Ultrahang -Ultrasound

Ultrahangos kép (sonogram) a magzatról az anyaméhben, a terhesség 12. hetében (kétdimenziós vizsgálat)
Ultrahangos vizsgálat
Magzati ultrahang

Az ultrahang olyan hanghullámok , amelyek frekvenciája magasabb, mint az emberi hallás felső hallható határa . Az ultrahang fizikai tulajdonságaiban nem különbözik a "normál" (hallható) hangtól, kivéve, hogy az ember nem hallja. Ez a határ személyenként változik, és körülbelül 20 kilohertz (20 000 hertz) egészséges fiatal felnőtteknél. Az ultrahangos készülékek 20 kHz-től több gigahertzig terjedő frekvenciákkal működnek.

Az ultrahangot számos területen használják. Az ultrahangos eszközöket tárgyak észlelésére és távolságok mérésére használják. Az ultrahangos képalkotást vagy ultrahangot gyakran használják az orvostudományban . A termékek és szerkezetek roncsolásmentes vizsgálata során ultrahangot használnak a láthatatlan hibák kimutatására. Iparilag az ultrahangot tisztításra, keverésre és kémiai folyamatok gyorsítására használják. Az olyan állatok, mint a denevérek és a barnadelfinek ultrahangot használnak a zsákmány és az akadályok felkutatására .

Történelem

Galton whistle, az egyik első ultrahangot előállító készülék

Az akusztika , a hang tudománya egészen Pitagoraszig indult az ie 6. században, aki a vonós hangszerek matematikai tulajdonságairól írt . A denevérek visszhangját Lazzaro Spallanzani fedezte fel 1794-ben, amikor bebizonyította, hogy a denevérek nem látás, hanem hallhatatlan hang alapján vadásznak és navigálnak. Francis Galton 1893-ban találta fel a Galton sípot , egy állítható sípot , amely ultrahangot hoz létre, és amellyel az emberek és más állatok hallási tartományát mérte, bizonyítva, hogy sok állat az ember hallástartományán felüli hangokat is hall. Az ultrahang első technológiai alkalmazása a tengeralattjárók észlelésére tett kísérletet Paul Langevin 1917-ben. A Jacques és Pierre Curie által 1880-ban felfedezett piezoelektromos hatás hasznos volt transzducerekben ultrahanghullámok létrehozására és észlelésére levegőben és vízben.

Meghatározás

Hozzávetőleges frekvenciatartományok, amelyek megfelelnek az ultrahangnak, néhány alkalmazás durva útmutatójával

Az amerikai Nemzeti Szabványügyi Intézet meghatározása szerint az ultrahang „ 20 kHz-nél nagyobb frekvenciájú hang ”. Légköri nyomású levegőben az ultrahanghullámok hullámhossza 1,9 cm vagy annál kisebb.

Észlelés

Orvosi ultrahang eredménye egy papírlapon

Emberek

Az embereknél a felső frekvenciahatár (körülbelül 20 kHz) a középfül korlátaiból adódik . Hallási érzés akkor fordulhat elő, ha a nagy intenzitású ultrahangot közvetlenül az emberi koponyába táplálják, és a csontvezetésen keresztül eléri a fülkagylót anélkül, hogy a középfülön áthaladna .

A gyermekek hallhatnak olyan magas hangokat, amelyeket az idősebb felnőttek nem hallanak, mivel az embereknél a hallás felső határa az életkorral csökken. Egy amerikai mobiltelefon- cég ezt használta fel olyan csengetési jelek létrehozására, amelyek állítólag csak fiatalabbak számára hallhatók, de sok idős ember hallja a jeleket, ami a felső hallásküszöb életkorral összefüggő romlásának jelentős eltéréseiből fakadhat. A Mosquito egy olyan elektronikus eszköz, amely magas hangfrekvenciát használ a fiatalok elrettentésére.

Állatok

A denevérek ultrahangot használnak a sötétben való navigáláshoz.
Kutyasíp , ultrahang tartományban hangot kibocsátó síp, kutyák és más állatok kiképzésére szolgál

A denevérek különféle ultrahangos távolságmeghatározási ( echolocation ) technikákat alkalmaznak zsákmányuk észlelésére. 100 kHz-en túli, esetleg 200 kHz-es frekvenciák érzékelésére képesek.

