История. В прошлом. 1 страница

Колебания возбуждаются преобразованием в механические колебаний тока или напряжения. В большинстве ультразвуковых устройств используются излучатели этой группы: пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи.

Естественные – животные (летучие мыши, дельфины).

Получение ультразвука.

Источники ультразвука – естественные и искусственные:

Искусственные: первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены).

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.

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 УЗ излучения позволяет достичь сплав перминдюр (49%Co, 2%V, остальное Fe), который используется в мощных УЗ излучателях.

Параметрами контактного ультразвука являются пиковые значения виброскорости v или её логарифмические уровни L_v, определяемые по формуле

где v – среднее квадратическое значение виброскорости, м/с;

v₀ = 5·10^–8– опорное значение виброскорости, м/с.

Человека эволюционировал в среде ультразвука: колебания с частотой свыше 20 кГц невысокой интенсивности присутствуют в голосе человека, шуме ветра, скрипе деревьев и т. д. Однако факторы, в которых человек жил и развивался, не являются для него вредными. Проблема защиты от ультразвука возникла в середине прошлого века с внедрением мощного ультразвука для интенсификации многих промышленных процессов

Классификация. Ультразвуковые колебания могут распространяться:

• контактным способом – ультразвук распространяется при соприкосновении рук или других частей тела человека с источником ультразвука, обрабатываемыми деталями, приспособлениями для их удержания, озвученными жидкостями, сканерами медицинских диагностических приборов, физиотерапевтической и хирургической ультразвуковой аппаратурой и т. д.;

• воздушным способом – ультразвук распространяется по воздуху.

По спектральным характеристикам ультразвуковых колебаний выделяют:

• низкочастотный ультразвук – 16…63 кГц (указаны среднегеометрические частоты октавных полос);

• среднечастотный ультразвук – 125…250 кГц;

• высокочастотный ультразвук – 1.0…31.5 МГц.

Источником ультразвука является оборудование, в котором генерируются ультразвуковые колебания для выполнения технологических процессов, технического контроля и измерений, а также оборудование, при эксплуатации которого ультразвук возникает как сопутствующий фактор. Это все виды ультразвукового технологического оборудования, ультразвуковые приборы и аппаратура промышленного, медицинского, бытового назначения, генерирующие ультразвуковые колебания в диапазоне частот от 18 кГц до 100 МГц и выше, высокочастотные технологические установки для контактной или индукционной сварки труб или индукционного нагрева заготовок и т. д.

Применение ультразвука. Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:

1) получение информации о веществе;

2) воздействие на вещество;

3) обработка и передача сигналов.

Области применения ультразвука Частота в кГц 1 10 100 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷

Получение информации о веществе	Исследование состава и св-в веществ	газы
жидкости
твёрд.тела
Гидролокация
УЗ дефектоскопия
Контроль уровней и разм.
Медицинская диагностика
Воздействие на вещество	Коагуляция аэрозолей
Воздействие на горение
Очистка
Химические процессы
Эмульгирование
Диспергирование
Распыление
Кристаллизация
Металлизация, пайка
Механическая обработка
Сварка
Пластич. деформирование
Терапия
Хирургия
Обработка сигналов и управление ими	Линии задержки
Фильтры
Акустоэлектронные преоб.
Акустооптические устр-ва

В медицине. Ультразвук обладает действием: противовоспалительным, рассасывающим, аналгезирующим, спазмолитическим, кавитационным усилением проницаемости кожи.

Фонофорез — сочетанный метод, при котором на ткани действуют ультразвуком и вводимыми с его помощью лечебными веществами (как медикаментами, так и природного происхождения). Проведение веществ под действием ультразвука обусловлено повышением проницаемости эпидермиса и кожных желез, клеточных мембран и стенок сосудов для веществ небольшой молекулярной массы, особенно — ионов минералов бишофита.

Ультразвук, применяемый в медицине, может быть условно разделён на ультразвук низких и высоких интенсивностей. Основная задача применения ультразвука низких интенсивностей (0,125 — 3,0 Вт/см²) — неповреждающий нагрев или какие-либо нетепловые эффекты, а также стимуляция и ускорение нормальных реакций при лечении повреждений. При более высоких интенсивностях (> 5 Вт/см²) основная цель — вызвать управляемое избирательное разрушение в тканях.

