиков разработала ультразвуковой скальпель для проведения трахеотомии (рассечения трахеи). Эту операцию производят обычно по жизненным показаниям - при внезапно наступившем удушье. Здесь дорого каждое мгновение, а применение ультразвука позволяет сэкономить целых 10 минут.
По мнению многих медиков, ультразвуковой метод, несомненно, расширяет возможности хирургического лечения больных с различной патологией легких и плевры. Врачи проводят операции на грудной клетке с помощью ультразвука. Ультразвуковой инструмент разрезает и соединяет грудину, ребра, бронхи, бужирует суженные артерии. В практику внедряются длинные гибкие ультразвуковые волноводы для манипуляций на трахее и бронхах, разработанные впервые в мире группой советских ученых. Проводятся экспериментальные исследования по соединению лоточной ткани и закрытию культи бронха при помощи ультразвука.
Ученые разработали и применили метод ультразвуковой резки и соединения костной ткани при помощи ультразвуковой сварки - сначала в многочисленных опытах на животных, а позже и в клинике. Чтобы резать кость обыкновенной пилой, надо отслоить от нее мягкие ткани на довольно большом протяжении, а для ультразвуковой пилы достаточно отверстия в мягких тканях диаметром 1 см. Это имеет особое значение при трепанации черепа, резекции ребер и др.
Метод ультразвуковой наплавки костной ткани состоит в том, что полость, образовавшуюся в кости после удаления патологического очага, заполняют костной стружкой, которую пропитывают специальным присадочным материалом и «озвучивают» ультразвуком. После «озвучивания» вся эта масса превращается в конгломерат, прочно спаянный с костью. Также ультразвук применяется для соединения тканей печени, селезенки, эндокринных желез.
Уже много лет ультразвуковые аппараты используют в стоматологии для снятия зубного камня, а в последние годы - также для лечения кариеса и его осложнений. Между рабочим концом ультразвукового вибратора и зубом помещают абразив (взвешенный в воде порошок окиси алюминия, бора и т. п.). Частицы абразива, ударяясь о ткань зуба, постепенно снимают с нее слой за слоем. Полученная полость воспроизводит форму конца вибратора. Ее стенки гладко отполированы. Качество пломбирования также лучше, так как под влиянием «озвучивания» меняется структура и повышается плотность пломбировочного материала. Ультразвуковое лечение зуба бесшумно. Выделение тепла, а значит, и нагрев зуба при нем слабее, чем при сверлении вращающимся бором. Поэтому болевые ощущения у большинства пациентов отсутствуют или минимальны. В данном случае это несомненное достоинство ультразвука оборачивается его недостатком. При практически безболезненном ультразвуковом лечении пульпита врачу трудно определить момент приближения к нерву. Поэтому ультразвуковые бормашины могут использовать только опытные специалисты.
Дробящее действие ультразвука может быть использовано и для разрушения камней мочеточника. Ультразвуковой инструмент дробит камень за 5-60 с, в зависимости от размеров и плотности камня.
Ультразвуковой скальпель ни по виду, ни по принципу действия не похож на хирургический. Внешне он напоминает миниатюрную двухступенчатую ракету, которая легко умещается в руке. Первая ее ступень содержит ультразвуковой вибратор, действие которого основано на принципе магнитострикции (от латинского слова «стрикцио» - сжатие).
Суть явления магнитострикции заключается в том, что некоторые металлы, попадая в магнитное поле, изменяют свои геометрические размеры. Если на стержень из такого ферромагнитного материала намотать медную проволоку и пропустить через нее переменный ток с частотой, соответствующей частотам ультразвука, то стержень с той же частотой будет изменять свои размеры. Так как амплитуда изменений размеров вибратора очень мала, то для ее усиления предназначен концентратор ультразвука (вторая ступень «ракеты»). Концентратор сужается от основания к верхушке, размах колебаний которой в десятки раз больше, чем у основания, меняющего положение вместе с вибратором. Амплитуда колебаний верхушки концентратора достигает 50-60 мк, а частота - 25-50 кГц. Ультразвуковой скальпель работает как острая микропила. За счет энергии ультразвуковых колебаний он разделяет ткань на границах контакта клеточных мембран, почти не повреждая самих клеток, что способствует лучшему и более быстрому заживлению. Слегка повернув инструмент и тем самым изменив направление ультразвукового луча, можно изменить направление разреза без расширения оперативного доступа. При рассечении ткани ультразвук останавливает капиллярное кровотечение. Важно также и то, что применение ультразвука заметно снижает болезненность хирургического вмешательства.
Хирургическая ультразвуковая техника в настоящее время входит в арсенал практической медицины. Она используется наряду с традиционными хирургическими инструментами, электрокоагуляционными, лазерными и другими методами, с учетом особенностей заболевания, показаний и противопоказаний. По мере усовершенствования и увеличения выпуска ультразвуковой аппаратуры для хирургических вмешательств внедрение ее в практику будет расширяться.
Физические явления, возникающие при воздействии ультразвука на жидкости, были положены в основу новой методики лечения ран, разработанной российскими учеными. В рану вводят растворы антибиотиков или антисептиков, которые «озвучивают» с помощью ультразвукового волновода. Озвученная жидкость удаляет омертвевшие ткани, производит массаж раневой поверхности, улучшает кровообращение в ней. Улучшается и диффузия лекарственных веществ, уменьшаются болезненные ощущения при перевязке, снижается бактериальная загрязненность раны, что способствует более быстрому и гладкому заживлению. Заметно сокращаются сроки лечения таких больных в стационаре.
