ПРоект "Ультразвук и его применение в различных областях науки и техники"

ПРОЕКТ

по физике:

«Ультразвук и его применение в различных областях науки и техники»

Содержание

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………..4

ГЛАВА 1. УЛЬТРАЗВУК И ЕГО ПОНЯТИЕ……………..………………………5

1.1 Открытие ультразвука…………………..………………………………………5

1.2 Ультразвук и его свойства…………………………………...………………7

ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЯХ…...9

2.1 Ультразвук в науке………………………………………………………..…….9

2.2 Ультразвук в технике…………..……………………………………………...10

2.3 Ультразвук в медицине………..………………………………………………11

2.4 Ультразвук в природе………………………………………………………….13

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………...……………………………………..15

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ…………16

Введение

Ультразвук - это распространяющееся волнообразно колебательное движение, которое совершают частицы среды. Он имеет свои особенности, по которым отличается от звуков слышимого диапазона. Сравнительно легко в ультразвуковом диапазоне получить направленное излучение. К тому же он хорошо фокусируется, и в результате этого повышается интенсивность совершаемых колебаний. При распространении в твердых телах, жидкостях и газах ультразвук рождает интересные явления, нашедшие практическое применение во многих областях техники и науки. Вот что такое ультразвук, роль которого в различных сферах жизни сегодня очень велика.

Целью данной работы, является рассмотреть ультразвук и его роль в жизни человека.

Задачи:

1. Изучение и понятие ультразвука,

2. Рассмотреть в каких областях применяют ультразвуковые волны,

3. Какую роль играет ультразвук в жизни человека.

Предметом исследования, является различные области применения ультразвука.

Объектом является, само понятие ультразвук.

Хотя о существовании ультразвука известно давно, его практическое использование началось достаточно недавно. В наше время ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. Так, по скорости распространения звука в среде судят о её физических характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах позволяет с весьма малыми погрешностями определять, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоёмкости газов, упругие постоянные твёрдых тел, жидкостях - 1012-1013 Гц.

ГЛАВА 1. УЛЬТРАЗВУК И ЕГО ПОНЯТИЕ.

1. Открытие ультразвука

Звуки начали изучать ещё в далёкой древности. Первые наблюдения по акустики были проведены в VI веке до нашей эры. Пифагор установил связь между высотой тона и длиной струны или трубы издающей звук.

В IV в. до н.э. Аристотель первый правильно представил, как распространяется звук в воздухе. Он сказал, что звучащее тело вызывает сжатие и разрежение воздуха и объяснил эхо отражением звука от препятствий.

В XV веке Леонардо да Винчи сформулировал принцип независимости звуковых волн от различных источников.

В 1660 году в опытах Роберта Бойля было доказано, что воздух является проводником звука (в вакууме звук не распространяется).

Ультразвук, который находит сейчас все более широкое применение в разных сферах человеческой деятельности, был открыт еще в начале XIX века. Однако важной диагностической методикой он стал лишь в последние 40 лет. Первоначальное значение слова стоит искать, естественно, в латинском языке. Ultra — переводится как «сверх», а «звук» — это то, что мы слышим. Получается «сверхзвук», из чего становится понятно научное определение этого слова. Ведь частоты, которые мы можем слышать, не безграничны, а лежат в довольно узком диапазоне — от 20 до 20000 Гц. Частота звука больше 20000Гц называется ультразвуком. И, как ни странно, несмотря на то, что мы не можем обнаруживать его наличие ни одним из органов чувств, он существует. Людям понадобилось немало времени, чтобы понять, как летучим мышам удается облетать препятствия даже с завязанными глазами. Некоторое время в ходу была теория, что эти животные просто обладают экстрасенсорными способностями – именно поэтому они так неуязвимы.

И только сейчас мы с уверенностью можем сказать, что летучие мыши обнаруживают препятствия с помощью ультразвука. Первые попытки людей найти целесообразное применение ультразвуку начались в 1830 году. Французский ученый Савар исследовал его и пытался найти рациональное тому использование. Но действительно применить это «чудо» смогли только в 1916 году. Как ни странно, ультразвук нашел свое самое первое применение в военной области. Опять же француз Поль Ланжевен создал диковинный прибор для обнаружения подводных препятствий (отмелей, айсбергов) и измерения глубины. Это был точный ультразвуковой генератор с приемником, который впоследствии превратился в устройство для обнаружения подводных лодок и отслеживания торпедных атак. Такое изобретение стало большим прорывом в области средств ведения войны.

