УЛЬТРАЗВУК

УЛЬТРАЗВУК упругие колебания
и волны с частотами приблизительно от 1,5-2*10⁴ гц (15-20
кгц)
и до 10⁹ гц (1 Ггц); область частот У. от
10⁹ до 10^12-13 гц принято наз. гиперзвуком.
Область
частот У. можно подразделить на три подобласти: У. низких частот (1,5*10⁴-10⁵
гц) - УНЧ, У. средних частот (Ю⁵ - Ю⁷ гц)
- УСЧ и область высоких частот У. (10⁷-10⁹ гц)
- УЗВЧ. Каждая из этих подобластей характеризуется своими специфич.
особенностями генерации, приёма, распространения и применения.



Физические свойства и особенности
распространения ультразвука. По своей физич. природе У. представляет
собой упругие волны и в этом он не отличается от звука. Частотная
граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами поэтому условна; она
определяется субъективными свойствами человеч. слуха и соответствует усреднённой
верхней границе слышимого звука. Однако благодаря более высоким частотам
и, следовательно, малым длинам волн имеет место ряд особенностей
распространения У. Так, для УЗВЧ длины волн в воздухе составляют
3,4*10^-3-3,4*10^-5 см, в воде
1,5*10^-2-1,5*10^-4 см и в стали 5*10^-2-
5 • 10^-4 см. У. в газах и, в частности, в воздухе распространяется
с большим затуханием (см. Поглощение звука). Жидкости и твёрдые
тела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило,
хорошие проводники У., затухание в к-рых значительно меньше. Так, напр.,
в воде затухание У. при прочих равных условиях прибл. в 1000 раз меньше,
чем в воздухе.

Поэтому области использования УСЧ и
УЗВЧ относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе
и газах применяют только УНЧ. Ввиду малой длины волны У. на характере его
распространения сказывается молекулярная структура среды, поэтому, измеряя
скорость У. с и коэфф. поглощения а, можно судить о молекулярных свойствах
вещества. Этими вопросами занимается молекулярная акустика. Характерная
особенность распространения У. в газах и жидкостях - существование отчётливо
выраженных областей дисперсии, сопровождающейся резким возрастанием его
поглощения (см. Дисперсия звука). Коэфф. поглощения У. в ряде жидкостей
существенно превосходит рассчитанный по классич. теории и не обнаруживает
предсказанного этой теорией увеличения, пропорционального квадрату
частоты. Все эти эффекты находят объяснение в релаксационной теории (см.
Релаксация),
к-рая описывает распространение У. в любых средах и является теоретич.
базой совр. молекулярной акустики, а основной эксперимент. метод - измерение
зависимости с и особенно а от частоты и от внешних условий (темп-ры,
давления и др.).

Совокупность уплотнений и разрежений,
сопровождающая распространение ультразвуковой волны, представляет собой
своеобразную решётку, дифракцию световых волн на к-рой можно наблюдать
в оптически прозрачных телах. Малая длина ультразвуковых волн является
основой для того, чтобы рассматривать их распространение в ряде случаев
метода-ми геометрической акустики. Физически это приводит к лучевой
картине распространения. Отсюда вытекают такие свойства У., как возможность
геометрич. отражения и преломления, а также фокусировки звука (рис.
1).

Следующая важная особенность У.- возможность
получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах
колебаний, т. к. при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна
квадрату частоты. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются
рядом эффектов, к-рые могут быть описаны .лишь законами нелинейной акустики.
Так,
распространению ультразвуковых волн в газах и в жидкостях сопутствует движение
среды, к-рое наз. акустическим течением (рис. 2). Скорость акустич. течения
зависит от вязкости среды, интенсивности У. и его частоты; вообще говоря,
она мала и составляет доли % от скорости У.