Отдельным направлением применения ультразвука в медицине является ультразвуковая физиотерапия.
Механизм физиологического действия лечебного ультразвука на ткани живого организма пока выяснен не полностью. Принято различать три основных фактора влияния ультразвука: механический, тепловой и физико-химический. Механическое действие заключается в вибрационном микромассаже тканей на клеточном и субклеточном уровнях, повышающем проницаемость клеточных мембран и обмен веществ в клетках и тканях организма. Тепловое действие ультразвука при его малых интенсивностях, применяемых с лечебной целью, незначительно. Тепло может накапливаться в основном в тканях, больше всего поглощающих ультразвуковую энергию (нервной, костной), а также границах сред с различным акустическим сопротивлением (на границе кости с мягкими тканями) и в местах с недостаточным кровообращением.
Физико-химическое действие ультразвука связано главным образом с тем, что применение акустической энергии вызывает механический резонанс в веществе живых тканей. При этом ускоряется движение молекул, усиливается их распад на ионы, изменяется электрическое состояние клеток и околоклеточной жидкости, образуются новые электрические поля, усиливается диффузия через биологические мембраны, активизируются обменные процессы,
При воздействии ультразвука на кожу улучшается ее барьерно-защитная функция, усиливается деятельность потовых и сальных желез, активизируются процессы регенерации. Интересно, что чувствительность кожи различных областей тела к ультразвуку неодинакова: в области лица и живота она выше, чем в области конечностей.
При воздействии ультразвука на нервную систему мощностью 0,5 Вт/см кв. увеличивается скорость проведения возбуждения по нервным волокнам, а при более высокой интенсивности - 1 Вт/см кв. - она уменьшается. Ультразвук умеренной интенсивности обладает противоспазматическим действием - он снимает спазмы бронхов, желче- и мочевыводящих путей, кишок, усиливает мочеотделение. Под его влиянием нормализуется тонус сосудов и улучшается кровоснабжение тканей, повышается усвоение ими кислорода.
Ультразвук применяют для лечения хронического тонзиллита. Пораженные миндалины «озвучивают» ультразвуком малой интенсивности, благодаря чему снижается активность болезнетворных микроорганизмов, улучшается питание тканей, активизируются иммунобиологические процессы. В итоге такое амбулаторное лечение помогает сохранить миндалины, играющие важную роль в защитных реакциях организма. Ростовские медики разработали оригинальную методику ультразвукового массажа глаз. На глаз больного после закапывания обезболивающего препарата накладывают рамку-кольцо и включают ультразвук. После десятка сеансов такого ультразвукового массажа у больных с начальной формой глаукомы внутриглазное давление нормализуется.
В гинекологии ультразвук используют для лечения эрозии шейки матки. Уже после двух-трех ультразвуковых процедур, проводимых с промежутком 1-2 дня, эрозия начинала заживать, а через месяц у большинства больных она полностью исчезала.
Одной из специализаций ультразвуковой терапии становится лечение аденомы предстательной железы. Этому заболеванию подвержены мужчины преимущественно пожилого возраста. Лечение и большинстве случаев оперативное. Применение ультразвуковой терапии при аденоме предстательной железы и простатите дает хороший результат: после нескольких процедур у больных почти полностью исчезла боль, нормализовалось мочеиспускание, улучшилось общее состояние. «Озвучивание», проведенное после операции удаления железы, способствует лучшему течению послеоперационного периода.
Наиболее широко используют ультразвуковую терапию при остеохондрозе, артрозе, радикулите и других заболеваниях периферической нервной системы и опорно-двигательного аппарата.
Ультразвуковое лечение не рекомендуется применять при острых инфекционных заболеваниях, стенокардии, аневризме сердца, гипертонической болезни II Б и III стадий, болезнях крови, склонности к кровотечениям, а также при беременности. Раньше к противопоказаниям относили также наличие злокачественных опухолей. Но в последнее время изучается вопрос о применении ультразвуковой терапии для их лечения как отдельно, так и в сочетании с рентгенотерапией.
Иногда ультразвук применяют в сочетании с различными лекарственными веществами. Этот метод назван фонофорезом, хотя правильнее было бы назвать его ультрафонофорезом. В основе метода лежит повышение проницаемости кожи, слизистых оболочек, клеточных мембран и улучшение местной микроциркуляции под влиянием ультразвука. Все это помогает введению ряда лекарственных веществ через кожу и слизистые.
В настоящее время применяют фонофорез многих лекарственных препаратов, таких как гидрокортизон, анальгин, аминазин, интерферон, компламин, гепарин, экстракт алоэ, ФиБС, целый ряд антибиотиков и др. Вместе с тем было установлено, что некоторые лекарственные вещества, например, эуфиллин, аскорбиновая кислота, тиамин (витамин B1) и другие при «озвучивании» ультразвуком или не проникают в организм, или разрушаются. Иногда при фонофорезе сначала озвучивают кожу или слизистую оболочку ультразвуком, а затем после удаления контактной среды наносят лекарственное вещество в виде примочки или мази. Но чаще процедура производится так же, как обычное ультразвуковое облучение. Лекарственные вещества предварительно накладывают на поверхность кожи или слизистой оболочки в виде водного раствора, эмульсии или мази. Они выполняют также роль контактной среды при озвучивании. При фонофорезе, так же как и при «озвучивании» без применения лекарств, используют две методики: стабильную и лабильную. При первой вибратор во время процедуры остается неподвижным, при второй - он медленно передвигается по поверхности кожи или слизистой.