э лектрические заряды. Сжимаясь и разжимаясь, кристалл как бы генерирует переменный электрический ток, который

Во время первой мировой войны французский исследователь Поль Ланжевен предложил использовать пьезоэлектрический эффект для обнаружения подводных лодок. Если пьезоэлектрик встречает на своем пути ультразвуковую волну от винта лодки, которая распространяется со скоростью 1460 км/с, то она сжимает его грани, и на них появляются 

можно измерить чувствительными приборами. Если же к граням кристалла приложить переменное напряжение, он сам начнет колебаться, сжимаясь и разжимаясь с частотой переменного напряжения. Эти колебания кристалла передаются среде, граничащей с кристаллом (воздуху, воде, твердому телу). Так возникает ультразвуковая волна.
Ланжевен попробовал зарядить грани кварцевого кристалла электричеством от генератора переменного тока высокой частоты. При этом он заметил, что кристалл колеблется в такт изменению напряжения. 
Чтобы усилить эти колебания, ученый вложил между стальными листами -электродами не одну, а несколько пластинок и добился возникновения резонанса - резкого увеличения амплитуды колебаний. Эти исследования Ланжевена позволили создавать ультразвуковые излучатели различной частот.

Ультразвук и его свойства

Верхняя граница ультразвуковых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. В газах при нормальном давлении верхняя граница частот ультразвука составляет примерно 109 Гц, в жидкостях и твердых телах граничная частота достигает 1012-1013 Гц. В зависимости от длины волны и частоты ультразвук обладает различными специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область ультразвуковых частот подразделяют на три области:
1. низкие ультразвуковые частоты (1,5?104 – 105 Гц);
2. средние (105 – 107 Гц);
3. высокие (107 – 109 Гц).
4. Упругие волны с частотами 109 – 1013 Гц принято называть гиперзвуком.

К основным законам распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды.

Скорость распространения УЗ-вых волн в неограниченной среде определяется характеристиками упругости и плотностью среды. В ограниченных средах на скорость распространения волн влияет наличие и характер границ, что приводит к частотной зависимости скорости (дисперсия скорости звука).

Уменьшение амплитуды и интенсивности УЗ-вой волны по мере ее распространения в заданном направлении, то есть затухание звука, вызывается, как и для волн любой частоты, расхождением фронта волны с удалением от источника, рассеянием и поглощением звука. На всех частотах как слышимого, так и неслышимых диапазонов имеет место так называемое «классическое» поглощение, вызванное сдвиговой вязкостью (внутренним трением) среды. Кроме того, существует дополнительное (релаксационное) поглощение, часто существенно превосходящее «классическое» поглощение.

ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЯХ.

2.1 Ультразвук в науке

Существует множество сфер его применения, при этом используются различные особенности ультразвука. Эти сферы можно разбить условно на три направления. Первое из них связано с получением посредством УЗ-волн различной информации. Второе направление - активное воздействие его на вещество. А третье связано с передачей и обработкой сигналов. УЗ определенного диапазона частот используется в каждом конкретном случае. Мы расскажем только о некоторых из множества областей, в которых он нашел свое применение.

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.

2.2 Ультразвук в технике.

Используя явление отражения УЗ на границе различных сред, конструируют ультразвуковые приборы для измерения размеров изделий (например, ультразвуковые толщиномеры), для определения уровня жидкости в больших, недоступных для прямого измерения ёмкостях. УЗ сравнительно малой интенсивности (до ~0,1 Вт/см²) широко используется для целей неразрушающего контроля изделий из твёрдых материалов (рельсов, крупных отливок, качественного проката и т.д.). Быстро развивается направление дефектоскопии, получившее название акустической эмиссии, которая состоит в том, что при приложении механического напряжения к образцу (конструкции) твёрдого тела он "потрескивает" (подобно тому, как при изгибе "потрескивает" оловянный стержень).

При помощи акустической эмиссии удаётся обнаружить образование и развитие трещины, а также определить её местонахождение в ответственных деталях различных конструкций. При помощи УЗ осуществляется звуковидение: преобразуя ультразвуковые колебания в электрические, а последние — в световые, оказывается возможным при помощи УЗ видеть те или иные предметы в непрозрачной для света среде. На частотах УЗВЧ диапазона создан ультразвуковой микроскоп — прибор, аналогичный обычному микроскопу, преимущество которого перед оптическим состоит и том, что при биологических исследованиях не требуется предварительного окрашивания предмета. Развитие голографии привело к определённым успехам в области ультразвуковой голографии.

   Весьма важную роль УЗ 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. 

2.3 Ультразвук в медицине

Для лечебных целей применяется ультразвук с частотой от 800 000 до 3 000 000 колебаний в секунду. Для генерирования ультразвука используются устройства, называемые ультразвуковыми излучателями.

Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели. Применение ультразвука в медицине связано с особенностями его распространения и характерными свойствами. По физической природе ультразвук, как и звук, является механической (упругой) волной. Однако длина волны ультразвука существенно меньше длины звуковой волны. Чем больше различные акустические сопротивления, тем сильнее отражение и преломление ультразвука на границе разнородных сред. Отражение ультразвуковых волн зависит от угла падения на зону воздействия – чем больше угол падения, тем больше коэффициент отражения.

Ультразвук не применяется на область мозга, шейных позвонков, костные выступы, области растущих костей, ткани с выраженным нарушением кровообращения, на живот при беременности, мошонку. С осторожностью ультразвук применяют на область сердца, эндокринные органы.