К числу важных нелинейных явлений,
возникающих при распространении интенсивного У. в жидкостях, относится
акустич. кавитация - рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся
субмикроскопич. зародышей газа или пара в жидкостях до размеров в доли
мм,
к-рые начинают пульсировать с частотой У. и захлопываются в положит. фазе
давления. При захлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления
порядка тысяч атмосфер, образуются сферич. ударные волны. Возле пульсирующих
пузырьков образуются акустич. микропотоки. Явления в кави-тационном
поле приводят к ряду как полезных (получение эмульсий, очистка загрязнённых
деталей и др.), так и вредных (эрозия излучателей У.) явлений. Частоты
У., при к-рых используется ультразвуковая кавитация в технологич. целях,
лежат в области УНЧ. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит
от рода жидкости, частоты звука, темп-ры и др. факторов. В воде на частоте
20 кгц она составляет ок. 0,3 вт/см².
На частотах
диапазона УСЧ в ультразвуковом поле с интенсивностью от нескольких вт/см²
может возникнуть фонтани-рование жидкости (рис. 3) и распыление её
с образованием весьма мелкодисперсного тумана.



Генерация ультразвука. Для генерирования
ультразвуковых колебаний применяют разнообразные устройства, к-рые могут
быть разбиты на 2 осн. группы - механические, в к-рых источником У. является
механич. энергия потока газа или жидкости, и электромеханические, в к-рых
ультразвуковая энергия получается преобразованием электрической. Механич.
излучатели У.- воздушные и жидкостные свистки и сирены - отличаются
сравнит. простотой устройства и эксплуатации, не требуют дорогостоящей
электрич. энергии высокой частоты, кпд их составляет 10-20% . Основной
недостаток всех механич. ультразвуковых излучателей - сравнительно широкий
спектр излучаемых частот и нестабильность частоты и амплитуды, что не позволяет
их использовать для контрольно-измерит. целей; они применяются гл. обр.
в промышленной ультразвуковой технологии и частично - как средства сигнализации.

Основной метод излучения У.- преобразование
тем или иным способом электрич. колебаний в колебания механические. В диапазоне
УНЧ возможно применение электродинамич. и электроста-тич. излучателей.
Широкое применение в этом диапазоне частот нашли излучатели У., использующие
магнитострикцион-ный эффект (см. Магнитострикция) в никеле и в ряде
спец. сплавов, также в ферритах. Для излучения УСЧ и УЗВЧ используется
гл. обр. явление пьезоэлектричества. Осн. пьезоэлектрическими
материалами для излучателей У. служат пьезокварц, ниобат лития, дигидрофосфат
калия, а в диапазоне УНЧ и УСЧ-главным образом различные пьезо-керамические
материалы. Магнитострикционные излучатели представляют собой сердечник
стержневой или кольцевой формы с обмоткой, по к-рой протекает переменный
ток, а пьезоэлектрические - пластинку (рис. 4) или стержень из пьезоэлектрич.
материала с металлич. электродами, к к-рым прикладывается переменное электрич.
напряжение. В диапазоне УНЧ широкое распространение получили составные
пьезоизлучатели, в к-рых пьезокерамич. пластинка зажимается между металлич.
блоками. Как правило, для увеличения амплитуды колебаний и излучаемой в
среду мощности применяются колебания магнитострик-ционных и пьезоэлектрич.
элементов на их собственной резонансной частоте.

Предельная интенсивность излучения
У. определяется прочностными и нелинейными свойствами материала излучателей,
а также особенностями использования излучателей. Диапазон интенсивности
при генерации У. в области УСЧ чрезвычайно широк: интенсивности от 10^-14-10^-15вт/см²
до 0,1 вт/см² считаются малыми. Для многих целей
необходимо получить гораздо большие интенсивности, чем те, к-рые могут
быть получены с поверхности излучателя.

Рис. 4. Излучение (приём) продольных
волн L пластинкой, колеблющейся по толщине в твёрдое тело; 1-кварцевая
пластинка среза X толщиной ^Л/в кварце; 2 - металлические электроды; 3 - жидкость (трансформаторное
масло) для осуществления акустического контакта; 4 - генератор электрических
колебаний; 5 - твёрдое тело.