Первое направление включает в себя большинство применений ультразвука в физиотерапии и некоторые виды терапии рака, ультразвуковое распыление лекарственных средств при ингаляциях, ультразвуковое исследование.

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. На обычных металлорежущих станках нельзя просверлить в металлической детали узкое отверстие сложной формы, например в виде пятиконечной звезды. Тут без слесаря не обойдёшься, а с помощью ультразвука это можно сделать. Магнитострикционный вибратор может просверлить отверстие любой формы. Ультразвуковое долото вполне заменяет фрезерный станок. При этом такое долото намного проще фрезерного станка и обрабатывать им металлические детали дешевле и быстрее, чем фрезерным станком. Ультразвуком можно даже делать винтовую нарезку в металлических деталях, в стекле, в рубине, в алмазе. Обычно резьба сначала делается в мягком металле, а потом уже деталь подвергают закалке. На ультразвуковом станке резьбу можно делать в уже закалённом металле и в самых твёрдых сплавах. То же и со штампами. Обычно штамп закаляют уже после его тщательной отделки. На ультразвуковом станке сложнейшую обработку производит абразив (наждак, корундовый порошок) в поле ультразвуковой волны. Беспрерывно колеблясь в поле ультразвука, частицы твёрдого порошка «вгрызаются в обрабатываемый сплав и вырезают отверстие такой же формы, как и у долота. Большинство ультразвуковых станков работает бесшумно. В недалеком будущем в цехах металлообрабатывающих заводов не будет ни лязга, ни грохота. Путь к тишине идёт через звук.

Приготовление смесей с помощью ультразвука. Широко применяется ультразвук для приготовления однородных смесей (гомогенизации). 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. Способность ультразвука разрывать оболочки клеток нашла применение в биологических исследованиях, например, при необходимости отделить клетку от ферментов. Ультразвук используется также для разрушения таких внутриклеточных структур, как митохондрии и хлоропласты с целью изучения взаимосвязи между их структурой и функциями. Другое применение ультразвука в биологии связано с его способностью вызывать мутации. Исследования, проведённые в Оксфорде, показали, что 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 работать.

Применение ультразвука для очистки. 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. В некоторых стиральных машинах применяют ультразвук для стирки белья.

Применение ультразвука для очистки корнеплодов. В некоторых пищевых производствах применяют 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.

Применение ультразвука в расходометрии. Для контроля расхода и учета воды и теплоносителя с 60-х годов прошлого века в промышленности применяются ультразвуковые расходомеры. Неоспоримые достоинства ультразвуковых расходомеров: малое или полное отсутствие гидравлического сопротивления, надежность (так как нет подвижных механических элементов), высокая точность, быстродействие, помехозащищенность – определили их широкое распространение.

Применение ультразвука в дефектоскопии. Ультразвук хорошо распространяется в некоторых материалах, что позволяет использовать его для ультразвуковой дефектоскопии изделий из этих материалов. В последнее время получает развитие направление ультразвуковой микроскопии (с использованием частот от 100 МГц до 2 ГГц), позволяющее исследовать подповерхностный слой материала с хорошей разрешающей способностью.

Нормирование ультразвука. В соответствии с ГОСТ 12.1.001–89 “Ультразвук. Общие требования безопасности” и СанПиН 2.2.4./2.1.8.582–96 “Гигиенические требования при работах с источниками воздушного и контактного ультразвука промышленного, медицинского и бытового назначения” нормируемыми параметрами воздушного ультразвука являются уровни звукового давления в децибелах в третьоктавных полосах со среднегеометрическими частотами 12.5; 16; 20; 25; 31.5; 40; 50; 63; 80; 100 кГц.

Среднегеометрические частоты третьоктавных полос, кГц	Уровни звукового давления, дБ
12.5
16.0
20.0
25.0
31.5…100.0

Нормируемыми параметрами контактного ультразвука являются пиковые значения виброскорости v или её логарифмические уровни Lv, выражаемые в децибелах в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 16; 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000; 16 000; 31 500 кГц.

Среднегеометрические частоты октавных полос, кГц	Пиковые значения виброскорости, м/с	Уровни виброскорости, дБ
16.0…63.0	5×10^– 3
125.0…500.0	8.9 10^– 3
1 10^3…31.5×10^3	1.6×10^– 2

Влияние. Несмотря на то, что человек не слышит ультразвука, последний воздействует на него, вызывая ряд проблем и заболеваний.