Sok rovarnak jó az ultrahangos hallása, és ezek többsége éjszakai rovar, amely a visszhangos denevérekre figyel . Ide tartozik a lepkék , bogarak , imádkozó sáskák és csipkefélék számos csoportja . Egy denevér hallatán egyes rovarok kitérő manővereket hajtanak végre , hogy elkerüljék az elkapást. Az ultrahangfrekvenciák reflexhatást váltanak ki az éjszakai lepkében , aminek hatására repülés közben kissé leesik, hogy elkerülje a támadást. A tigrismolyok kattanásokat is bocsátanak ki, amelyek megzavarhatják a denevérek visszhangját, más esetekben pedig hangkibocsátással hirdethetik, hogy mérgezőek .

A kutyák és macskák hallási tartománya kiterjed az ultrahangra; a kutya hallástartományának felső vége körülbelül 45 kHz, míg a macskáé 64 kHz. A macskák és kutyák vadon élő ősei ezt a magasabb hallástartományt úgy fejlesztették ki, hogy hallják a kedvenc zsákmányaik, a kis rágcsálók által kiadott magas frekvenciájú hangokat. A kutyasíp egy ultrahangot kibocsátó síp, amelyet kutyák kiképzésére és hívására használnak. A legtöbb kutyasíp frekvenciája a 23-54 kHz tartományban van.

A fogazott bálnák , köztük a delfinek is hallják az ultrahangot, és navigációs rendszerükben ( bioszonár ) használják a zsákmány eligazítására és befogására. A barnadelénnek van a legmagasabb ismert felső hallási határa, 160 kHz körül. Az ultrahangot többféle hal is képes érzékelni. A Clupeiformes rendben az Alosinae ( shad ) alcsalád tagjai 180 kHz-ig képesek érzékelni a hangokat, míg a többi alcsalád (pl . hering ) csak 4 kHz-ig hall.

Az ultrahang generátor/hangszóró rendszereket elektronikus kártevőirtó eszközökként árulják, amelyek állítólag elriasztják a rágcsálókat és rovarokat , de nincs tudományos bizonyíték arra, hogy az eszközök működnek.

Észlelés és távolságmeghatározás

Érintésmentes érzékelő

Az ultrahangos szint vagy érzékelő rendszer nem igényel érintkezést a célponttal. Az orvosi, gyógyszerészeti, katonai és általános ipar számos folyamata esetén ez előnyt jelent a beépített érzékelőkkel szemben, amelyek szennyezhetik az edényben vagy csőben lévő folyadékokat, vagy eltömíthetik a terméket.

Folyamatos hullámú és impulzusos rendszereket is alkalmaznak. Az impulzus-ultrahangos technológia mögött meghúzódó elv az, hogy az átviteli jel rövid ultrahang-energia sorozatokból áll. Minden egyes robbanás után az elektronika egy kis időablakon belül egy visszatérő jelet keres, amely megfelel annak az időnek, amely alatt az energia áthalad az edényen. Csak az ebben az ablakban vett jel jogosult további jelfeldolgozásra.

Az ultrahangos távolságmérés népszerű fogyasztói alkalmazása a Polaroid SX-70 kamera volt, amely egy könnyű jelátalakító rendszert tartalmazott a kamera automatikus fókuszálásához. A Polaroid később licencelte ezt az ultrahangtechnológiát, és számos ultrahangos termék alapja lett.

Mozgásérzékelők és áramlásmérés

Elterjedt ultrahang alkalmazás az automatikus ajtónyitó, ahol egy ultrahangos érzékelő érzékeli a személy közeledését és kinyitja az ajtót. Ultrahangos érzékelőket is használnak a behatolók észlelésére; az ultrahang egyetlen pontból nagy területet képes lefedni. A csövekben vagy nyitott csatornákban az áramlás ultrahangos áramlásmérőkkel mérhető, amelyek az áramló folyadék átlagos sebességét mérik. A reológiában az akusztikus reométer az ultrahang elvén alapul. A folyadékmechanikában a folyadékáramlást ultrahangos áramlásmérővel lehet mérni .

Roncsolásmentes vizsgálat

Az ultrahangos hibafelismerés elve. A szilárd anyagban lévő üreg némi energiát visszaver a jelátalakítóba, amelyet érzékel és megjelenít.

Az ultrahangos vizsgálat a roncsolásmentes tesztelés egyik fajtája, amelyet általában az anyagok hibáinak feltárására és a tárgyak vastagságának mérésére használnak. A 2 és 10 MHz közötti frekvenciák általánosak, de speciális célokra más frekvenciákat használnak. Az ellenőrzés lehet manuális vagy automatizált, és a modern gyártási folyamatok elengedhetetlen része. A legtöbb fém , valamint a műanyagok és a repülőgép - kompozitok ellenőrizhetők . Az alacsonyabb frekvenciájú ultrahang (50–500 kHz) kevésbé sűrű anyagok, például fa , beton és cement vizsgálatára is használható .

