Ультразвуком называют колебания с частотой. Ультразвук и инфразвук: особенности, применение и влияние на человека

Что такое ультразвук и инфразвук. Как они распространяются в различных средах. Где применяются ультразвуковые и инфразвуковые волны. Какое влияние оказывают на организм человека.

Что такое ультразвук и инфразвук

Ультразвук и инфразвук — это звуковые волны, которые не воспринимаются человеческим ухом. Они отличаются частотой колебаний:

• Ультразвук — механические колебания с частотой выше 20 кГц
• Инфразвук — механические колебания с частотой ниже 20 Гц

Диапазон слышимого человеком звука находится в пределах 20 Гц — 20 кГц. Все, что выходит за эти границы, относится к ультра- или инфразвуку.

Особенности распространения ультразвука и инфразвука

Ультразвуковые и инфразвуковые волны имеют ряд особенностей распространения в различных средах:

Распространение в воздухе:

• Ультразвук быстро затухает в воздухе
• Инфразвук может распространяться на большие расстояния с малым затуханием

Распространение в жидкостях и твердых телах:

• Ультразвук хорошо распространяется, особенно высокочастотный
• Инфразвук распространяется с меньшим затуханием, чем в воздухе

Интересная особенность — образование звуковых каналов в океане и атмосфере, по которым низкочастотные звуки могут распространяться на огромные расстояния.

Области применения ультразвука

Благодаря своим свойствам, ультразвук нашел широкое применение в различных сферах:

В промышленности:

• Ультразвуковая дефектоскопия — поиск дефектов в материалах
• Ультразвуковая сварка пластмасс и металлов
• Ультразвуковая очистка деталей и изделий
• Обработка материалов (сверление, резка)

В медицине:

• Ультразвуковая диагностика (УЗИ)
• Терапевтическое воздействие на ткани
• Ультразвуковая хирургия (литотрипсия)
• Стерилизация инструментов

В других областях:

• Эхолокация (в природе и технике)
• Измерение расстояний и скоростей
• Ультразвуковые стиральные машины
• Отпугивание грызунов и насекомых

Применение инфразвука

Инфразвук также находит применение в различных областях:

• Исследование атмосферы и океана
• Прогнозирование землетрясений и цунами
• Обнаружение ядерных взрывов
• Изучение вулканической активности
• Системы раннего предупреждения стихийных бедствий

Влияние ультразвука на организм человека

Воздействие ультразвука на человека зависит от интенсивности и длительности воздействия:

Положительные эффекты (при контролируемом воздействии):

• Улучшение микроциркуляции крови
• Противовоспалительное действие
• Ускорение обменных процессов
• Обезболивающий эффект

Негативные последствия (при чрезмерном воздействии):

• Повреждение клеточных структур
• Нарушение функций нервной системы
• Снижение слуха
• Вестибулярные расстройства

Важно отметить, что при правильном применении в медицине и промышленности ультразвук безопасен для человека.

Воздействие инфразвука на человека

Инфразвук может оказывать существенное влияние на организм человека, особенно при длительном воздействии:

Физиологические эффекты:

• Чувство тревоги и страха
• Головокружение и тошнота
• Нарушение равновесия
• Снижение работоспособности

Психологические эффекты:

• Ощущение вибрации внутренних органов
• Чувство усталости
• Дезориентация
• Повышенная раздражительность

Наиболее опасны инфразвуковые колебания с частотой 7-8 Гц, так как они совпадают с альфа-ритмом головного мозга.

Современные исследования и перспективы применения

Ультразвуковые и инфразвуковые технологии продолжают активно развиваться. Некоторые перспективные направления исследований:

• Разработка новых методов ультразвуковой визуализации в медицине
• Создание более эффективных систем ультразвуковой очистки
• Исследование возможностей применения инфразвука для предсказания природных катастроф
• Разработка методов защиты от негативного воздействия инфразвука
• Изучение влияния ультра- и инфразвука на биологические объекты

Развитие этих технологий открывает новые возможности в различных областях науки и техники.

Методы защиты от ультразвука и инфразвука

Для защиты от негативного воздействия ультразвука и инфразвука применяются различные методы:

Защита от ультразвука:

• Использование звукоизолирующих материалов
• Применение средств индивидуальной защиты (наушники, беруши)
• Ограничение времени воздействия
• Правильная организация рабочего места

Защита от инфразвука:

• Применение специальных глушителей
• Использование виброизоляции оборудования
• Создание конструкций с повышенной жесткостью
• Рациональное размещение источников инфразвука

Важно помнить, что наиболее эффективной защитой является устранение или минимизация источников ультра- и инфразвука.

Ультразвук та інфразвук. Статті компанії «ТОВ ФІРМА «АВ ЦЕНТР»»

Ультразвуком називають механічні коливання пружного середовища з частотою, що перевищує верхню межу чутності -20 кГц. Одиницею виміру рівня звукового тиску є дБ. Одиницею виміру інтенсивності ультразвуку є ват на квадратний сантиметр (Вт/см2).

Ультразвук має головним чином локальною дією на організм, оскільки передається при безпосередньому контакті з ультразвуковим інструментом, оброблюваними деталями або середовищами, де збуджуються ультразвукові коливання.

Ультразвукові коливання, які генеруються ультразвуком низькочастотним промисловим устаткуванням, несприятливо впливають на організм людини. Тривалий систематичний вплив ультразвуку, що поширюється повітряним шляхом, викликає зміни нервової, серцево-судинної й ендокринної систем, слухового і вестибулярного аналізаторів. Найбільш характерним є наявність вегетосудинної дистонії й астенічного синдрому.
Ступінь виразності змін залежить від інтенсивності і тривалості впливу ультразвуку і підсилюється при наявності в спектрі високочастотного шуму, при цьому приєднується виражене зниження слуху. У випадку продовження контакту з ультразвуком зазначені розлади здобувають більш стійкий характер.
При дії локального ультразвуку виникають явища вегетативного поліневриту рук (рідше ніг) різного ступеня виразності, аж до розвитку парезу кистей і передпліч, вегетативно-судинної дисфункції.
Характер змін, що виникають в організмі під впливом ультразвуку, залежить від дози впливу.