Мощный воздушный ультразвук воздействует на нервные клетки головного и спинного мозга, вызывая ощущение тошноты и жжения в слуховом аппарате.

Длительное систематическое воздействие ультразвука, распространяющегося воздушным путём, вызывает изменения нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов. Наиболее характерным является наличие вегето-сосудистой дистонии и астенического синдрома.

При использовании ультразвуковых источников бытового назначения, как правило, генерирующих колебания с частотами ниже 100 кГц, допустимые уровни воздушного и контактного ультразвука не должны превышать 75 дБ на рабочей частоте источника.

Защита от ультразвука. В связи с малой длиной звуковой волны в области частот, определённых ГОСТ 12.1.001–89, индивидуальные средства защиты, такие как заглушки и наушники, имеют более высокую эффективность, чем в области низких частот. Здесь эффективны также экранные наушники в виде пластинок, закрывающих уши только спереди (снижение шума до 20 дБ), при габаритных размерах 50´40 мм², тогда как такое же снижение обычного шума потребовало бы увеличения этих габаритов до размера ушей слона.

Защита от контактного ультразвука состоит в полном исключении непосредственного соприкосновения с облучаемым инструментом, жидкостью и изделиями.

При применении контактного ультразвука в медицине защита медицинского персонала производится виброизоляцией ручек и держателей медицинского инструмента. Защита пациента, в том числе беременных женщин и плода, осуществляется ограничением излучаемой мощности и продолжительности излучения, т. е. ограничением дозы.

Для исключения контакта с источниками УЗ необходимо применять:

- дистанционное управление источниками УЗ;

- приспособления для удержания источника УЗ или предметов, которые могут служить в качестве твердой контактной среды;

- автоблокировку, т.е. автоматическое отключение источников УЗ при выполнении вспомогательных операций (нанесение смазок, загрузка-выгрузка продукции, мед. инструмента и т.д.).

Для защиты рук от воздействия контактного УЗ в твердых, жидких, газообразных средах, а также от контактных смазок применяются СИЗ: нарукавники, рукавицы или перчатки (наружные резиновые и внутренние х/б).

Организационно-профилактические мероприятия заключаются в проведении инструктажа работающих и установлении рациональных режимов труда и отдыха. При систематической работе с источниками контактного УЗ в течение более 50 % рабочего времени необходимо устраивать 2 регламентированных перерыва – 10-минутный за 1-1,5 ч до и 15-минутный перерыв через 1,5-2 ч после обеденного перерыва для проведения физиопрофилактических процедур.

Инфразвук – звуковые колебания и волны с частотами, лежащими ниже полосы слышимых (акустических) частот – 16…20(25) Гц. Нижняя граница инфразвукового диапазона неопределенна.

Источники.

Инфразвук содержится в шуме атмосферы, леса и моря. Источником инфразвуковых колебаний являются грозовые разряды (гром), а также взрывы и орудийные выстрелы.

В природе. "Голос моря" - это инфразвуковые волны, возникающие над поверхностью моря при сильном ветре, в результате вихреобразования за гребнями волн. Вследствие того, что для инфразвука характерно малое поглощение, он может распространяться на большие расстояния, а поскольку скорость его распространения значительно превышает скорость перемещения области шторма, то "голос моря" может служить для заблаговременного предсказания шторма.

Своеобразными индикаторами шторма являются медузы. На краю "колокола" у медузы расположены примитивные глаза и органы равновесия - слуховые колбочки величиной с булавочную головку. Это и есть "уши" медузы. Они слышат инфразвуки с частотой 8 - 13 герц. Шторм разыгрывается еще за сотни километров от берега, он придет в эти места примерно часов через 20, а медузы уже слышат его и уходят на глубину.
Нужно отдать должное бионикам, которые создали электронный автоматический аппарат - предсказатель бурь, работа которого основана на принципе "инфрауха" медузы. Такой прибор может предупредить о готовящейся буре за 15 часов, а не за два, как обычный морской барометр.