В этих случаях можно воспользоваться
фокусировкой У. Так, в фокусе параболоида, внутренние стенки к-рого
выполнены из мозаики кварцевых пластинок или из пьезокерамики титаната
бария, на частоте 0,5 мгц удаётся получать в воде интенсивности
У. большие, чем 10⁵ вт/см². Для увеличения
амплитуды колебаний твёрдых тел в диапазоне УНЧ часто пользуются стержневыми
ультразвуковыми концентраторами (см. Концентратор акустический), позволяющими
получать амплитуды смещения до 10^-4 см. Выбор метода
генерации У. зависит от области частот У., характера среды (газ, жидкость,
твёрдое тело), типа упругих волн и необходимой интенсивности излучения.



Приём и обнаружение ультразвука.
Вследствие
обратимости пьезоэффекта он широко применяется и< для приёма У. Изучение
ультразвукового поля может производиться и< оптич. методами: У.,
распространяясь в к.-л. среде, вызывает изменение её оптич. показателя
преломления, благодаря чему его можно ви-зуализировать, если среда прозрачна
для света. Смежная область акустики и оптики (акустооптика) получила большое
развитие, в особенности после появления газовых лазеров непрерывного действия;
развились исследования по дифракции света на У. и её различным применениям.



Применения ультразвука. Применения
У. чрезвычайно разнообразны. У. служит мощным методом исследования различных
явлений во многих областях физики. Так, напр., ультразвуковые методы применяются
в физике твёрдого тела и физике полупроводников; возникла целая новая область
физики <- акусто-электроника, на основе достижений к-рой разрабатываются
различные приборы для обработки сигнальной информации в микроэлектронике.
У. играет большую роль в изучении вещества. Наряду с методами молекулярной
акустики для жидкостей и газов, в области изучения твёрдых тел измерение
скорости <с и коэфф. поглощения а используются для определения
модулей упругости и диссипатив-ных характеристик вещества. Получила развитие
квантовая акустика, изучающая взаимодействие квантов упругих возмущений
- фононов - с электронами, магнонами и др. квазичастицами
и
элементарными возбуждениями в твёрдых телах. У. широко применяется в технике,
а также ультразвуковые методы всё больше проникают в биологию и медицину.

Применение У. в технике. По данным
измерений с и а, во многих технич. задачах осуществляется контроль за протеканием
того или иного процесса (контроль концентрации смеси газов, состава различных
жидкостей и т. д.). Используя явление отражения У. на границе различных
сред, конструируют ультразвуковые приборы для измерения размеров изделий
(напр., ультразвуковые толщиномеры), для определения уровня жидкости
в больших, недоступных для прямого измерения ёмкостях. У. сравнительно
малой интенсивности (до 0,1 вт/см²) широко используется
для целей неразрушающего контроля изделий из твёрдых материалов (рельсов,
крупных отливок, качеств. проката и т. д.) (см. Дефектоскопия).
Быстро
развивается направление дефектоскопии, получившее назв. акустич. эмиссии,
к-рая состоит в том, что при приложении механич. напряжения к образцу (конструкции)
твёрдого тела он "потрескивает" (подобно тому, как при изгибе "потрескивает"
оловянный стержень). Это объясняется тем, что в образце возникает
движение дислокаций, к-рые при определённых условиях (до конца ещё
пока не выясненных) становятся источниками (так же, как и совокупность
дислокаций и субмикроско-пич. трещин) акустич. импульсов со спектром,
содержащим частоты У. При помощи акустич. эмиссии удаётся обнаружить образование
и развитие трещины, а также определить её местонахождение в ответственных
деталях различных конструкций. При помощи У. осуществляется звуковидение:
преобразуя ультразвуковые колебания в электрические, а последние -
в световые, оказывается возможным при помощи У. видеть те или иные предметы
в непрозрачной для света среде. На частотах УЗВЧ диапазона создан ультразвуковой
микроскоп - прибор, аналогичный обычному микроскопу, преимущество к-рого
перед оптическим состоит в том, что при биологич. исследованиях не требуется
предварит. окрашивания предмета (рис. 5). Развитие голографии
привело к определённым успехам в области ультразвуковой голографии.