Малі дози — рівень звуку 80-90 дБ — дають стимулюючий ефект — мікромасаж, прискорення обмінних процесів. Великі дози — рівень звуку 120 і більш дБ — дають вражаючий ефект.

Основу профілактики несприятливого впливу ультразвуку на осіб, що обслуговують ультразвукові установки, складає гігієнічне нормування.

Міри попередження несприятливої дії ультразвуку на організм операторів технологічних установок, персоналу лікувально-діагностичних кабінетів складаються в першу чергу в проведенні заходів технічного характеру. До них відносяться створення автоматизованого ультразвукового устаткування з дистанційним керуванням; використання по можливості малопотужного устаткування, що сприяє зниженню інтенсивності шуму й ультразвуку на робочих місцях на 20-40 дБ; розміщення устаткування в звукоізольованих приміщеннях або кабінетах з дистанційним керуванням; устаткування звукоізолюючих пристроїв, кожухів, екранів з листової сталі або дюралюмінію, покритих гумою, протишумового мастикою й іншими матеріалами.

При проектуванні ультразвукових установок доцільно використовувати робочі частоти, найбільш вилучені від чутного діапазону — не нижче 22 кГц.

Щоб виключити вплив ультразвуку при контакті з рідкими і твердими середовищами, необхідно встановлювати систему автоматичного відключення ультразвукових перетворювачів при операціях, під час яких можливий контакт (наприклад, завантаження і вивантаження матеріалів). Для захисту рук від контактної дії ультразвуку рекомендується застосування спеціального робочого інструмента з віброізолюючиєї рукояткою.

Якщо по виробничих причинах неможливо знизити рівень інтенсивності шуму й ультразвуку до припустимих значень, необхідне використання засобів індивідуального захисту — протишумових навушників, вкладишів, що захищають вухо від несприятливої дії супутнього шуму, гумових рукавичок з бавовняною прокладкою й ін

Розвиток техніки і транспортних засобів, удосконалювання технологічних процесів і устаткування супроводжуються збільшенням потужності і габаритів машин що обумовлює тенденцію підвищення низькочастотних складових у спектрах і поява інфразвуку, що є порівняно новим, не цілком вивченим фактором виробничого середовища.

Інфразвуком називають акустичні коливання з частотою нижче 20 Гц. Цей частотний діапазон лежить нижче порога чутності і людське вухо не здатне сприймати коливання зазначених частот.

Виробничий інфразвук виникає за рахунок тих же процесів що і шум чутних частот. Найбільшу інтенсивність інфразвукових коливань створюють машини і механізми, що мають поверхні великих розмірів, що роблять низькочастотні механічні коливання (інфразвук механічного походження) чи турбулентні потоки газів і рідин (інфразвук аеродинамічного або гідродинамічного походження).
Максимальні рівні низькочастотних акустичних коливань від промислових і транспортних джерел досягають 100-110 дБ.

Дослідження біологічної дії інфразвуку на організм показали, що при рівні від 110 до 150 дБ і більш він може викликати в людей неприємні суб’єктивні відчуття і численні реактивні зміни, до числа яких варто віднести зміни в центральній нервовій, серцево-судинній і дихальній системах, вестибулярному аналізаторі. Є дані про те, що інфразвук викликає зниження слуху переважно на низьких і середніх частотах. Вираженість цих змін залежить від рівня інтенсивності інфразвуку і тривалості дії фактора.

Відповідно до Гігієнічних норм інфразвуку на робочих місцях за характером спектра інфразвук поділяють на широкосмуговий і гармонічний.
Гармонійний характер спектра встановлюють в октавних смугах частот по перевищенню рівня в одній смузі над сусідніми не менш чим на 10 дБ.
По тимчасових характеристиках інфразвук підрозділяється на постійний і непостійний.
Нормованими характеристиками інфразвуку на робочих місцях є рівні звукового тиску в децибелах в октавних смугах частот зі середньогеометричними частотами 2, 4, 8, 16 Гц.
Допустимими рівнями звукового тиску є 105 дБ в октавних смугах 2, 4, 8, 16 Гц і 102 дБ в октавній смузі 31,5 Гц. При цьому загальний рівень звукового тиску не повинний перевищувати 110 дБ.
Для непостійного інфразвуку нормованою характеристикою є загальний рівень звукового тиску.

Найбільш ефективним і практично єдиним засобом боротьби з інфразвуком є зниження його в джерелі. При виборі конструкцій перевага повинно віддаватися малогабаритним машинам великої твердості, тому що в конструкціях із плоскими поверхнями великої площі і малої твердості створюються умови для генерації інфразвуку. Боротьбу з інфразвуком у джерелі виникнення необхідно вести в напрямку зміни режиму роботи технологічного устаткування — збільшення його швидкохідності (наприклад, збільшення числа робочих ходів кузнечнопрессовых машин, щоб основна частота проходження силових імпульсів лежала за межами інфразвукового діапазону).
Повинні прийматися заходів для зниження інтенсивності аеродинамічних процесів — обмеження швидкостей руху транспорту, зниження швидкостей витікання рідин (авіаційні і ракетні двигуни, двигуни внутрішнього згоряння, системи скидання пари теплових електростанцій і т. д. ).

