Человек всегда стремился открыть неизвестное, так с изучением и применением волн, человечество открыло себе новые возможности, создало технику и открыло простор волнового мира.
Его открытием стало то, что волны, следующие друг за другом не реже, чем 16 раз в секунду не чаще, чем 18 тысяч раз в секунду, то человеческое ухо слышит их.
Частоты 16 — 18000 Гц, которые способен воспринимать слуховой аппарат человека принято называть звуковыми, например писк комара »10 кГц. Но воздух, глубины морей и земные недра наполнены звуками, лежащими ниже и выше этого диапазона — инфра и ультразвуками.
Хотя о существовании ультразвука известно давно, его практическое использование достаточно молодо. В наше время ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. Так, по скорости распространения звука в среде судят о её физических характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах позволяет с весьма малыми погрешностями определять, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоёмкости газов, упругие постоянные твёрдых тел.
1. Ультразвук, его свойства и применение
C развитием акустики в конце XIX века был обнаружен ультразвук, тогда же начались первые исследования ультразвука, но основы его применения были заложены только в первой трети XX-века.
Что же представляет из себя ультразвук?
В природе ультразвук встречается в качестве компонента многих естественных шумов: в шуме ветра, водопада, дождя, морской гальки, перекатываемой прибоем, в грозовых разрядах. Многие млекопитающие, например кошки и собаки, обладают способностью восприятия ультразвука частотой до 100 кГц, а локационные способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем хорошо известны.
Ультразвук
Основными параметрами волны являются длина волны, частота и период. Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но, у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике. Вот основные из них:
1. Малая длина волны. Для самого низкого ультразвукового диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя ультразвук распространяется в виде пучков по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, ультразвуковой пучок ведёт себя как световой луч, испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет формировать звуковые изображения в оптически непрозрачных средах, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.).
Ультразвук и его применение
... взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазомерия, акустоэлектроника. ... Механические излучатели используются в низкочастотном диапазоне УЗ и в диапазоне звуковых волн. Они относительно просты по ... 1012 -1013 Гц. В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает различными специфическими ...
2. Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.
Возможность получения высоких значений энергии колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.
В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения. Поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические эффекты: физические, химические, биологические и медицинские. Такие как кавитация, звукокапиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.
Потребности морского флота ведущих держав — Англии и Франции, для исследования морских глубин, вызвали интерес многих ученых в области акустики, т.к. это единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. Так в 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола, давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.
Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Фрэнсис Гальтон. 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. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.
Ланжевена — Шиловского, был первым ультразвуковым устройством
Излучатели ультразвука можно разделить на две большие группы:
1) Колебания возбуждаются препятствиями на пути струи газа или жидкости, или прерыванием струи газа или жидкости. Используются ограниченно, в основном для получения мощного УЗ в газовой среде.
Физические основы применения ультразвука в хирургии
... ультразвука в оперативной хирургии. Это инструментальная ультразвуковая хирургия и локальные разрушения в глубине тканей с помощью фокусированного ультразвука. За последние годы в практику стали широко внедряться физические методы хирургического воздействия ... -- смотрю) хирургии. Для лапароскопических операций используются лапароскоп и ... максимальная амплитуда ультразвуковых колебаний, допустимое время ...
2) Колебания возбуждаются преобразованием в механические колебаний тока или напряжения. В большинстве ультразвуковых устройств используются излучатели этой группы: пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи.
Кроме преобразователей, основанных на пьезоэффекте, для получения мощного ультразвукового пучка используются магнитострикционные преобразователи. Магнитострикция — это изменение размеров тел при изменении их магнитного состояния. Сердечник из магнитострикционного материала, помещённый в проводящую обмотку меняет свою длину в соответствии с формой токового сигнала, проходящего по обмотке.
Данное явление, открытое в 1842 г. Джеймсом Джоулем, свойственно ферромагнетикам и ферритам. Наиболее употребительные магнитострикционные материалы это сплавы на основе никеля, кобальта, железа и алюминия. Наибольшей интенсивности ультразвукового излучения позволяет достичь сплав пермендюр (49%Co, 2%V, остальное Fe), который используется в мощных УЗ излучателях.
Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:
1) получение информации о веществе;
2) воздействие на вещество;
3) обработка и передача сигналов.
Получение информации с помощью ультразвуковых методов. Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них процессов на макро- и микроуровнях. Эти методы основаны главным образом на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих.
Воздействие ультразвука на вещество. Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.
Обработка и передача сигналов. Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электрических сигналов в различных отраслях радиоэлектроники, например в радиолокации, связи, вычислительной технике, и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. В устройствах для управления электрическими сигналами используются следующие особенности ультразвука: малая по сравнению с электромагнитными волнами скорость распространения; малое поглощение в кристаллах и соответственно высокая добротность резонаторов.
2. Ультразвуковая томография
Обратные задачи волновой томографии возникают в самых различных приложениях. К таким задачам относятся некоторые обратные задачи электромагнитного зондирования, сейсмики, инженерной сейсмики, гидролокации, диагностике промышленных изделий с помощью акустического излучения и т.п.
Одним из важнейших приложений волновой томографии является ультразвуковая томография в медицине. Они обеспечивают хорошее разрешение при исследовании в отраженном звуке объектов с поперечными размерами в несколько миллиметров.
