Источники ультразвука. Применение ультразвука в биологии.

Источники ультразвука. Применение ультразвука в биологии. Выполнила Студентка группы Ф-43 пр Гурская Татьяна

Ультразвук - упругие звуковые колебания высокой частоты от 20 000 до 1000000 Гц. - Ультразвуковой пучок с необходимыми параметрами можно получить с помощью соответствующего преобразователя. Наиболее распространены керамические преобразователи из титаната бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвукового пучка, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены). Первый ультразвуковой свисток сделал в 1883 году англичанин Гальтон.

Ультразвуковой свисток Гальтона с резонансной полостью Ультразвук здесь создается подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона играет "губа" в маленькой цилиндрической резонансной полости. Газ, пропускаемый под высоким давлением через полый цилиндр, ударяется об эту "губу"; возникают колебания, частота которых (она составляет около 170 к. Гц) определяется размерами сопла и губы. Мощность свистка Гальтона невелика. В основном его применяют для подачи команд при дрессировке собак.

Жидкостный ультразвуковой свисток. Большинство ультразвуковых свистков можно приспособить для работы в жидкой среде. По сравнению с электрическими источниками ультразвука жидкостные ультразвуковые свистки маломощны, но иногда, например, для ультразвуковой гомогенизации, они обладают существенным преимуществом. Так как ультразвуковые волны возникают непосредственно в жидкой среде, то не происходит потери энергии ультразвуковых волн при переходе из одной среды в другую. Пожалуй, наиболее удачной является конструкция жидкостного ультразвукового свистка, изготовленного английскими учеными Коттелем и Гудменом в начале 50 -х годов 20 века. В нем поток жидкости под высоким давлением выходит из эллиптического сопла и направляется на стальную пластинку. Различные модификации этой конструкции получили довольно широкое распространение для получения однородных сред. Благодаря простоте и устойчивости своей конструкции (разрушается только колеблющаяся пластинка) такие системы долговечны и недороги.

Сирена Другая разновидность механических источников ультразвука - сирена. Она обладает относительно большой мощностью и применяется в милицейских и пожарных машинах. Все ротационные сирены состоят из камеры, закрытой сверху диском (статором), в котором сделано большое количество отверстий. Столько же отверстий имеется и на вращающемся внутри камеры диске - роторе. При вращении ротора положение отверстий в нем периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подается сжатый воздух, который вырывается из нее в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают. Поперечное сечение ультразвуковой сирены:

Источники ультразвука излучатели- электроакустические Природные генераторы преобразователи явления естественные шумы Звуки животного мира

Излучатели-генераторы - устройства, в которых колебания возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока – струи газа или жидкости. Применяются для ряда акустических исследований (осаждение дыма в заводских трубах, осаждение тумана, исследования распространения звука и т. д. ). Жидкостные вихревые свистки используются для приготовления эмульсий.

Электроакустические преобразователи - преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны. В зависимости от направления преобразования различают излучатели и приёмники. Электроакустические преобразователи широко используют для излучения и приёма звука в технике связи и звуковоспроизведения, для измерения и приёма упругих колебаний в ультразвуковой технике, гидролокации и в акустоэлектронике.

шум ветра водопада дождя шум гальки, перекатываемой морским прибоем звуки, сопровождающие грозовые разряды

• . Летучие мыши, используют при ночном ориентировании эхолокацию, испускают при этом ртом сигналы чрезвычайно высокой интенсивности. У ночных бабочек из семейства медведиц развился генератор ультразвуковых помех, «сбивающий со следа» летучих мышей, преследующих этих насекомых. Ультразвуковой эхолокацией в воде пользуются китообразные.

Ультразвук применяется в биологии в медицине в химической промышленности в технике

Существует несколько способов введения ультразвуковой энергии в исследуемую область. Наиболее распространенный способ - контактный , когда преобразователь прикладывается непосредственно к коже. В этом случае передача акустической энергии осуществляется через тонкий слой контактного вещества, акустический импеданс (полное сопротивление) которого близок к импедансу кожи. При лечении частей тела неудобных конфигураций, например, колен или локтей, облучение можно проводить при погружении тела в ванну с водой. Также могут использоваться акустически прозрачные мешки с водой. Мешок может принимать форму облучаемой части тела, а акустический контакт с кожей осуществляется через слой контактного вещества.

Обычно в качестве контактных веществ используются легко стерилизуемые жидкости с подходящим акустическим импедансом, такие как минеральное или парафиновое масла. Используются и тиксотропные вещества (типа гелей). Их удобно использовать, поскольку в обычном состоянии они достаточно вязки, но под действием ультразвука разжижаются. Количество энергии, передаваемое через различные жидкости, практически одно и тоже, если слой достаточно тонок, и зависит скорее от давления преобразователя на контактное вещество, чем от его состава. Во время процедуры преобразователь может удерживаться в одном положении (режим стационарного излучателя) или непрерывно перемещаться над обрабатываемой областью (режим движущегося излучателя). При любой возможности необходимо избегать режима стационарного излучателя, поскольку возможно образование стоячих волн и "горячих точек", которые могут привести к локальным повреждениям.

Диагностическое применение ультразвука в медицине (УЗИ) - неинвазивное исследование организма человека или животного с помощью ультразвуковых волн.