У боротьбі з інфразвуком на шляхах поширення визначений ефект роблять глушники інтерференційного типу, звичайно при наявності дискретних складових у спектрі інфразвуку.
Виконане останнім часом теоретичне обґрунтування плину нелінійних процесів у поглиначах резонансного типу відкриває реальні шляхи конструювання звуковбирних панелей, кожухів, ефективних в області низьких частот.

У якості індивідуальних засобів захисту рекомендується застосування протишумових навушників, вкладишів, що захищають вухо від несприятливої дії супутнього шуму.

До мір профілактики організаційного плану варто віднести дотримання режиму праці і відпочинку, заборона понаднормових робіт. При контакті з ультразвуком більш 50% робочого часу рекомендуються перерви тривалістю 15 хв через кожні 1,5 години роботи. Значний ефект дає комплекс фізіотерапевтичних процедур — масаж, водні процедури, вітамінізація й ін

Физика звука

Игорь Есипов
«Квант» №12, 2018

Акустика — это раздел физики, изучающий возбуждение, распространение, прием звуковых волн, а также их взаимодействие со средой. Особенностью звуковых волн, отличающих их от электромагнитных или гравитационных, является то, что они могут распространяться только в сплошной упругой среде. Звук окружает нас повсюду: в атмосфере, под водой, под землей, в биологических средах и материалах и даже в космосе. Только звук может распространяться в земных структурах и под водой без существенного затухания, поэтому он широко используется в исследованиях природных сред.

Обычно мы называем звуком то, что мы слышим. Принято считать, что диапазон частот слышимого нами звука лежит в пределах от 20 Гц до 20 кГц. Это соответствует 20–20 000 колебаний в секунду. Звуковые волны, частота колебаний которых выходит за этот диапазон, получили свои специальные названия.

Ультразвуком называют звуковые волны, частота колебаний которых выше 20 кГц. Технологически развитый диапазон применения ультразвука лежит в пределах от 20 кГц до 100 МГц. Более высокочастотная область ультразвука получила название гиперзвук. Звуковые волны гиперзвуковых частот могут распространяться только в кристаллах с малым поглощением звука, таких, как монокристаллы кварца, сапфира, ниобата лития, железо-иттриевого граната и др. Гиперзвук используется при обработке больших массивов информации, в том числе оптических изображений, и исследовании строения твердых тел. Этим занимается наука акустоэлектроника. Диапазон, в котором гиперзвук возбуждается искусственным, контролируемым образом, ограничивается частотами порядка 10 ГГЦ, что связано с высоким затуханием. При столь высоких частотах длина волны такого звука будет уже соизмеримой с межатомным расстоянием в кристалле. В таком случае мы уже не можем считать кристалл сплошной средой.

Звуковые волны, частота которых ниже 20 Гц, называют инфразвуком. Затухание инфразвука невелико, и поэтому инфразвуковые волны активно используются для исследования океана и структуры земли. Звуки взрывов вулканов могут обогнуть весь земной шар, низкочастотный подводный звук распространяется через океаны на тысячи километров.

Далее мы обсудим современные идеи и новые акустические технологии исследования и освоения окружающего мира. Часто акустические методы не имеют альтернативы и поэтому оказываются наиболее эффективными для решения той или иной важной задачи.

Звук и инфразвук в исследовании природы

Исследование океана. Звуковые волны распространяются в природе — в атмосфере, океане, под землей — по своеобразным каналам. Открытие подводного звукового канала было сделано в нашей стране в 1946 году, когда ученые вместе с военными моряками испытывали в Японском море акустическую аппаратуру для проведения измерений подводного звука от взрыва американской атомной бомбы на атолле Бикини. В процессе испытаний регистрировался уровень акустического сигнала от взрывов глубинных бомб в зависимости от расстояния. Неожиданно выяснилось, что для дистанций больше 50 км уровень зарегистрированных сигналов стал очень слабо меняться с расстоянием и звуки взрывов глубинных бомб были хорошо слышны и на дистанции 600 км, когда опыт был прекращен. Ожидалось, что для большого океана далеко от берега акустический сигнал должен распространяться по сферическому закону от точечного источника, каким можно было считать глубинную бомбу. В таком случае интенсивность звука должна быть обратно пропорциональной площади сферы, охватывающей источник, т.

е. должна была уменьшаться обратно пропорционально квадрату расстояния, пройденного звуком.

Объяснение этому интересному эффекту дал Л. М. Бреховских — впоследствии академик и лауреат Государственной премии СССР. Он обратил внимание на то, что температура воды быстро падает до глубины 100–200 м, а затем принимает постоянное значение около 4°C. Падение температуры приводит к уменьшению скорости распространения звука, а рост давления с глубиной приводит к увеличению этой скорости. Таким образом, в зависимости скорости распространения звука от глубины оказывается минимум, в котором и концентрируется акустическая энергия. На рисунке 1 видно, что если поместить излучатель на уровень минимума скорости звука, то звуковые лучи, выходящие из излучателя, в результате рефракции будут удерживаться вблизи этого минимума. В итоге часть звуковых лучей, вышедших из источника под не очень крутыми углами, остаются при распространении в слое толщиной в несколько сот метров. Такой слой представляет собой подводный акустический волновод, или подводный звуковой канал.

Стоит отметить, что эффект акустического волновода использовался средневековыми мастерами при создании «шепчущих» галерей. Такие галереи имеют кривые или замкнутые стены. Если вы вблизи такой стены говорите шепотом, то звуковые лучи концентрируются около нее и на расстоянии в несколько десятков метров можно отчетливо слышать ваш шепот, находясь также около стены. Такие шепчущие галереи есть в соборах Святого Павла в Лондоне и Святого Петра в Риме, в Храме Неба под Пекином и, возможно, где-то еще.

Характер распространения звука в акустическом волноводе аналогичен распространению лазерного излучения в оптическом волноводе. В настоящее время особенности распространения звука в подводном акустическом волноводе используются для термометрии океана.