Инфразвук довольно часто возникает вследствие естественных причин: его источником могут быть бури и ураганы, а также некоторые типы землетрясений. Некоторые животные, например, слоны, используют его с коммуникационными целями, а также для отпугивания врагов. Недавно учёные предположили, что тигры используют 18-герцевый рёв непосредственно перед нападением, чтобы ошеломить жертву.
Инфразвук в старых замках может генерироваться коридорами и окнами, если скорости сквозняков в них и геометрические параметры помещений совпадают нужным образом.
Учёные полагают также, что естественный инфразвук может стимулировать агрессию и усиливать беспорядки. Возможно, что это объясняет связь роста числа психозов и безумий в определённых местностях с естественными явлениями, вроде Мистраля (в долине Роны) или Сирокко (в Сахаре). Ведь ветры тоже могут быть источником инфразвука.
Тут уместно припомнить и инфразвуковую гипотезу разгадки тайны Бермудского треугольника, согласно которой волны генерируют инфразвук, вызывающий безумие экипажа или даже смерти людей, что приводит к гибели неуправляемого судна или появлению легенд о "летучих голландцах" – невесть почему оставленных командой. В земной коре наблюдаются сотрясения и вибрации инфразвуковых частот от самых разнообразных источников, в том числе от взрывов обвалов и транспортных возбудителей.

Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах вследствие чего инфразвуковые волны в воздухе, воде и в земной коре могут распространяться на очень далёкие расстояния. Это явление находит практическое применение при определении места сильных взрывов или положения стреляющего орудия. Распространение инфразвука на большие расстояния в море даёт возможность предсказания стихийного бедствия — цунами. Звуки взрывов, содержащие большое количество инфразвуковых частот, применяются для исследования верхних слоев атмосферы, свойств водной среды.

В музыке. Если посмотреть в прошлое, то там можно уже заметить воздействие инфразвуковыми частотами на человека. Вот инструкция из книги Мишеля Харнера “Путь шамана”: Для входа в “туннель” вам понадобится, чтобы ваш партнер все время, необходимое для получения вами “шаманского состояния сознания” сопровождал ударами в барабан или бубен с частотой 120 ударов в минуту (2 Гц). Также можно использовать магнитофонную запись шаманского “камлания”. Через несколько минут вы увидите туннель из черных и белых колец и начнете двигаться по нему. Скорость чередования колец задается ритмом ударов.

Известно, что современная рок-музыка, джаз и т.п. обязаны своим происхождением традиционной африканской “музыке”. Эта, так называемая “музыка”, не что иное, как элемент ритуальных действий африканских шаманов или коллективных ритуальных действий племени. Большинство мелодий и ритмов рок-музыки взяты непосредственно из практики африканских шаманов. Таким образом, воздействие рок-музыки на слушателя основано на том, что он вводится в состояние, похожее на то, которое переживает шаман во время ритуальных действий. “Сила рока заключена в прерывистых пульсациях, ритмах, вызывающих биопсихическую реакцию организма, способную повлиять на функционирование различных органов. Если ритм кратен полутора ударам в секунду и сопровождается мощным давлением инфразвуковых частот, то способен вызвать у человека экстаз. При ритме же равном двум ударам в секунду, и на тех же частотах, слушающий впадает в танцевальный транс, который сходен наркотическому”.

В технике. Все механизмы, которые работают при частотах вращения меньше 20 об/с, излучают инфразвук. При движении автомобиля со скоростью более 100 км/час он является источником инфразвука, который возникает за счет срыва воздушного потока с его поверхности. В машиностроительной отрасли инфразвук возникает при работе вентиляторов, компрессоров, двигателей внутреннего сгорания, дизельных двигателей.

О наличии ИЗ в производственных помещениях свидетельствуют:

технологические признаки — высокая единичная мощность машин, низкое число оборотов, ходов или ударов (напр., поршневые компрессоры с рабочей частотой 1200 об/мин и менее, виброплощадки и т. д.); неоднородность или цикличность технологического процесса при обработке крупногабаритных деталей или больших масс сырья (напр., мартены и конвертеры металлургического производства, горнодобывающая промышленность); флюктуация мощных потоков газов или жидкостей (напр., газодинамические или химические установки);

конструктивные признаки — большие габариты двигателей или рабочих органов (напр., карьерные экскаваторы); наличие замкнутых объемов, возбуждаемых динамически (напр., кабины наблюдения технологического оборудования); подвеска самоходных и транспортно-технологических машин;

строительные признаки — большие площади перекрытий или ограждений источников шума (напр., смежное расположение административных помещений с производственными); наличие замкнутых звукоизолированных объемов (напр., кабина наблюдения оператора).