В последние годы изучаются возможности применения ультрафонопунктуры, фокусированного ультразвука, биоуправляемого и биосинхронизированного ультразвукового воздействия. Сфера применения ультразвуковой терапии продолжает расширяться.
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Двадцать первый век - век атома, покорения космоса, радиоэлектроники и ультразвука. Наука об ультразвуке сравнительно молодая. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены русским ученым - П.Н. Лебедевым в конце XIXвека, а затем ультразвуком занимались Ж.-Д. Колладон, Ж. и П. Кюри, Ф. Гальтон.
В современном мире ультразвук играет все большую роль в научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое направление химии - ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-технологические процессы. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики - молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука. Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ.
Посещая больницу, я видела приборы, работа которых основывается на ультразвуке. Такие приборы позволяют обнаруживать различные однородности или неоднородности вещества в тканях человека, опухоли мозга и другие образования, патологические состояния мозга, дают возможность контролировать ритмичность работы сердца. Мне стало интересно, как же с помощью ультразвука работают эти установки, и вообще, что такое ультразвук. В школьном курсе физики про ультразвук и его свойства ничего не говорится, и я решила изучить ультразвуковые явления сама.
Цель работы : изучить ультразвук, экспериментально исследовать его свойства, изучить возможности применения ультразвука в технике.
Задачи:
теоретически рассмотреть причины образования ультразвука;
получить ультразвуковой фонтанчик;
исследовать свойства ультразвуковых волн в воде;
исследовать зависимость высоты фонтанчика отконцентрации растворенного вещества для разных растворов (вязкие и невязкие);
изучить современные применения ультразвука в технике.
Гипотеза: ультразвуковые волны обладают теми же свойствами, что и звуковые волны (отражение, преломление, интерференция), но за счет большей проникающей способности в веществе ультразвук имеет больше возможностей применения в технике; при увеличении концентрации раствора (плотности жидкости) высота ультразвукового фонтанчика уменьшается.
Методы исследования:
Анализ и отбор теоретической информации; выдвижение гипотезы исследования; эксперимент; проверка гипотезы.
II. - Теоретическая часть.
1. История возникновения ультразвука.
Внимание к акустике было вызвано потребностями морского флота ведущих держав - Англии и Франции, т.к. акустический - единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году французские учёныеЖ.-Д. Колладон и Ш.-Ф. Штурм определили скорость звука в воде. Их эксперимент считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась учеными на расстоянии 10 миль. Также был слышен звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, была вычислена скорость звука - 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.
В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт корабля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола (как, впрочем, и подрыв в воде пороховых патронов), давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки, то есть переходить на ультразвук.
Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин ФрэнсисГальтон. Ультразвук создавался подобно свисту на острие ножа, если на него дуть. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух или другой газ, выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на кромку, и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.
В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо "пьезоэлектричество" от греческого слова, означающего "нажать". Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Эта вибрация происходила с ультразвуковой частотой. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.
Явление электрострикции (обратный пьезоэлектрический эффект) обусловлено ориентацией и плотной упаковкой части молекул воды вокруг ионных групп аминокислот и сопровождается уменьшением теплоемкости и сжимаемости растворов биполярных ионов. Явление электрострикциизаключается в деформации данного тела в электрическом поле. Вследствие явления электрострикции внутри диэлектрика возникают механические силы. Хотя явления электрострикции и наблюдаются у многих диэлектриков, но у большинства кристаллов они слабо выражены. У некоторых кристаллов, например у сегнетовой соли и титаната бария, явление электрострикции протекает весьма интенсивно.
III. - Практическая часть.
Создание ультразвуковых фонтанчиков.
Для получения ультразвука в работе использовались 2 разные ультразвуковые установки: 1) школьная ультразвуковая установка УД-1 и 2) Установка ультразвуковая демонстрационная УД-6.
Для получения фонтана взяли линзовый стакан и разместили сверху излучателя так, чтобы между дном стакана и пьезоэлементом не образовались воздушные пузырьки, сильно мешающие опытам. Для этого стакан ставили путем передвижения дном по крышке излучателя до попадания стакана в уступ излучателя. Установив линзовый стакан правильно, начали проводить наблюдения.Налили в линзовый стакан обычной питьевой воды.
Примерно через минуту после подачи генератору питания от сети наблюдали ультразвуковой фонтан (приложение 1, рис. 1), который настраивается ручкой подстройки частоты и регулировочными винтами. Вращая ручку подстройки частоты, получили фонтан такой высоты, что вода начала выбрызгиваться за край стакана (приложение 1, рис. 3, 12). Снова отверткой повернулиподстроечный конденсатор, уменьшили фонтан и продолжали регулировку винтом до нового максимума фонтана (максимальная высота фонтана 13-15см).Одновременно с возникновением фонтана появлялся водяной туман, являющийся результатом кавитационного явления (приложение 1, рис. 2).
Понижение фонтана с разбрызгиванием жидкости объясняется уходом плоскости уровня жидкости в сосуде от фокуса ультразвуковой линзы, вследствие понижения уровня. Для длительного наблюдения фонтана поместили последний в стеклянную трубку, по внутренней стенке которой фонтанирующая жидкость стекает, поэтому ее уровень в сосуде не изменяется. Для этого взяли трубку высотой 50 см с диаметром не более внутреннего диаметра линзового стакана (d=3см). При применении стеклянной трубки в линзовый стакан налили жидкость на 5 мм ниже верхнего края стакана для сохранения уровня жидкости, вследствие разбрызгивания ее на внутреннюю стенку трубки (приложение 1,рис. 4, 5, 6).