Океан можно рассматривать как гигантский, занимающий огромную площадь термометр. Следя за изменениями температуры глубинных слоев океана, можно следить за потеплением климата. Дело в том, что масштабные климатические изменения надежно определить чрезвычайно трудно из-за больших флуктуаций во времени и пространстве. Огромные массы воды в океане усредняют эти флуктуации. Определить среднюю температуру глубинных слоев океана на масштабах в несколько тысяч километров можно только акустическими методами, электромагнитные волны в морской воде не распространяются на заметное расстояние.

Скорость распространения звука увеличивается с ростом температуры. На рисунке 1 внизу показаны две серии зарегистрированных акустических импульсов, отличающихся тем, что во второй серии верхние слои океана имели несколько более высокую температуру, чем в первой. Как видно, сигналы, распространяющиеся по красному лучу, который максимально близко подходит к нагретой поверхности океана, приходят несколько раньше, чем сигналы, распространяющиеся по другим лучам. Для дистанции 250 км эти изменения во времени распространения могут составлять доли секунды. По другим лучам изменений во времени распространения нет. Таким образом, из такого опыта можно узнать, на сколько градусов и на какую глубину прогрелась вода в океане. Ясно, что чем больше дистанция распространения звука, тем выше чувствительность этого метода. Звук пробегает 250 км в океане за 167 с, что соответствует скорости распространения около 1500 м/с. Заметим, что первыми приходят наиболее быстрые сигналы, распространяющиеся по наиболее крутым лучам, лежащим в слоях океана с большей скоростью распространения. А наиболее интенсивные сигналы приходят последними по пологим лучам, находящимся в окрестности оси подводного звукового канала, где скорость распространения минимальна.

Такая особенность распространения звука используется для дистанционного мониторинга теплопереноса в океане, что важно для прогнозирования климата. Океан формирует погоду на земле. Северный Ледовитый океан является кухней погоды для Европы и существенной части Азии. Распределенная по всему океану система излучателей и приемников звука может решать самые разнообразные задачи. Среди них можно выделить измерение времени распространения сигналов на протяженных трассах для определения содержания тепла и циркуляции океанических вод как на масштабах всего океана, так и в отдельных его частях; обеспечение подводного позиционирования и навигации подо льдом; мониторинг динамики льда, землетрясений и перемещения морских животных при пассивном прослушивании акватории океана.

Все эти процедуры система может выполнять в реальном времени.

Исследование атмосферы. Распространение звука в атмосфере подчиняется тем же самым законам, что и распространение звука в океане, с той разницей, что скорость распространения звука в воздухе в нормальных условиях у поверхности земли составляет 340 м/с. Это существенно меньше скорости звука в воде.

На рисунке 2 представлена схема звуковых лучей, выходящих из источника звука в атмосфере. Как видно, в присутствии ветра лучи по-разному ведут себя в зависимости от направления распространения. Поток воздуха увеличивает скорость распространения звука по ветру и несколько снижает ее в противоположном направлении. Как правило, приземный поток воздуха или ветер увеличивает свою скорость с высотой. Скорость распространения звука по ветру на большой высоте больше, чем у земли, поэтому фронт звуковой волны при подъеме вверх заворачивается и волна направляется вниз, где скорость меньше. Возникает рефракция звука. Благодаря этому в приповерхностном слое атмосферы образуется звуковой волновод, в котором концентрируется звук, и на поверхности земли можно регистрировать акустические сигналы, которые распространялись на высоте в несколько десятков километров. Эффект рефракции при распространении против ветра приводит к тому, что звук быстро уходит на большую высоту (десятки километров). Поэтому мы плохо слышим против ветра и хорошо по ветру.

Приземный звуковой волновод может образоваться не только в результате ветра. В тихий безветренный морозный день где-то за городом можно далеко слышать лай собак или шум машины. В такую погоду в приземной атмосфере возможна так называемая температурная инверсия. Обычно температура воздуха понижается с высотой, но в морозный день температура у поверхности земли, особенно в низине, может быть ниже, чем на некоторой высоте. Минимальная температура в приземном слое воздуха соответствует минимуму скорости распространения звука. Таким образом, температурная инверсия обеспечивает волноводное распространение звука у поверхности земли.

На рисунке 3 показано распределение температуры с высотой в атмосфере. Как видно, эта характеристика, как и в океане, имеет слоистую структуру. В областях нижней границы стратосферы (тропопауза) и нижней границы термосферы (мезопауза) температура, а следовательно, и скорость распространения звука достигают минимума. Здесь выполняются условия для существования атмосферных звуковых каналов. Звуковые волны от извержений вулканов или наземных взрывов распространяются по этим каналам на огромные расстояния и даже могут обогнуть Земной шар. Поэтому средняя атмосфера (от 20 до 120 км высоты) является хорошим проводником инфразвука. Это свойство атмосферы позволило ученым разработать методику инфразвукового зондирования атмосферы, базирующейся на явлении рассеяния акустических импульсов на слоистых неоднородностях скорости ветра и температуры атмосферы вплоть до высот нижней термосферы порядка 140 км. С помощью такой методики можно определить флуктуации скорости ветра в диапазоне высот от верхней стратосферы до нижней термосферы (90–140 км).

Сейсмические волны в земле. Аналогичным образом распространяются сейсмические волны в земле. Они могут быть как естественного происхождения, так и искусственные. В качестве естественных источников сейсмических волн мы можем назвать землетрясения, извержения вулканов, горные обвалы. Искусственным образом сейсмические волны возбуждаются наиболее эффективно взрывом или специальными многотонными вибраторами. Если в океане и атмосфере распространяются только продольные звуковые волны (в жидкостях и газах отсутствует сдвиговая упругость), то сейсмические волны могут быть как продольные, так и поперечные. Поперечные волны, в зависимости от плоскости колебаний, могут иметь разную поляризацию. Скорость распространения поперечных волн, как правило, в 2–3 раза меньше скорости распространения продольных. Наличие сейсмических волн двух типов расширяет возможности сейсмического зондирования в сравнении с зондированием океана или атмосферы.