Весьма важную роль У. играет в гидроакустике,
поскольку
упругие волны являются единственным видом волн, хорошо распространяющимся
в морской воде. На принципе отражения ультразвуковых импульсов от препятствий,
возникающих на пути их распространения, строится работа таких приборов,
как эхолот, гидролокатор.

У. большой интенсивности (гл. обр.
диапазон УНЧ) оказывает воздействие на протекание тех или иных технологич.
процессов (см. Ультразвуковая обработка) посредством нелинейных
эффектов - кавитации, акустич. потоков и др. Так, при помощи мощного У.
ускоряется ряд процессов тепло- и мас-сообмена в металлургии. Воздействие
ультразвуковых колебаний непосредственно на расплавы позволяет получить
более мелкокристаллич. и однородную структуру металла. Ультразвуковая кавитация
широко используется для очистки от загрязнений как мелких (часовое произ-во,
приборостроение, электронная техника), так и крупных производств.
деталей (трансформаторное железо, прокат и др.). С помощью У. удаётся
осуществить пайку алюминиевых изделий. В микроэлектронике и полупроводниковой
технике используется ультразвуковая приварка тонких проводников к на-пылённым
металлич. плёнкам и непосредственно к полупроводникам. С помощью ультразвуковой
сварки соединяют пластмассовые детали, полимерные плёнки, синтетич.
ткани и др. Во всех этих случаях ту или иную роль играет процесс ультразвуковой
очистки, локальное нагревание под действием У., ускорение процессов диффузии,
изменение состояния полимера. У. позволяет обрабатывать хрупкие детали
(напр., стекло, керамику), а также детали сложной конфигурации (рис.
6). В этих процессах осн. роль играют удары ультразвукового инструмента
по частицам абразивной суспензии. В. А. Красильников.

У. в биологии - биологическое действие
У. При действии У. на биол. объекты в облучаемых органах и тканях на расстояниях,
равных половине длины волны, могут возникать разности давлений от единиц
до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия приводят к разнообразным
биол. эффектам, физич. природа к-рых определяется совместным действием
механич., тепловых и физико-химич. явлений, сопутствующих распространению
У. в среде. Биол. действие У., т. е. изменения, вызываемые в жизнедеятельности
и структурах биол. объектов при воздействии на них У., определяется гл.
обр. интенсивностью У. и длительностью облучения и может оказывать как
положит., так и отрицат. влияние на жизнедеятельность организмов.
Так, возникающие при сравнительно небольших интенсивностях У. (до 1-2 вт/см²)
механич.
колебания частиц производят своеобразный микромассаж тканей, способствующий
лучшему обмену веществ и лучшему снабжению тканей кровью и лимфой. Повышение
интенсивности У. может привести к возникновению в биол. средах акустич.
кавитации, сопровождающейся механич. разрушением клеток и тканей (кавитационны-ми
зародышами служат имеющиеся в биол. средах газовые пузырьки).

При поглощении У. в биол. объектах
происходит преобразование акустич. энергии в тепловую. Локальный нагрев
тканей на доли и единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности
биол. объектов, повышая интенсивность процессов обмена веществ. Однако
более интенсивные и длит. воздействия могут привести к перегреву биол.
структур и их разрушению (денатурация белков и др.).

В основе биол. действия У. могут лежать
также вторичные физико-химич. эффекты. Так, при образовании акустич. потоков
может происходить перемешивание внутриклеточных структур. Кавитация приводит
к разрыву молекулярных связей в биополимерах и др. жизненно важных
соединениях и к развитию окис-лительно-восстановит. реакций. У.
повышает
проницаемость биологических мембран, вследствие чего происходит
ускорение процессов обмена веществ из-за диффузии. Все перечисленные факторы
в реальных условиях действуют на биол. объекты в том или ином сочетании
совместно, и поэтому трудно, а подчас невозможно раздельно исследовать
процессы, имеющие различную физич. природу. Л. Р. Гаврилов.