Наблюдение свойств ультразвука .
Для того чтобы получить отражение волн, в кювету с глицерином и сверху налитой водой внесли плоскую металлическую пластину и расположили ее под углом 45 0 к поверхности воды. Включили генератор и добивались образования стоячих волн (приложение 1,рис. 10), которые получаются в результате отражения волн от внесенной пластинки и стенки кюветы. В этом опыте одновременно наблюдали и интерференцию волн (приложение 1,рис. 8, 9). Провели точно такой же опыт, но вниз налили крепкий раствор марганцовокислого калия с водой (приложение 1,рис. 11), затем глицерин и сверху воду. В этом опыте добились еще и преломления волн: при переходе ультразвуковых волн через границу раздела двух жидкостей наблюдали изменение длины стоячей волны, в глицерине ее волна получается больше, чем в воде и растворенном в ней марганце, что объясняется различием скорости распространения ультразвука в указанных жидкостях.Также получили явление коагуляции частиц: в кювету с чистой водой добавили крахмал, тщательно перемешали; после включения генератора увидели, как частицы собираются в узлах стоячих волн и после выключения генератора падают вниз, очищая воду.Таким образом, в данных опытах пронаблюдали отражение, преломление, интерференцию ультразвука и коагуляцию частиц.
Наблюдение зависимости высоты фонтанчика от размера молекулы растворенного вещества и вида раствора.
Провелипроверку выдвинутой гипотезы о зависимости высоты ультразвукового фонтанчика от плотности жидкости (концентрации раствора) и размера молекулы. Для этого плотность изменяли путем растворения в ней веществ с разным размером молекулы (крахмал, сахар, яичный белок).
|
Зависимость высоты фонтанчика от размера молекулы растворенной частицы и концентрации раствора при постоянныхчастоте, напряжении, объеме жидкости-25 мл (с точностью до десятых) |
||||
|
Номер опыта |
Растворитель |
Растворенное вещество |
Концентрация раствора |
Наблюдения |
|
Вода + крахмал |
||||
|
Первоначальная концентрация, вспучивания воды 2мм, появились кольца |
||||
|
Концентрация в 2 раза ниже, фонтан высотой 5 см, появился водяной туман |
||||
|
Концентрация в 4 раза ниже, фонтан высотой 7-8 см, появился водяной туман |
||||
|
Концентрация в 8 раз ниже, фонтан высотой 12-13 см, появился водяной туман |
||||
|
Вода + сахар |
||||
|
Первоначальная концентрация, фонтан высотой 13-14 см, появился водяной туман |
||||
|
Концентрация в 2 раза ниже, фонтан высотой 12-13 см, появился водяной туман |
||||
|
Концентрация в 8 раз ниже, фонтан высотой 6-7 см, появился водяной туман |
||||
|
Яичный белок |
Вода + яичный белок |
|||
|
Первоначальная концентрация, фонтан высотой 3-4 см, появился водяной туман |
||||
|
Концентрация в 2 раза ниже, фонтан высотой 6-7 см, появился водяной туман |
||||
|
Концентрация в 4 раза ниже, фонтан высотой 8-9 см, появился водяной туман |
||||
|
Концентрация в 8 раз ниже, фонтан высотой 10-11 см, появился водяной туман |
||||
Для того чтобы узнать, как высота фонтанчика зависит от плотности раствора и размера молекулы растворенного вещества, провели следующие опыты. При постоянных частоте, напряжении и объеме жидкости (25мл) облучала ультразвуком воду, с растворенными в ней крахмалом, сахаром, яичным белком. Для каждого вещества проводила 4 опыта, при каждом последующем уменьшала концентрацию веществ в 2 раза, т. е. во втором опыте концентрация ниже в 2 раза, в третьем опыте - ниже в 4 раза, в четвертом - ниже в 8 раз. Все наблюдения записала и оформила в таблицу, приведенную выше. Также в приложении приводится диаграмма, в которой наглядно видно, как уменьшается концентрация веществ (приложение 2, диаграмма 1).
Таким образом, получила зависимость высоты фонтанчика от концентрации веществ (приложение 2, диаграмма 2), причем в опытах с яичным белком и крахмалом высота фонтанчика увеличилась, а в опытах с сахаром она уменьшилась.
Это объясняется тем, что молекулы крахмала и белка - это биологические полимеры (ВМС - высокомолекулярные соединения). При растворении в воде они образуют коллоидные растворы (диаметр коллоидной частицы - 1-100 нм) с высокой вязкостью. Из-за наличия большого количества гидроксогрупп (-ОН), в молекулах таких веществ (между молекулами воды и крахмала, воды и белка) образуются водородные связи, что способствует более равномерному распределению частиц в растворе, что отрицательно отражается на передаче волн.
Сахар - димер (С 12 Н 22 О 11)n, его растворение приводит к образованию истинного раствора (размеры частиц растворенного вещества сравнимы с размерами молекул растворителя), невязкого, с высокой проникающей способностью, такая структура раствора способствует более сильной передаче энергии волны.
Таким образом, для вязких жидкостей с увеличением концентрации раствора высота ультразвукового фонтанчика уменьшается, а для невязких жидкостей с увеличением концентрации раствора высота ультразвукового фонтанчика увеличивается.