Центральной задачей сейсмического зондирования является исследование структуры земли и поиск полезных ископаемых. Обе эти задачи требуют выполнения противоречивых подходов. С одной стороны, интересно заглянуть как можно глубже под поверхность земли. Этого можно достичь, понижая частоту сейсмического излучения. С понижением частоты снижаются потери, связанные с затуханием, и звуковые волны распространяются дальше. С другой стороны, уменьшение частоты ведет к росту длины излучаемой волны, а это снижает разрешающую способность дистанционного метода зондирования. Всё возрастающие требования к качеству разведки полезных ископаемых заставляют искать способы повышения разрешающей способности, а следовательно, и точности сейсморазведки.

Разрешить возникшее противоречие удалось за счет развития методов приема сейсмических сигналов. Известно, что чем больше приемная антенна, тем выше ее пространственное разрешение. Если принимать сигналы большим количеством приемников, объединенных в единую сеть, то можно повысить пространственную точность дистанционного зондирования. Но для этого требуется сложная обработка сигналов от многих сотен или даже тысяч приемников. Современная сейсморазведка обеспечивает достаточную точность зондирования, чтобы определить продуктивные залежи полезных ископаемых, например нефти или газа, на глубинах более 10 км. Современные технологии обеспечивают прохождение скважины горизонтально вдоль пласта, чтобы повысить эффективность добычи нефти. Толщина пласта составляет порядка 10 м на глубине несколько километров. При этом длина скважины может быть более 10 км. Точность прокладки скважины соизмерима с точностью выведения ракеты на траекторию к межпланетному полету.

Для зондирования структур земли используют естественные низкочастотные сейсмические сигналы от землетрясений или даже приливных волн, вызванных движением Луны. На рисунке 4 показан пример результатов такого зондирования на глубину более 50 км. Он свидетельствует о том, что в структуре земли есть не только горизонтальные слои, но и крупные вертикальные разломы, которые могут доходить до мантии.

Знание особенностей распространения низкочастотного звука в океане, атмосфере и земле позволило разработать и создать эффективную международную систему контроля за выполнением договора о всеобщем запрещении ядерных испытаний. Существует специальная схема расположения станций на земле и в океане, осуществляющих постоянный мониторинг и регистрирующих сейсмические, гидроакустические и инфразвуковые сигналы в атмосфере. Эти станции объединены в общую сеть и поэтому могут определить место и время события, приведшего к появлению того или иного сигнала.

Примером такой эффективности является обнаружение взрыва метеороида в небе над Челябинском 15 февраля 2013 года. Метеороид вошел в атмосферу под углом 20° со скоростью 18 км/с. По мере полета в атмосфере скорость метеороида уменьшалась и происходил его нагрев. Перед ним возникла ударная волна, в которой воздух был сильно сжат и разогрет. Метеороид разрушился, когда разность давлений на фронте ударной волны и на противоположной его стороне превысила предел прочности метеороида. Это разрушение (взрыв) сопровождалось вспышкой яркости излучения в течение пяти секунд. Максимум яркости наблюдался на высоте 23,3 км южнее Челябинска. Примерный эффективный диаметр метеороида равен 18 м, а его масса 11 000 тонн. Семнадцать станций зарегистрировали ударную волну этого взрыва. Последующий анализ позволил оценить эквивалент мощности взрыва в 2–3 кт тринитротолуола.

Современные проблемы применения медицинского ультразвука

Ультразвук мегагерцового диапазона частот достаточно хорошо распространяется в биологических тканях. Как известно, живые организмы почти на 90% состоят из воды. Поэтому скорость распространения звука в таких условиях близка к 1500 м/с, что соответствует скорости распространения звука в воде. Длина волны ультразвука на частоте 1 МГЦ равна при этом 1,5 мм, что обеспечивает достаточно высокое пространственное разрешение ультразвуковых методов.

Хорошо известно применение ультразвука в медицине для диагностики и исследования внутренних органов и суставов (УЗИ). Менее известны успехи в области ультразвуковой хирургии, хотя и здесь есть существенные результаты. Прежде всего это дробление и удаление камней из почек с помощью фокусированного воздействия ударными волнами — так называемая литотрипсия. Начиная с 1980-х годов литотрипсия является наиболее распространенной процедурой для удаления камней из почек. Другим быстро развивающимся направлением исследований является терапевтическое направление применения ультразвука, основное преимущество которого — лечебное воздействие внутри тела без повреждения окружающей ткани. Широкие возможности различных видов ультразвуковой терапии были продемонстрированы экспериментально, а некоторые из них уже нашли применение в клинической практике. Одним из примеров является интенсивный фокусированный ультразвук.

Рисунок 5 иллюстрирует основную идею применения фокусированного ультразвука. Акустическая интенсивность вблизи излучающего преобразователя достаточно низка, так что ткани не повреждаются. В фокальной области интенсивность заметно возрастает, и нагрев за счет поглощения волны достаточен для теплового разрушения белков ткани. Это позволяет неинвазивно «прижечь» место внутреннего кровотечения или вызвать некроз опухолевых тканей в глубоко расположенных областях человеческого тела. Наиболее перспективными, с точки зрения расширения применения ультразвуковых методов в медицине, являются гемостазис (остановка кровотечения), хирургия и стимуляция иммунного отклика. Можно также упомянуть ультразвуковой контроль и интенсификацию транспорта лекарств. Экспериментально было показано, что ультразвук может улучшать транспорт лекарств и генов через биологические барьеры: клетки, ткани и тромбы.