У. в м е д и ц и н е. У. используется
для диагностики, терапевтич. и хирур-гич. лечения в различных областях
кли-нич. медицины. Способность У. без существенного поглощения проникать
в мягкие ткани организма и отражаться от акустич. неоднородностей используется
для исследования внутр. органов. Ультразвуковые методы диагностики в ряде
случаев позволяют более тонко различать структуру тканей, чем рентгеновские.
Так, с помощью У. обнаруживаются опухоли мягких тканей, часто не
различимые др. способами. У. применяют в акушерстве для диагностич. исследования
плода (рис. 7) и беременной женщины, в нейрохирургии - для распознавания
опухолей в головном мозге (эхоэнце-фалография), в кардиологии -
для изучения гемодинамики, выявления гипертрофии мышцы сердца. Микромассаж
тканей, активация процессов обмена и локальное нагревание тканей
под действием У. используются в медицине для терапевтич. целей (см. Ультразвуковая
терапия).

Ультразвуковая хирургия подразделяется
на две разновидности, одна из к-рых связана с разрушением тканей собственно
звуковыми колебаниями, а вторая - с наложением ультразвуковых колебаний
на хирургич. инструмент. В первом случае применяется фокусированный У.
с частотами порядка 10⁶- 10⁷ гц, во втором
- колебания на частотах 20-75 кгц с амплитудой 10-50 мкм. Ультразвуковые
инструменты применяются для рассечения мягких и костных тканей, позволяя
при этом существенно уменьшать усилие резания, кровопотери и болевые ощущения.
В травматологии и ортопедии У. используют для сварки сломанных костей:
при этих операциях костной стружкой, смешанной с жидкой пластмассой, заполняют
пространство между костными отломками; под действием У. образуется их соединение.

У. применяется также в биол. и мед.
лабораторной практике, в частности - для диспергирования биол. структур,
для относит. тонких воздействий на структуру клеток, при стерилизации инструментов
и лекарственных веществ, для изготовления аэрозолей, а также в бактериологии,
иммунологии и т. д. для получе-ния ферментов и антигенов из бактерий и
вирусов, изучения морфологич. особенностей и антигенной активности бактериальных
клеток и др.

У. в природе. Целый ряд животных способен
воспринимать и излучать частоты упругих волн значительно выше 20 кгц.

Так, птицы болезненно реагируют на
ультразвуковые частоты более 25 кгц, что используется, напр., для
отпугивания чаек от водоёмов с питьевой водой. Мелкие насекомые при своём
полёте создают ультразвуковые волны. Летучие мыши, имея совсем слабое зрение,
или вовсе не имея его, ориентируются в полёте и ловят добычу методом ультразвуковой
локации. Они излучают своим голосовым аппаратом ультразвуковые импульсы
(рис. 8) с частотой повторения несколько гц и несущей частотой
50-60 кгц. Дельфины излучают и воспринимают У. до частот 170 кгц;
метод
ультразвуковой локации у них развит, по-видимому, ещё совершеннее, чем
у летучей мыши.



Изучением У. и его применением
занимается большое количество различных институтов и лабораторий как в
нашей стране, так и за рубежом. Такие лаборатории имеются в Акустич. ин-те
АН СССР, Ин-те радиотехники и электроники АН СССР, на физич. ф-тах МГУ,
ЛГУ и др. ун-тов СССР, в Калифорнийском, Станфордском, Браунов-ском и др.
ун-тах США, в лабораториях фирмы "Белл систем" в США, в ин-тах и университетских
лабораториях Англии, Японии, Франции, ФРГ, Италии и др. Осн. работы по
У. печатаются в Акустич. журнале АН СССР, журнале Амер. Акустич. об-ва,
европ. журналах "Ultrasonics" и "Acustica", а также во многих других физич.
и технич. журналах.