IV. -Технические применения ультразвука.
Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:
получение информации о веществе;
воздействие на вещество;
обработка и передача сигналов.
Зависимость скорости распространения и затухания акустических волн от свойств вещества и процессов, в них происходящих, используется в следующих исследованиях:
изучение молекулярных процессов в газах, жидкостях и полимерах;
изучение строения кристаллов и других твёрдых тел;
контроль протекания химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и др.;
определение концентрации растворов;
определение прочностных характеристик и состава материалов;
определение наличия примесей;
определение скорости течения жидкости и газа.
Информацию о молекулярной структуре вещества даёт измерение скорости и коэффициента поглощения звука в нём. Это позволяет измерять концентрацию растворов и взвесей в пульпах и жидкостях, контролировать ход экстрагирования, полимеризации, старения, кинетику химических реакций. Точность определения состава веществ и наличия примесей ультразвуком очень высока и составляет доли процента.
Измерение скорости звука в твёрдых телах позволяет определять упругие и прочностные характеристики конструкционных материалов. Такой косвенный метод определения прочности удобен простотой и возможностью использования в реальных условиях.
Ультразвуковые газоанализаторы осуществляют слежение за процессами накопления опасных примесей. Зависимость скорости УЗ от температуры используется для бесконтактной термометрии газов и жидкостей.
На измерении скорости звука в движущихся жидкостях и газах, в том числе неоднородных (эмульсии, суспензии, пульпы), основаны ультразвуковые расходомеры, работающие на эффекте К. Допплера. Аналогичная аппаратура используется для определения скорости и расхода потока крови в клинических исследованиях.
Большая группа методов измерения основана на отражении и рассеянии волн ультразвука на границах между средами. Эти методы позволяют точно определять местонахождение инородных для среды тел и используются в таких сферах как:
гидролокация;
неразрушающий контроль и дефектоскопия;
медицинская диагностика;
определения уровней жидкостей и сыпучих тел в закрытых ёмкостях;
определения размеров изделий;
визуализация звуковых полей — звуковидение и акустическая голография.
Отражение, преломление и возможность фокусировки ультразвука используется в ультразвуковой дефектоскопии, в ультразвуковых акустических микроскопах, в медицинской диагностике, для изучения макронеоднородностей вещества. Наличие неоднородностей и их координаты определяются по отражённым сигналам или по структуре тени.
Методы измерения, основанные на зависимости параметров резонансной колебательной системы от свойств нагружающей его среды (импеданс), применяются для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкостей, для измерения толщины деталей, доступ к которым возможен только с одной стороны. Этот же принцип лежит в основе УЗ твердомеров, уровнемеров, сигнализаторов уровня. Преимущества УЗ методов контроля: малое время измерений, возможность контроля взрывоопасных, агрессивных и токсичных сред, отсутствие воздействия инструмента на контролируемую среду и процессы.
V. - Заключение:
В процессе выполнения исследовательской работы я теоретически рассмотрела причины образования ультразвука; изучила современные применения ультразвука в технике:ультразвук позволяет узнать молекулярную структуру вещества,определять упругие и прочностные характеристики конструкционных материалов,осуществлять слежение за процессами накопления опасных примесей; используется в ультразвуковой дефектоскопии, в ультразвуковых акустических микроскопах, в медицинской диагностике, для изучения макронеоднородностей вещества,для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкостей, для измерения толщины деталей, доступ к которым возможен только с одной стороны. Экспериментально получила ультразвуковой фонтанчик: установила, что максимальная высота фонтанчика 13-15 см, (зависит от уровня воды в стакане, частоты ультразвука, концентрации раствора, вязкости раствора). Экспериментально исследовала свойства ультразвуковых волн в воде: определила, что свойства ультразвуковой волны такие же, как и у звуковой волны, но все процессы, благодаря высокой частоте ультразвука, происходят с большим проникновением в глубину вещества.
Проведённые эксперименты доказали, что ультразвуковой фонтанчик можно использовать для исследования свойств растворов, таких как концентрация, плотность, прозрачность, величина растворённых частиц. Данный метод исследования отличается быстротой и простотой выполнения, точностью исследования, возможностью легко сравнивать различные растворы. Подобные исследования актуальны при осуществлении экологических мониторингов. Например, при изучении состава хвостохранилища горных разработок в г. Оленегорске на различной глубине или для мониторинга воды на очистных сооружениях.
Таким образом, я подтвердила свою гипотезу, что ультразвуковые волны обладают теми же свойствами, что и звуковые волны (отражение, преломление, интерференция), но за счет большей проникающей способности в веществе ультразвук имеет больше возможностей применения в технике. Гипотеза о зависимости высоты ультразвукового фонтанчика от плотности жидкости подтвердилась частично: при изменении концентрации растворенного вещества изменяется плотность и изменяется высота фонтанчика, но передача энергии ультразвуковой волны зависит в большей степени от вязкости раствора, поэтому для разных жидкостей (вязкие и невязкие) зависимость высоты фонтанчика от концентрации оказалась различной.
VI. - Библиографический список:
Мясников Л.Л. Неслышимый звук. Ленинград «Судостроение», 1967. 140 с.