Первые реальные попытки создать инфразвуковое оружие предприняли немцы во время Второй Мировой. В 1940 году они задумали подбросить англичанам множество специальных копий грампластинок с записями популярных исполнителей, но с добавкой инфразвука.

План состоял в том, чтобы вызвать у слушателей смятение, чувство страха и прочие психические расстройства.

Германские стратеги упустили из виду, что никакие проигрыватели тех лет не могли бы эти частоты воспроизвести. Более успешными были опыты нацистских учёных по воздействию инфразвука на предметы.

Австрийский исследователь доктор Циппермейер (Zippermeyer) создал "Ураганное орудие" (Whirlwind Cannon). Оно должно было производить вихри за счёт взрывов в камере сгорания и направления ударных волн через специальные наконечники. Вихри эти должны были сбивать самолёты.

Эксперименты с маленьким прототипом звукового орудия, по некоторым данным, разрушали доски на расстоянии около 200 метров. Но полномасштабный образец оказался несостоятельным, так как тот же эффект невозможно было воспроизвести на большом удалении от пушки.

Чудовищную установку обнаружили союзники в Хиллерслебене (Hillersleben) в апреле 1945 года. Возможно, что неудавшийся проект немцев подтолкнул американцев к собственным исследованиям в этой области.

В настоящем. Некоторое время назад в журналах появилось описание акустической системы (колонки) с необычайно высоким качеством звука и ровной амплитудно-частотной характеристикой и отсутствием переходных искажений в полосах раздела фильтров, разделяющих разные динамики: НЧ, СЧ, ВЧ. Это было достигнуто применением не совсем обычной конструкции. В конструкцию колонки входили два абсолютно одинаковых ультразвуковых излучателя, состроенных по фазе. Один из них излучал ультразвук определенной частоты, например (точно не сообщается) 40 кГц. На другой динамик подавался ультразвуковой сигнал, частотно промодулированный сигналом с входа колонок, то есть музыкальным. В результате наложения ультразвуковых излучений в воздухе перед колонкой происходило резонансное детектирование акустического сигнала. По заверениям разработчиков, система имела очень хороший звук, мало менявшийся от расположения слушателя. По неизвестным причинам система не получила дальнейшего распространения, возможно, из-за дурного влияния ультразвука на здоровье людей и целостность сооружений. На таком принципе сейчас и делаются мощные генераторы инфразвука.

По сообщению еженедельника "Дефенс ньюс", работа над опытными образцами боевых инфразвуковых генераторов практически завершена. "Америкен текнолоджи корпорешн" разработала четыре типа инфразвукового оружия, которые были испытаны в ноябре 1999 года на полигоне Куантико (шт.Вирджиния). Два из них предназначены для вооружения одиночного бойца, два других монтируются на стандартных армейских транспортерах. Все типы этих боевых генераторов вырабатывают инфразвук интенсивностью от 120 до 130 децибел. Такой уровень обеспечивает высокую избирательность атаки и позволяет направить звуковой "луч" на определенную цель, в том числе - на отдельного человека.

Сейчас наши спецслужбы отрицают факты существования звукового оружия на территории России. Тем не менее, в 2001 году Государственная дума принимает поправку к федеральному закону «Об оружии», где запрещает использовать в нашей стране «предметы, поражающее действие которых основано на инфразвуковом или ультразвуковом излучении» в любых целях, кроме военных.

Нормирование инфразвука. Нормирование инфразвука осуществляется в соответствии с санитарными нормами СН 2.2.4/2.1.8.583–96 “Инфразвук на рабочих местах, в жилых и общественных помещениях и на территории жилой застройки”. Предельно допустимые уровни ИЗ на рабочих местах дифференцированы с учетом тяжести и напряженности выполняемой работы. Для работ различной степени тяжести в производственных помещениях и на территории предприятий ПДУ составляет 100 дБ Лин; для работ различной степени интеллектуально-эмоциональной напряженности — 95 дБ Лин; для колеблющегося во времени и прерывистого ИЗ уровни звукового давления не должны превышать 120 дБ Лин.

Дата добавления: 2014-12-16