Укажем на некоторые основные проблемы, которые нуждаются в решении для успешного применения интенсивного ультразвука в практике.

Одной из важных задач является получение больших значений амплитуды акустической волны в фокусе с учетом структуры человеческого тела. Усиление ультразвуковой волны при фокусировке необходимо для обеспечения высокой интенсивности в небольшой фокальной области, чтобы не повредить остальные участки ткани на пути распространения ультразвука. Ультразвуковой ожог кожи является одним из характерных побочных эффектов при применении интенсивного ультразвука, поскольку в коже коэффициент поглощения ультразвука в несколько раз выше, чем в ткани. Поэтому на этом участке акустическая интенсивность должна быть как можно более низкой. Такую процедуру возможно реализовать, применяя многоэлементные ультразвуковые антенны, излучение которых будет согласовано со структурой тела, по которой должно пройти излучение.

Важными также являются технические разработки по созданию хорошего акустического согласования ультразвукового излучателя с телом. Дело в том, что ультразвуковые излучатели делаются, как правило, из пьезоэлектрической керамики. И для того чтобы обеспечить наилучшую передачу звуковой энергии в человеческое тело, нужно согласовать условия прохождения звука от твердой пьезокерамики к мягким биологическим тканям. Для этого применяют специальные контактные смазки или жидкости. Например, по сравнению с вогнутыми источниками плоские УЗ преобразователи гораздо труднее сделать фокусирующими, но зато для них легче обеспечить согласование при непосредственном контакте с кожей. Поглощение в костях еще сильнее, вот почему важно минимизировать попадание на них ультразвука. Соответствующая технология предполагает использование многоэлементных фазированных антенн для осуществления электронной фокусировки. На рисунке 6 показано схематическое изображение такой антенны для фокусировки ультразвукового излучения в мозг через кости черепа.

Мозг является тем органом, где применение терапии с использованием фокусированного ультразвука имеет свои особенности. Принципиальной трудностью здесь является тот факт, что ультразвуковые волны плохо проходят сквозь черепную коробку из-за поглощения в кости и отражения на ее границах. Кроме того, кости черепа неоднородны по толщине и характеризуются более высокой (по сравнению с расположенными за ними мягкими тканями) скоростью звука, что приводит к трудно предсказуемым эффектам рефракции. Решение проблемы ультразвукового воздействия и визуализации через толстые кости черепа возможно при использовании разработанных в последнее время методов волновой физики, связанных с компенсацией потерь и аберраций при распространении волн в неоднородной среде. В основе лежит голографический принцип, согласно которому распределение характеристик волнового поля на некоторой поверхности в этом поле содержит информацию о всей трехмерной структуре поля, а также принцип обратимости недиссипативных волновых процессов во времени и связанный с этим метод обращения волнового фронта.

Метод обращения волнового фронта, применяемый в радиолокации и при исследовании структуры подводных акустических каналов в океане, предполагает использование пробной волны, которая, проходя по неоднородной среде, регистрируется многоэлементной антенной. Зарегистрированный сигнал имеет сложную пространственную и временную структуру, что отражает многолучевое распространение через неоднородную среду. Если на антенне обратить во времени фазовые задержки зарегистрированного сигнала и излучить сигнал с такой сложной пространственно-временной фазовой модуляцией, то излученный сигнал, проходя в обратном порядке через те же самые неоднородности среды, соберется, т.е. сфокусируется в точку излучения пробного сигнала. Для реализации такого подхода необходимо использовать многоэлементные приемоизлучающие антенны, управляемые мощными вычислительными процессорами, обеспечивающими в реальном времени сложную многоканальную обработку сигналов.

Обратим внимание на еще одну особенность, требующую учета при применении интенсивного фокусированного ультразвука, — это акустическая нелинейность. Дело в том, что в уже использующихся в практике системах ультразвуковой хирургии уровни акустической интенсивности в области фокуса достигают 10 000– 30 000 Вт/см². При таких интенсивностях волна ведет себя нелинейным образом. Скорость распространения звуковой волны становится зависящей от ее фазы: волна в области сжатия имеет большую скорость распространения, чем в области разрежения. Поэтому в синусоидальной волне фаза сжатия догоняет фазу разрежения — в волне образуются разрывы и волна превращается в пилообразную, что в спектральном представлении соответствует обогащению монохроматического ультразвукового излучения высшими гармониками. Обогащение спектра излученного сигнала сказывается и на процессе дифракции. Дифракция и, соответственно, фокусировка ультразвукового излучения становятся нелинейными, т.е. амплитуднозависимыми процессами. Расстояние, на котором образуется разрыв в плоской гармонической волне с характерной для медицинских приложений частотой 1,5 МГц, составляет всего 3–5 мм. Этот масштаб соизмерим с размерами фокальной области ультразвукового пучка, поэтому при описании акустических полей таких систем безусловно необходимо учитывать нелинейные эффекты.

УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВИБРАЦИЙ: инструмент для исследовательской дерматологии | JAMA Dermatology

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ВИБРАЦИИ: инструмент для исследовательской дерматологии | JAMA Дерматология | Сеть ДЖАМА [Перейти к навигации]

Эта проблема

• Скачать PDF
• Полный текст

• Поделиться

  Твиттер Фейсбук Электронная почта LinkedIn

• Процитировать это
• Разрешения

Артикул

Февраль 1953 г.

HJ TEMPLETON, MD

Принадлежности авторов

ОКЛЕНД, КАЛИФОРНИЯ.