Паспорт Установка ультразвуковая демонстрационная УД-76 3.836.000 ПС
Хорбенко И.Г. Звук, ультразвук, инфразвук. М., «Знание», 1978. 160 с. (Наука и прогресс)
Приложение 1
|
1 рисунок |
2 рисунок |
3 рисунок |
|
4 рисунок |
5 рисунок |
6 рисунок |
|
7 рисунок |
8 рисунок |
9 рисунок |
|
10 рисунок |
11 рисунок |
12 рисунок |
Приложение 2
Диаграмма 1
АКУСТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС
Для увеличения интенсивности звука, производимого источником, используют объемные колебательные системы, настроенные в резонанс с источником. Например, камертон в руке звучит едва слышно (правда, зато и долго), но если его поставить на крышку настроенного на частоту камертона деревянного ящика с одним открытым концом, то звучание камертона значительно усиливается. При этом время звучания, естественно, сокращается. Струнные музыкальные инструменты содержат деревянные «ящики» - резонаторы. Сложная форма этих резонаторов обусловлена необходимостью обеспечить достаточно широкую полосу собственных частот инструмента: «ящик» должен резонировать более или менее одинаково на звуки всех частот, производимых струнами.
Объемные колебательные системы могут резонировать с источником не только на своей основной частоте, но и на частотах обертонов. Например, если над открытым концом цилиндрической вертикальной трубки, частично погруженной в воду, держать звучащий камертон, а трубку постепенно поднимать, то резонанс наступает при различной длине воздушного столба. Резонанс при большей длине воздушного столба и означает, что он произошел на обертоне, так как основная частота столба воздуха с увеличением его длины уменьшается (частота камертона остается неизменной).
Акустический резонанс нашел применение при анализе частотного состава сложного звука.
Для этой цели Гельмгольц сконструировал набор объемных резонаторов. Входящие в состав сложного звука простые тона возбуждают те резонаторы, собственная частота которых совпадает с частотой данного тона. В настоящее время этот способ утратил свое значение в технике. Современные анализаторы спектра звука сначала преобразуют звуковые колебания в электрические, которые затем анализируются электрическими цепями.
В природе, однако, акустические анализаторы не утратили своего значения. Основной частью слухового органа является мембрана, размещенная в полости, заполненной жидкостью и содержащей несколько тысяч волокон, имеющих разные собственные частоты. В зависимости от частотного состава звука соответствующие волокна вследствие резонанса начинают колебаться, при этом нервные элементы на волокнах раздражаются и передают сигнал в мозг.
Ультразвук - механическая волна, частота которой превышает 20 000 Гц. На практике используются ультразвуки с частотой до 10 6 Гц и более. Чтобы получить такие частоты при помощи собственных колебаний стальной пластины, свободной на обоих концах, длина этой пластины при основном тоне должна быть порядка
Собственные колебания такой пластины весьма слабы и быстро затухают. Для того чтобы пластина могла стать непрерывным источником ультразвука, нужно колебания в ней поддерживать внешней силой, меняющейся с частотой, равной частоте собственных колебаний. Тогда в результате резонанса амплитуда колебаний пластины может быть довольно значительной, а порождаемый ею в окружающей среде ультразвук - достаточно интенсивным. Но где взять такую силу?
Получение ультразвука. Для получения ультразвука используются три явления: обратный пьезоэлектрический эффект, магнитострикция и электрострикция.
Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что пластинка, вырезанная определенным образом из кристалла кварца (или другого анизотропного кристалла), под действием электрического поля сжимается или удлиняется в зависимости от направления поля. Если поместить такую пластину между обкладками плоского конденсатора, на которые подается переменное напряжение, то пластина придет в вынужденные колебания. Эти колебания приобретают наибольшую амплитуду, когда частота изменений электрического напряжения совпадает с частотой собственных колебаний пластины. Колебания пластины передаются частицам окружающей среды (воздуха или жидкости), что и порождает ультразвуковую волну.
Явление магнитострикции состоит в том, что ферромагнитные стержни (сталь, железо, никель и их сплавы) изменяют свои линейные размеры под действием магнитного ноля, направленного по оси стержня. Поместив такой стержень и переменное магнитное поле (например, внутрь катушки, но которой течет переменный ток), мы вызовем в стержне вынужденные колебания, амплитуда которых будет особенно велика при резонансе. Колеблющийся торец стержня создает в окружающей среде ультразвуковые волны, интенсивность которых находится в прямой зависимости от амплитуды колебаний торца.
Некоторые материалы (например, керамики) обладают свойством изменять свои размеры в электрическом поле. Это явление, получившее название электрострикции, отличается (внешне) от обратного пьезоэлектрического эффекта тем, что изменение размеров зависит только от напряженности приложенного поля, но не зависит от его знака. К числу подобных материалов относятся титанат бария и титанат-цирконат свинца.
Преобразователи, в которых используются описанные выше явления, называют соответственно пьезоэлектрическими, магнитострикционными и электрострикционными. Последние нашли наибольшее применение в практике.
Для получения ультразвука применяются также специальные свистки, предназначенные для работы в воде (в море).
Регистрация ультразвука осуществляется приемным преобразователем, действие которого основано либо на прямом пьезоэлектрическом эффекте, либо на явлении, обратном электрострикции. При сжатии кварцевой пластины (или пластины из керамики) на ее параллельных плоскостях появляются разноименные заряды, т.е. создается разность потенциалов, которая зависит от сжимающегося давления. Действие кварцевого и электрострикционного керамического приемного преобразователя таково: звуковые волны оказывают переменное давление на поверхность пластины, что приводит к появлению на ее поверхности переменной разности потенциалов, которая и фиксируется электрической частью приемного устройства.
Применение ультразвука. Отметим два направления практического применения ультразвука.