По физической природе УЗИ, как и звук, является механической (упругой) волной. Однако длина волны УЗ существенно меньше длины звуковой волны. Дифракция волн существенно зависит от соотношения длины волн и размеров тел, на которых волна дифрагирует. Волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха. Поэтому если УЗ- излучатель приложить к телу человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет отражаться из-за тонкого слоя воздуха между излучателем и биологическим объектом. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность УЗ-излучателя покрывают слоем масла.

Скорость распространения ультразвуковых волн и их поглощение существенно зависят от состояния среды; на этом основано использование ультразвука для изучения молекулярных свойств вещества. Исследования такого рода являются предметом молекулярной акустики. Сжатия и разрежения, создаваемые ультразвуком, приводят к образованию разрывов сплошности жидкости — кавитаций. Кавитации существуют недолго и быстро захлопываются, при этом в небольших объемах выделяется значительная энергия, происходит разогревание вещества, а также ионизация и диссоциация молекул.

Кавитации существуют недолго и быстро захлопываются, при этом в небольших объемах выделяется значительная энергия, происходит разогревание вещества, а также ионизация и диссоциация молекул. Физические процессы, обусловленные воздействием УЗ, вызывают в биологических объектах следующие основные эффекты: - микровибрации на клеточном и субклеточном уровне; - разрушение биомакромолекул; - перестройку и повреждение биологических мембран, изменение проницаемости мембран; - тепловое действиеразрушение клеток и микроорганизмов.

Ультразвук применяется в медицине как лечебное средство. Ультразвук обладает действием: противовоспалительным, рассасывающим; анальгезирующим, спазмолитическим; кавитационным усилением проницаемости кожи.

Применение ультразвука в терапии и хирургии Ультразвук, применяемый в медицине, может быть условно разделен на ультразвук низких и высоких интенсивностей. Основная задача применения ультразвука низких интенсивностей (0, 125 — 3, 0 Вт/см 2) — неповреждающий нагрев или какие-либо нетепловые эффекты, а также стимуляция и ускорение нормальных физиологических реакций при лечении повреждений. При более высоких интенсивностях (> 5 Вт/см 2) основная цель — вызвать управляемое избирательное разрушение в тканях. Первое направление включает в себя большинство применений ультразвука в физиотерапии и некоторые виды терапии рака, второе — ультразвуковую хирургию. Существуют две основные области применения ультразвука в хирургии. В первой из них используется способность сильно фокусированного пучка ультразвука вызывать локальные разрушения в тканях, а во второй механические колебания ультразвуковой частоты накладываются на хирургические инструменты типа лезвий, пил, механических наконечников.

Резка металла с помощью ультразвука С помощью ультразвука магнитострикционный вибратор может просверлить отверстие любой формы. Ультразвуком можно даже делать винтовую нарезку в металлических деталях, в стекле, в рубине, в алмазе.

Приготовление однородных смесей с помощью ультразвука Еще в 1927 году американские ученые Лимус и Вуд обнаружили, что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду) слить в одну мензурку и подвергнуть облучению ультразвуком, то в мензурке образуется эмульсия, то есть мелкая взвесь масла в воде. Подобные эмульсии играют большую роль в промышленности: это лаки, краски, фармацевтические изделия, косметика.

Применение ультразвука в биологии • отделение клетки от ферментов. • разрушение таких внутриклеточных структур, как митохондрии и хлоропласты с целью изучения взаимосвязи между их структурой и функциями. • Способность вызывать искусственные мутации играет большую роль в селекции растений. Главное преимущество ультразвука перед другими мутагенам (рентгеновские лучи ультрафиолетовые лучи) в том, что с ним чрезвычайно легко.

Применение ультразвука для очистки изделий. В лабораториях и на производстве применяются ультразвуковые ванны для очистки лабораторной посуды и деталей от мелких частиц. В ювелирной промышленности ювелирные изделия очищают от мелких частиц полировальной пасты в ультразвуковых ваннах. Для стирки текстильных изделий. Общим для них является принцип действия: упругие волны ультразвука действуют на загрязнения, «выбивая» грязь с помощью поверхностно-активных веществ.

Применение ультразвука для очистки корнеплодов используются ультразвуковые ванны для очистки корнеплодов (картофеля, моркови, свеклы и др. ) от частиц земли.

Применение ультразвука в эхолокации В рыбной промышленности применяют ультразвуковую эхолокацию для обнаружения косяков рыб. Ультразвуковые волны отражаются от косяков рыб и приходят в приёмник ультразвука раньше, чем ультразвуковая волна, отразившаяся от дна.

Ультразвуковая сварка — сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний. Такой вид сварки применяется для соединения деталей, нагрев которых затруднен, или при соединении разнородных металлов или металлов с прочными окисными пленками (алюминий, нержавеющие стали, магнитопроводы из пермаллоя и т. п. ). Так ультразвуковая сварка применяется при производстве интегральных микросхем.

Ультрозвуковая дефектоскопия — поиск дефектов в материале изделия ультразвуковым методом, то есть путём излучения и принятия ультразвуковых колебаний, и дальнейшего анализа их амплитуды, времени прихода, формы и других характеристик с помощью специального оборудования — ультразвукового дефектоскопа.

Применение ультразвука в гальванотехнике для интенсификации гальванических процессов и улучшения качества покрытий, получаемых электрохимическим способом.

Как показали исследования, ультразвук даже малой интенсивности может повредить молекулу ДНК. Искусственное целенаправленное создание мутаций играет большую роль в селекции растений. Главное преимущество ультразвука перед другими мутагенами (рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи) заключается в том, что с ним чрезвычайно легко и безопасно работать.