Различают непрерывный и импульсный ультразвук. Непрерывным ультразвуком принято называть непрерывный поток ультразвуковых волн. Этот вид излучения используется главным образом для воздействия на мягкие ткани и суставы. Импульсный ультразвук представляет собой прерывистое излучение, т. е. ультразвук посылается отдельными импульсами через определенные промежутки времени.

В медицине ультразвук вначале использовали как метод лечения артритов, язвенной болезни желудка, астмы. Было это в начале 30-х годов прошлого века. Считалось, что ультразвук обладает противовоспалительным, анальгезирующим, спазмолитическим действием, также усиливает проницаемость кожи. Кстати, сегодня на этом основан фонофорез – метод физиотерапии, когда вместо обычного геля для УЗИ наносится лечебное вещество, а ультразвук помогает препарату глубже проникать в ткани.

Но свое основное применение в области медицины ультразвук нашел как метод диагностики. Основателем УЗИ-диагностики считается австрийский невролог, психиатр Дьюссик. В 1947 году он рассмотрел опухоль мозга, учитывая интенсивность, с которой ультразвуковая волна проходила сквозь череп пациента.

в акушерстве: от простого измерения размеров плода до детальной оценки его кровотока и внутренних органов. То, что было технически невозможно еще совсем недавно, сегодня превращается в привычную составляющую рутинного ультразвукового исследования.

2.4 Ультразвук в природе

Животные используют эхолокацию для определения местоположения объектов вокруг и для ориентации в пространстве чаще всего при помощи высокочастотных звуковых сигналов. Наиболее развита у летучих мышей и дельфинов, также её используют землеройки, ряд видов ластоногих (тюлени), птиц (гуахаро, саланганы и др.)

Д анный способ ориентации в пространстве позволяет животным обнаруживать объекты, распознавать их и даже охотиться в условиях полного отсутствия света, в пещерах и на значительной глубине.

Сонары имеются также и у ряда других видов животных. Они есть у кашалотов, которые используют их для поиска скоплений глубоководных кальмаров. Сонар кашалота своеобразная дальнобойная пушка", имеющая длину до 5 м и занимающая почти треть тела животного. Эхолокация обнаружена у обитающих в Америке птиц гуахаро. Их сонары менее совершенны, чем у летучих мышей и дельфинов. Они работают на относительно низких частотах, а именно в интервале от 1500 до 2500 Гц. Поэтому гуахаро не замечают в темноте объектов, имеющих небольшие размеры. В пещерах гуахаро очень шумно. Птицы издают зловещие пронзительные крики, напоминающие плач и стоны, трудно переносимые для непривычного уха.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ультразвук служит мощным методом исследования различных явлений во многих областях физики. Так, например, ультразвуковые методы применяются в физике твёрдого тела и физике полупроводников; возникла целая новая область физики — акусто-электроника, на основе достижений которой разрабатываются различные приборы для обработки сигнальной информации в микроэлектронике. Ультразвук играет большую роль в изучении вещества.

Так же мы убедились, что ультразвук важен в природе, он играет важную роль в животном мире. А для некоторых, служит главным источником для пропитания.

Главным достижением является, связь ультразвука и медицины, так как ультразвук используется в стоматологии, в хирургии, в травматологии для обнаружения внутреннего кровотечения, а также используется в онкологии, что немало важно на сегодняшний день.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кирьянов, А.П. Общая физика. [Текст] : Учебное пособие / А.П. Кирьянов, С.И. Кубарев, С.М. Разинова, И.П. Шапкарин. - Москва: КноРус, 2012. - 304 c.

2. Абрамов, О. В. Воздействие мощного ультразвука на жидкие и твердые металлы: моногр. [Текст] : Учебное пособие / О.В. Абрамов. - М.: Наука, 2000. - 312 c.

3. Эльпинер, И. Е. Биофизика ультразвука [Текст] : Учебное пособие / И.Е. Эльпинер. - М.: Наука, 2016. - 384 c.

4. Шутилов, В.А. Основы физики ультразвука [Текст] : Учебник / В.А. Шутилов. - М.: Книга по Требованию, 2012. - 280 c.

5. Хилл, К. Применение ультразвука в медицине. Физические основы: моногр. [Текст] : Учебное пособие / К. Хилл. - М.: Наука, 1989. - 939 c.

6.  Бэмбер Дж. Ультразвук в медицине: Физические основы. . [Текст] : Учебное пособие / Бэмбер. - М.: Физматлит, 2008.- 197 с.

7. Боголюбов В.М., Пономаренко Г.Н. Общая физиотерапия [Текст] : Учебник. / В.М., Боголюбов, Г.Н. Пономаренко. - М.: Медицина, 2003. – 477 с.

8. Майер, В.В. Простые опыты с ультразвуком [Текст] : Учебник / В.В. Майер. - М.: Книга по Требованию, 2012. - 161 c.