Одно из них связано с использованием ультразвука большой интенсивности, который за счет побочных явлений может оказывать на материал разрушающее действие. Другое состоит в использовании ультразвука малой интенсивности с целью получения информации о среде, в которой распространяются ультразвуковые волны (звуковые локаторы, эхолоты и т. д.).
Применение ультразвука большой интенсивности. Во всех случаях, связанных с применением ультразвука большой интенсивности, важную роль играет эффект кавитации. Как известно, кавитацией называют образование в жидкости пузырьков (полостей), заполненных газом или паром. Ультразвуковые волны, проходя сквозь жидкость, создают области сжатия и разрежения. В последних возникает «отрицательное давление», приводящее к разрыву жидкости. В образовавшейся полости находятся, как правило, воздух, проникший в нее в результате диффузии из окружающей жидкости, и пары жидкости. Если воздух в жидкости отсутствует, то полость заполняется только парами жидкости. Время жизни полости, или пузырька, очень мало, так как в волне вслед за разрежением быстро наступает сжатие, и давление на пузырек со стороны окружающей жидкости резко возрастает (оно может превышать в несколько тысяч раз атмосферное давление), что приводит к схлопыванию полости. Когда полость схлопывается, образуются сильные ударные волны. Действие последних и используется на практике, например, для очистки от грязи различных предметов (ультразвуковая очистка). Деталь помещают в ванну, наполненную соответствующим растворителем, в который погружен излучатель ультразвука.
Способность ультразвука создавать кавитацию уменьшается с ростом частоты, так как за короткое время существования пониженного давления пузырьки не успевают образоваться (или их образуется мало). В настоящее время большинство ультразвуковых очистителей работает на частотах около 20 кГц.
Интенсивный ультразвук нашел применение для приготовления однородных смесей (гомогенизация) и, в частности, для получения эмульсий (краски, лаки, косметические средства, фармацевтические изделия, продукты детского питания, мази, приправы, соусы, плавленые сыры, маргарин, майонез, зубная паста и т. д.).
Интенсивный ультразвук нашел применение также при пайке алюминиевых деталей. Дело в том, что на воздухе алюминий быстро покрывается тонкой пленкой окисла, которая препятствует пайке и которую практически невозможно удалить с помощью флюсов. Вот здесь и пригодилась ультразвуковая чистка. Проходящие через ванну ультразвуковые волны вызывают кавитацию, которая снимает пленку окисла алюминия и обеспечивает тем самым сцепление соединяемых деталей с помощью припоя.
Ультразвук применяется также для сварки двух различных металлов.
Ультразвуковая (точечная) сварка применяется для соединения деталей полупроводниковых приборов (диодов и триодов). Ультразвук позволяет делать отверстия прямоугольной (и более сложной) формы в хрупких материалах (стекло, керамика) и в очень твердых материалах (карбиды, бориды, алмазы).
В ультразвуковой дрели, в отличие от пневматической, сверло не прямо воздействует на материал, a через влажный абразивный порошок. Механизм сверления, по-видимому, сводится к тому, что участки абразивного порошка под действием ультразвука бомбардируют материал и тем производят нужную обработку. В медицине интенсивный ультразвук нашел применение, например, в лечении болезни Паркинсона (неконтролируемое подергивание головы и конечностей). Болезнь излечивается при ультразвуковом воздействии на некоторые глубинные участки мозга. Ультразвук, подобно пучку света, специальными линзами фокусируется на определенном участке мозга, поражая те клетки, которые являются причиной болезни, не оказывая при этом действия на соседние клетки.
Применение слабого ультразвука. Это ультразвуковая локация, позволяющая заглянуть как в глубь металла, так и внутрь человека. Ультразвуковая локация применяется на морских судах для обнаружения препятствий в воде (сонары) и исследования рельефа морского дна (эхолоты).
Пионером в области ультразвукового контроля (ультразвуковой дефектоскопии) был советский ученый С. Я. Соколов. В 1928 г. он предложил использовать метод ультразвуковой локации для обнаружения дефектов в металлических изделиях. Посылая в изделие ультразвуковые импульсы и принимая отраженные импульсы, можно не только обнаружить наличие дефекта, но установить его размер и месторасположение.
Ультразвуковые дефектоскопы применяются для обнаружения малейших трещин в железнодорожных рельсах, трещин в литье, ковке и т. п. Неожиданно эти приборы получили применение для определения упитанности крупного рогатого скота и свиней (определяется толщина жирового слоя под кожей).
В медицине слабый ультразвук нашел интересное применение в диагностике болезни мозга. Большой интерес представляет для медицинской диагностики использование эффекта Доплера на ультразвуке. Когда волна отражается от движущегося объекта, частота отраженного сигнала изменяется (по отношению к частоте излучателя). При наложении первичного и отраженного сигналов возникают биения. Появление биений свидетельствует о том, что облучаемый объект движется. По частоте биений можно судить о скорости движения. В организме человека и животных имеется много движущихся объектов: текущая кровь, бьющееся сердце, движение кишечника, выделение желудочного сока и т. д. Эти движения и можно контролировать ультразвуковыми методами, основанными на использовании эффекта Доплера.
Механические волны с частотой колебания, большей 20 000 Гц, не воспринимаются человеком как звук. Из называют ультразвуковыми волнами или ультразвуком . Ультразвук сильно поглощается газами и во много раз слабее - твердыми веществами и жидкостями. Поэтому ультразвуковые волны могут распространяться на значительные расстояния только в твердых телах и жидкостях.