AMA Arch Derm Сифилол. 1953;67(2):158-162. doi: 10.1001 / archderm.1953.01540020036007

Полный текст

Абстрактный

ВИБРАЦИИ или длины волн, превышающие слышимые человеческим ухом (которое слышит вибрации от 20 до 20 000 гц), известны как ультразвуковые или сверхзвуковые колебания.

Эти вибрации имеют интересные возможности в области исследовательской дерматологии. Цель моего краткого предварительного отчета — привлечь внимание дерматологов к этому вопросу, так как в нашей литературе сообщений по нему немного.

Ультразвуковые колебания могут создаваться различными механическими или электрическими способами. Поскольку частота колебаний измеряется тысячами колебаний в секунду, единицей измерения является килоцикл; например, о 800 000 колебаний в секунду говорят как о частоте 800 килогерц. Частоты, наиболее часто используемые в различных биологических, медицинских, коммерческих и военных приложениях, находятся в диапазоне от 100 до 1500 килогерц.

Ультразвуковые волны отличаются от электромагнитных тем, что они не проходят через вакуум. Они

Полный текст

Добавить или изменить учреждение

• Академическая медицина
• Кислотно-основное, электролиты, жидкости
• Аллергия и клиническая иммунология
• Анестезиология
• Антикоагулянт
• Искусство и изображения в психиатрии
• Кровотечение и переливание
• Кардиология
• Уход за тяжелобольным пациентом
• Проблемы клинической электрокардиографии
• Клиническая задача
• Поддержка принятия клинических решений
• Клинические последствия базовой нейронауки
• Клиническая фармация и фармакология
• Дополнительная и альтернативная медицина
• Заявления о консенсусе
• Коронавирус (COVID-19)
• Медицина интенсивной терапии
• Культурная компетентность
• Стоматология
• Дерматология
• Диабет и эндокринология
• Интерпретация диагностического теста
• Разработка лекарств
• Электронные медицинские карты
• Скорая помощь
• Конец жизни
• Гигиена окружающей среды
• Справедливость, разнообразие и инклюзивность
• Этика
• Пластическая хирургия лица
• Гастроэнтерология и гепатология
• Генетика и геномика
• Геномика и точное здоровье
• Гериатрия
• Глобальное здравоохранение
• Руководство по статистике и методам
• Рекомендации
• Заболевания волос
• Модели медицинского обслуживания
• Экономика здравоохранения, страхование, оплата
• Качество медицинской помощи
• Реформа здравоохранения
• Медицинская безопасность
• Медицинские работники
• Различия в состоянии здоровья
• Несправедливость в отношении здоровья
• Информатика здравоохранения
• Политика здравоохранения
• Гематология
• История медицины
• Гуманитарные науки
• Гипертония
• Изображения в неврологии
• Наука внедрения
• Инфекционные болезни
• Инновации в оказании медицинской помощи
• Инфографика JAMA
• Право и медицина
• Ведущее изменение
• Меньше значит больше
• ЛГБТК-медицина
• Образ жизни
• Медицинский код
• Медицинские приборы и оборудование
• Медицинское образование
• Медицинское образование и обучение
• Медицинские журналы и публикации
• Меланома
• Мобильное здравоохранение и телемедицина
• Нарративная медицина
• Нефрология
• Неврология
• Неврология и психиатрия
• Примечательные примечания
• Сестринское дело
• Питание
• Питание, Ожирение, Упражнения
• Ожирение
• Акушерство и гинекология
• Гигиена труда
• Онкология
• Офтальмологические изображения
• Офтальмология
• Ортопедия
• Отоларингология
• Лекарство от боли
• Патология и лабораторная медицина
• Уход за пациентами
• Информация для пациентов
• Педиатрия
• Повышение производительности
• Показатели эффективности
• Периоперационный уход и консультации
• Фармакоэкономика
• Фармакоэпидемиология
• Фармакогенетика
• Фармация и клиническая фармакология
• Физическая медицина и реабилитация
• Физиотерапия
• Руководство врача
• Поэзия
• Здоровье населения
• Профилактическая медицина
• Профессиональное благополучие
• Профессионализм
• Психиатрия и поведенческое здоровье
• Общественное здравоохранение
• Легочная медицина
• Радиология
• Регулирующие органы
• Исследования, методы, статистика
• Реанимация
• Ревматология
• Управление рисками
• Научные открытия и будущее медицины
• Совместное принятие решений и общение
• Медицина сна
• Спортивная медицина
• Трансплантация стволовых клеток
• Наркомания и наркология
• Хирургия
• Хирургические инновации
• Хирургический жемчуг
• Обучаемый момент
• Технологии и финансы
• Искусство JAMA
• Искусство и медицина
• Рациональное клиническое обследование
• Табак и электронные сигареты
• Токсикология
• Травмы и травмы
• Приверженность лечению
• УЗИ
• Урология
• Руководство пользователя по медицинской литературе
• Вакцинация
• Венозная тромбоэмболия
• Здоровье ветеранов
• Насилие
• Женское здоровье
• Рабочий процесс и процесс
• Уход за ранами, инфекция, лечение

Сохранить настройки

Политика конфиденциальности | Условия использования

Возможное интегрированное средство проверки?

БЕСПЛАТНАЯ копия Руководства по внедрению Uptime Elements при подписке на еженедельник Reliability Weekly

Ваше путешествие начинается на виртуальном саммите по развитию надежности

Культура надежности ^®

Вибрационные и ультразвуковые технологии: возможный интегрированный инструмент контроля?

Что такое УЗИ?

Ультразвук определяется как высокочастотные звуковые волны, которые находятся за пределами человеческого восприятия. Обычно они начинаются с 20 килогерц (кГц) и поднимаются до мегагерцового диапазона. Воздушный/структурный ультразвук охватывает частоты от 20 кГц до 300 кГц.

Как работает прибор?