Усовершенствования метода двумерной томографии, осуществленные американским ученым Фраем, привели к значительному усложнению ультразвуковых диагностических установок. Система включает цифровую вычислительную машину и может осуществлять сканирование по всем направлениям: зонд перемещается не только в плоскости сечения, но и по нормали к ней (правда, в ограниченных пределах), как бы перебирая сами сечения. По мнению Фрая, такая методика дает нам более детальную информацию о структуре исследуемого объекта, помогает выделять полезный сигнал на фоне помех и облегчает интерпретацию полученной картины. Свои основные исследования Фрай проводил на мозге обезьяны макака-резус. ультразвуковой томограф диагностика
Ультразвуковая томография
В настоящее время в США, Германии, Японии и России интенсивно разрабатываются макеты ультразвуковых томографических установок, которые имеют целый ряд преимуществ в сравнении с магнитно-резонансной и рентгеновской томографиями. С математической точки зрения обратные задачи, возникающие в ультразвуковой томографии, являются намного более сложными по сравнению с обратными задачами рентгеновской томографии. В рентгеновской томографии хорошо работает модель геометрической оптики. Обратные задачи рентгеновской томографии являются линейными. Для их решения вполне достаточно обычного персонального компьютера.
В отличие от рентгеновской томографии, в ультразвуковой томографии используется как прошедшее, так и отраженное излучение, испущенное широкополосными источниками зондирующих импульсов. Источники и приемники располагаются со всех сторон от исследуемого объекта, регистрируемый сигнал записывается во времени, что дает возможность обрабатывать большой объем данных, позволяющий получать высокое разрешение.
Обратные задачи ультразвуковой томографии можно рассматривать как коэффициентные обратные задачи. Приведем постановку обратной задачи. На Рис 1а приведена схемы томографических экспериментов при традиционной послойной 2.5D томографии, когда последовательно решаются двумерные задачи на слоях трехмерного объекта. На рис. 1б приведена схема 3D томографии, когда по собранным экспериментальным данным обратная задача решается сразу относительно трехмерной неизвестной функции c( r ) , r ?R3 . На Рис.1а источники обозначены цифрой 1, a приемники, расположенные по периметру расчётной области — цифрой 2. На Рис.1б источники S и приемники ультразвуковых импульсов располагаются на гранях куба.
|
а) |
б) |
|
Рис.1 Схема УЗИ томографии: a — послойная схема, b — 3D схема.
Решение нелинейных трехмерных обратных задач УЗИ томографии невозможно без использования суперкомпьютеров.
Разработанные алгоритмы решения обратных задач являются сверхмасштабируемыми на суперкомпьютерах петафлопсного уровня на процессорах общего назначения и испытаны на суперкомпьютере «Ломоносов» Суперкомпьютерного комплекса МГУ (Россия, Москва).
Однако суперкомпьютеры общего назначения по своим техническим характеристикам не могут быть использованы в составе ультразвуковых томографических комплексов. Разработаны эффективные алгоритмы, решающие обратные задачи ультразвуковой томографии как в послойном 2.5D варианте, так и в 3D варианте, на суперкомпьютерах с графическими процессорами (GPU).
Количество параллельно используемых графических процессоров совпадает с количеством используемых источников. GPU-cуперкомпьютеры по своим техническим характеристикам вполне могут быть использованы как автономные вычислители в составе томографических комплексов.
Для расширения диапазона контролируемых параметров и органического дополнения известных методов рентгеновской, ЯМР и ультразвуковой томографии, большой вклад внес профессор, доктор ф-м наук Владимир Петрович Якубов. Совместная работа В.П. Якубова с преподавателями ТГУ направлены на усовершенствование методик исследований в данной области и на конструирование аппаратов и установок, позволяющих с точностью производить измерения и представлять их в 3D проекции, с использованием ИКТ технологий. Одно из созданных в этом направлении установок, является радиотомограф.
Радиотомограф — это прибор, использующий электромагнитное излучение радиодиапазона и позволяющий на основе данных радиозондирования восстанавливать внутреннюю электрофизическую структуру объекта исследований. Метод радиотомографии призван расширить диапазон контролируемых параметров и органически дополнить известные методы рентгеновской, ЯМР и ультразвуковой томографии. Вплоть до настоящего времени реально действующих радиотомографов, пригодных для использования на практике, не создано.
Разработка эффективных методов радиотомографии позволит создать альтернативные к рентгеновской томографии экологически безопасные и относительно дешевые диагностические средства для медицины и дефектоскопии. Рассмотренный оригинальный подход может быть использован для развития оптической и ультразвуковой томографии.
Заключение
На современном этапе развития науки и техники, изучение и применение ультразвука дает широкие возможности его практического применения в разных областях (медицина, промышленность, военная технология и т.д.).
Перспективы развития применения ультразвука не ограничены, и дальнейшее его развитие связано с использованием новых технологий на базе суперкомпьютеров, что даст возможность сделать нашу жизнь безопасной.
Литература
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/na-temu-ultrazvukovyie-tehnologii/
1. ftp://194.87.14.22/pub/users/ppilat/dfa/Archiv/hist_u.htm
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%B2%D1%83%D0%BA
3. http://www.tomography.ru/main.php?key=uzi&PHPSESSID=df41a53b0ed790d73aba89f329ca66bd
4.
5. http://bse.sci-lib.com/article114006.html
6. http://u-sonic.ru/book/export/html/973
7. http://jre.cplire.ru/mac/oct01/6/text.html
8. http://cyberleninka.ru/article/n/radiovolnovaya-golografiya-i-tomografiya-na-kafedre-radiofiziki