Так как энергия, которую переносят волны, пропорциональна плотности среды и квадрату частоты, то ультразвук может переносить энергию, намного большую, чем звуковые волны. Еще одно важное свойство ультразвука заключается в том, что сравнительно просто осуществляется его направленное излучение. Все это позволяет широко использовать ультразвук в технике.
Описанные свойства ультразвука используются в эхолоте - приборе для определения глубины моря (рис. 25,11). Корабль снабжают источником и приемником ультразвука определенной частоты. Источник отправляет кратковременные ультразвуковые импульсы, а приемник улавливает отраженные импульсы. Зная время между отправлением и приемом импульсов и скорость распространения ультразвука в воде, с помощью формулы l = vt/2 определяют глубину моря. Аналогично действует ультразвуковой локатор, которым пользуются для определения расстояния до препятствия на пути корабля в горизонтальном направлении . При отсутствии таких препятствий ультразвуковые импульсы не возвращаются к кораблю.
Интересно, что некоторые животные, например, летучие мыши, имеют органы, действующие по принципу ультразвукового локатора, что позволяет им хорошо ориентироваться в темноте. Совершенный ультразвуковой локатор имеют дельфины.
При прохождении ультразвука через жидкость частицы жидкости приобретают большие ускорения и сильно воздействуют на различные тела, помещенные в жидкость. Это используют для ускорения самых различных технологических процессов (например, приготовления растворов, отмывки деталей, дубления кож и т. д.).
При интенсивных ультразвуковых колебаниях в жидкости ее частицы приобретают такие большие ускорения, что в жидкости образуются на короткое время разрывы (пустоты ), которые резко захлопываются, создавая множество маленьких ударов, т. е. происходит кавитация. В таких условиях жидкость оказывает сильное дробящее действие, что используется для приготовления суспензий, состоящих из распыленных частиц твердого тела в жидкости, и эмульсий - взвесей мелких капелек одной жидкости в другой.
Ультразвук применяется для обнаружения дефектов в металлических деталях. В современной технике применение ультразвука столь обширно, что трудно даже перечислить все области его использования.
Заметим, что механические волны с частотой колебаний меньше 16 Гц называют инфразвуковыми волна ми или инфразвуком. Они также не вызывают звуковых ощущений. Инфразвуковые волны возникают на море во время ураганов и землетрясений. Скорость распространения инфразвука в воде гораздо больше, чем скорость перемещения урагана или гигантских волн цунами, образующихся при землетрясении. Это позволяет некоторым морским животным, обладающим способностью воспринимать инфразвуковые волны, получать таким путем сигналы о приближающейся опасности.
Механические волны с частотой колебания, большей 20 000 Гц, не воспринимаются человеком как звук. Из называют ультразвуковыми волнами или ультразвуком. Ультразвук сильно поглощается газами и во много раз слабее - твердыми веществами и жидкостями. Поэтому ультразвуковые волны могут распространяться на значительные расстояния только в твердых телах и жидкостях.
Так как энергия, которую переносят волны, пропорциональна плотности среды и квадрату частоты, то ультразвук может переносить энергию, намного большую, чем звуковые волны. Еще одно важное свойство ультразвука заключается в том, что сравнительно просто осуществляется его направленное излучение. Все это позволяет широко использовать ультразвук в технике.
Описанные свойства ультразвука используются в эхолоте - приборе для определения глубины моря (рис. 25.11). Корабль снабжают источником и приемником ультразвука определенной частоты. Источник отправляет кратковременные ультразвуковые импульсы, а приемник улавливает отраженные импульсы. Зная время между отправлением и приемом импульсов и скорость распространения ультразвука в воде, с помощью формулы (25.3) определяют глубину моря. Аналогично действует ультразвуковой локатор, которым пользуются для определения расстояния до препятствия на
пути корабля в горизонтальном направлении. При отсутствии таких препятствий ультразвуковые импульсы не возвращаются к кораблю.
Интересно, что некоторые животные, например летучие мыши, имеют органы, действующие по принципу ультразвукового локатора, что позволяет им хорошо ориентироваться в темноте. Совершенный ультразвуковой локатор имеют дельфины. -
При прохождении ультразвука через жидкость частицы жидкости приобретают большие ускорения и сильно воздействуют на различные тела, помещенные в жидкость. Это используют для ускорения самых различных технологических процессов (например, приготовления растворов, отмывки деталей, дубления кож и т. д.).
При интенсивных ультразвуковых колебаниях в жидкости ее частицы приобретают такие большие ускорения, что в жидкости образуются на короткое время разрывы (пустоты), которые резко захлопываются, создавая множество маленьких ударов, т. е. происходит кавитация. В таких условиях жидкость оказывает сильное дробящее действие, что используется для приготовления суспензий, состоящих из распыленных частиц твердого тела в жидкости, и эмульсий - взвесей мелких капелек одной жидкости в другой.
Ультразвук применяется для обнаружения дефектов в металлических деталях. В современной технике применение ультразвука столь обширно, что трудно даже перечислить все области его использования.
Заметим, что механические волны с частотой колебаний меньше 16 Гц называют инфразвуковыми волнами или инфразвуком. Они также не вызывают звуковых ощущений, Инфразвуковые волны возникают на море во время ураганов и землетрясений. Скорость распространения инфразвука в воде гораздо больше, чем скорость перемещения урагана или гигантских волн цунами, образующихся при землетрясении, Это позволяет некоторым морским животным, обладающим способностью воспринимать инфразвуковые волны, получать таким путем сигналы о приближающейся опасности.