Историческая справка. Первые
работы по У. были сделаны ещё в 19 в. Франц. учёный Ф. Савар (1830)
пытался
установить верхний предел по частоте слышимости уха человека; изучением
У. занимались англ. учёный Ф. Гальтон (1883), нем. физик В. Вин
(1903), рус. физик П. Н. Лебедев и его ученики (1905). Существ. вклад был
сделан франц. физиком П. Ланжевеном (1916), к-рый впервые использовал пьезоэлектрич.
свойства кварца для излучения и< приёма У. при обнаружении подводных
лодок и измерениях глубин моря. Г. В. Пирс в США (1925) создал прибор для
измерения с большой точностью скорости и< поглощения У. в газах и
жидкостях (т. н. интерферометр Пирса). Р. Вуд (США) (1927) добился рекордных
для своего времени интенсив-ностей У. в жидкости, наблюдал ультразвуковой
фонтан и исследовал влияние У. на живые организмы. Сов. учёный С. Я.Соколов
в 1928 положил начало ультразвуковой дефектоскопии метал-лич. изделий,
предложив использовать У. для обнаружения трещин, раковин и др. дефектов
в твёрдых телах.

В 1932 Р. Люка и П. Бикар во Франции,
П. Дебай и Ф. В. Сирс в Германии обнаружили явление дифракции света на
ультразвуковых волнах, к-рое далее начинает играть большую роль в изучении
структуры жидких и твёрдых тел, а также в ряде технич. приложений. В нач.
30-х гг. X. О. Кнезером в Германии было открыто аномальное поглощение и
дисперсия У. в многоатомных газах; далее это явление было также обнаружено
в ряде сложных (напр., органических) жидкостей. Правильное теоретич. объяснение
этим релаксационным явлениям было дано в общей форме сов. учёными Л. И.
Мандельштамом и М.< А. Леонто-вичем (1937). Релаксационная теория
явилась впоследствии основой молекулярной акустики.

В 50<-60-х гг. широкое развитие
получают различные пром. технология, применения У., в разработку физ. основ
к-рых в СССР был сделан большой вклад Л. Д. Розенбергом и его сотрудниками.
Получение всё больших интенсивностей У. обусловило изучение особенностей
распространения мощных волн У. в газах, жидкостях, твёрдых телах; быстро
развивается нелинейная акустика, в становлении к-рой большую роль сыграли
работы сов. учёных Н. Н. Андреева, В. А.< Красильникова, Р. В. Хохлова
и др., а также амер. и< англ. учёных.

В 70-х гг., в особенности после работы
Хадсона, Мак-Фи и Уайта (США) (1961), обнаруживших явление усиления и генерации
У. в пьезополупроводниках, быстро развивается акустоэлектроника.

Лит.: Бергман Л., Ультразвук,
пер. с нем., М., 1956; Красильни ков В. А., Звуковые и ультразвуковые волны
в воздухе, воде и твердых телах, 3 изд., М., 1960; Физическая акустика,
под ред. У. Мэзсна, пер. с англ., т. 1-7, М., 1966-74; Физика и техника
мощного ультразвука, под ред. Л. Д. Розенберга, т. 1 - 3, 1967-69; Михайлов
И. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М.,
1964; Викторов И. А., Физические основы применения ультразвуковых волн
Рэлея и Лэмба в технике, М., 1966; Методы неразрушающих испытаний, под
ред. Р. Шарпа, пер. с англ., М., 1972; Ультразвуковое резание, М., 1962;
Ультразвуковая технология, под ред. Б. А. Аграната, М., 1974; Эльпинер
И. Е., Биофизика ультразвука, М., 1973; Байер В., Дернер Э., Ультразвук
в биологии и медицине, пер. с нем.. Л., 1958; Interaction of ultrasound
and biological tissues. Proceedings of a workshop..., ed.
by J. M. Reid and M. R. Sikov, Wash., 1972.

В. А. Красильников.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я