Ультразвуковые приборы, устанавливаемые в воздухе/конструкциях, предоставляют информацию несколькими путями: качественно благодаря их способности слышать ультразвук через шумоизолирующие наушники и количественно посредством пошаговых показаний на приборе/панели дисплея. Цифровые приборы обеспечивают встроенное хранение данных для регистрации данных и просмотра исходных данных. Некоторые новые версии инструментов также включают встроенную запись звука для спектрального анализа.

Приборы позволяют инспекторам подтвердить диагноз на месте, поскольку они четко различают различные звуки оборудования. Электронный процесс, называемый «гетеродинирование», точно преобразует ультразвук, воспринимаемый прибором, в слышимый диапазон, где пользователи могут слышать и распознавать их через наушники. Этот процесс позволяет пользователям записывать звуковые события с помощью обычных записывающих устройств.
Большинство звуков, воспринимаемых людьми, находятся в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. (Средний человеческий порог высокого класса составляет 16,5 кГц.) Размеры длин волн этих частот, как правило, относительно велики по сравнению с размерами звуковых волн, воспринимаемых ультразвуковыми преобразователями. Длина волны низкочастотных звуков в слышимом диапазоне составляет примерно 1,9см (3/4 дюйма) до 17 м (56 футов) в длину (при использовании средней высокой частоты 16,5 кГц), в то время как ультразвук, воспринимаемый ультразвуковыми детекторами, составляет всего от 0,3 см (1/8 дюйма) до 1,6 см. (5/8 дюйма). Поскольку длины волн ультразвука меньше, чем в слышимом диапазоне, они обладают характеристиками, которые благоприятны для анализа состояния. Одним из преимуществ является то, что амплитуда генерируемого ультразвука экспоненциально спадает от источника, что делает эмиссия локализована и легко изолирована для обнаружения и анализа.

Метод АЭ направлен непосредственно на высокочастотную (~ 100 кГц) составляющую упругих волн, генерируемых работающими механизмами. На результирующий сигнал АЭ очень сильно влияют процессы отказа, и он имеет гораздо более низкую чувствительность к эффектам нормально работающих компонентов. (т.е. хорошие машины работают намного тише на частоте 100 кГц, а неисправности машин, приводящие к ухудшению контактной поверхности, вызывают очень громкие сигналы). Благодаря этому можно анализировать ультразвуковой сигнал

Подключение к коллектору данных

Большинство ультразвуковых систем имеют выход, который можно подключить к коллектору данных вибрации. Настройка будет примерно одинаковой для всех, и то, что вы делаете с сигналом, также будет примерно одинаковым.

Примеры подключения ультразвуковых детекторов к коллектору данных можно получить у производителей оборудования. Все подключаются аналогичным образом и дадут аналогичные результаты.

Анализ

Выходной сигнал большинства ультразвуковых детекторов представляет собой гетеродинированный сигнал, поэтому вы можете рассматривать сигнал как прямое представление и масштабировать значения в инженерных единицах, таких как вольты, европейские единицы или даже гс. Определение параметра произвольно, так как в действительности он не имеет значения как амплитудное значение. Это используется исключительно для функции однократного анализа.

Гораздо лучший анализ может быть выполнен при использовании системы огибающей, которая чем-то похожа на гетеродинирование. Огибающая — это процесс демодуляции, который используется преимущественно для измерения зарождающихся дефектов, которые присутствуют, когда подшипник качения начинает выходить из строя. Существует множество различных типов оболочек, и многие из них могут применяться к ультразвуковым детекторам. Используя огибающую схему коллектора данных, вы эффективно удваиваете огибающую высокочастотную систему. Важно помнить, что речь идет о преждевременном износе подшипника качения или его смазывающей пленки. Толщина пленки жидкости в подшипнике качения менее одного микрона, если происходит разрыв пленки из-за отсутствия смазки или паразитных нагрузок

Обнаружить неисправность подшипника относительно легко; необходимо сделать тщательный выбор, если требуется обнаружение проблем с подшипниками. Ультразвук может быть одним из методов определения того, когда подшипники страдают от плохой смазки или подповерхностного истирания структуры подшипниковых металлов.

Существуют некоторые технологии прямого считывания данных с датчика. Их легче использовать в режиме мониторинга состояния, поскольку они поддерживают тенденции и масштабируемость.

Примеры

Чтобы продемонстрировать разницу в контроле подшипника с помощью датчика вибрации и ультразвука, подшипник контролировался, когда он был впервые установлен, а затем, когда он находился в состоянии основного отказа.

Подводные камни

Как правило, трудно отследить тренд выходных данных ультразвуковых детекторов, единицы измерения не масштабируются и будут варьироваться в зависимости от того, насколько далеко расположен датчик от измеряемого подшипника.

Ультразвуковой детектор является направленным, и необходимо позаботиться о том, чтобы обеспечить эффективный контроль источника ультразвука.

Выводы

Дополнение вибрационных испытаний спектральным анализом выходного сигнала ультразвукового детектора может быть полезным инструментом при анализе механических повреждений подшипников и других типов. Некоторые ультразвуковые приборы обнаруживают частоты с центром в диапазоне 40 ± 20 кГц. Другие имеют настраиваемые фильтры, все они, как правило, подходят для поиска проблем в режиме надежности, основанном на мониторинге состояния. Ультразвуковые сигналы демодулируются для создания звукового сигнала, который слышен через наушники или просматривается с помощью коллектора данных. Амплитуды спектров зависят не только от серьезности, но и от среды, через которую проходят сигналы. В результате данные трудно масштабировать и, следовательно, трудно отслеживать тенденции. Тем не менее, используя сборщик данных, можно проанализировать спектральные данные и определить причину неисправности машины. Частоты дефектов подшипников можно услышать, а их спектр просмотреть даже на расстоянии до 10 футов.