A hegesztett kötések ultrahangos vizsgálata az 1960-as évek óta a roncsolásmentes vizsgálatok radiográfiás alternatívája . Az ultrahangos vizsgálat kiküszöböli az ionizáló sugárzás használatát, ami biztonság- és költségelőnyökkel jár. Az ultrahang további információkkal is szolgálhat, például a hegesztett kötések hibáinak mélységéről. Az ultrahangos vizsgálat a kézi módszerekről a folyamatok nagy részét automatizáló számítógépes rendszerekké fejlődött. Az ízület ultrahangos vizsgálatával azonosítható a hibák megléte, megmérhető a méretük és azonosítható a helyük. Nem minden hegesztett anyag alkalmas egyformán ultrahangos vizsgálatra; egyes anyagok nagy szemcsemérettel rendelkeznek, ami magas szintű háttérzajt kelt a mérések során.

Lengőtengely roncsolásmentes vizsgálata, amely a szálrepedést mutatja

Az ultrahangos vastagságmérés az egyik módszer a hegesztési varratok minőségének ellenőrzésére.

Ultrahangos tartomány megállapítás

Az aktív szonár elve

Az ultrahang elterjedt alkalmazása a víz alatti tartomány meghatározásában ; ezt a használatot szonárnak is nevezik . Ultrahang impulzus jön létre egy adott irányban. Ha ennek az impulzusnak az útjában van egy tárgy, akkor az impulzus egy része vagy egésze visszhangként visszaverődik az adóra, és a vevő útvonalán keresztül észlelhető. Az átvitt impulzus és a vett visszhang közötti időkülönbség mérésével meg lehet határozni a távolságot.

A Sonar impulzusainak vízben mért utazási ideje erősen függ a víz hőmérsékletétől és sótartalmától. Az ultrahangos mérést levegőben és rövid távolságokon is alkalmazzák. Például a kézi ultrahangos mérőeszközök gyorsan mérhetik a helyiségek elrendezését.

Bár a víz alatti tartománymérést nagy távolságokra (1-től több kilométerre) is hallható és hallható frekvenciákon is végrehajtják, az ultrahangos tartománymérést akkor alkalmazzák, ha a távolságok rövidebbek, és a távolságmérés pontossága finomabb. Az ultrahangos méréseket nagy sótartalom-, hőmérséklet- vagy örvénykülönbséggel rendelkező gátrétegek korlátozhatják. A vízben való tartomány több száz és több ezer méter között változik, de centimétertől méterig terjedő pontossággal elvégezhető

Ultrahangos azonosítás (USID)

Az ultrahangos azonosítás (USID) egy valós idejű helymeghatározó rendszer (RTLS) vagy beltéri helymeghatározó rendszer (IPS) technológia, amellyel valós időben automatikusan nyomon követhető és azonosítható az objektumok helye egyszerű, olcsó csomópontok (jelvények/címkék) segítségével, amelyekhez csatolt vagy beágyazott. tárgyakban és eszközökben, amelyek ezután ultrahangjelet továbbítanak, hogy közöljék helyzetüket a mikrofonérzékelőkkel.

Képalkotás

Magzat szonogramja 14 hetesen (profil)
29 hetes magzat feje " 3D ultrahangon "

Sokolov 1939-ben felismerte az objektumok ultrahangos képalkotásának lehetőségét, 3 GHz-es hanghullámmal, amely az optikai képhez hasonló felbontást produkál, de a korabeli technikák viszonylag alacsony kontrasztú, gyenge érzékenységű képeket készítettek. Az ultrahangos képalkotás 2 megahertzes vagy magasabb frekvenciát használ; a rövidebb hullámhossz lehetővé teszi a szerkezetek és szövetek kis belső részleteinek felbontását. A teljesítménysűrűség általában kevesebb, mint 1 watt/négyzetcentiméter, hogy elkerülhető legyen a vizsgált objektum felmelegedése és kavitációja. Az akusztikus mikroszkópiában magas és ultramagas ultrahanghullámokat használnak, akár 4 gigahertz frekvenciával. Az ultrahangos képalkotó alkalmazások közé tartozik az ipari, roncsolásmentes tesztelés, a minőség-ellenőrzés és az orvosi felhasználás.

Akusztikus mikroszkópia

Az akusztikus mikroszkópia olyan technika, amely hanghullámokat használ olyan struktúrák megjelenítésére, amelyek túl kicsik ahhoz, hogy az emberi szem fel tudja bontani. Az akusztikus mikroszkópokban akár több gigahertzes frekvenciát használnak. A hanghullámok visszaverődése és diffrakciója mikroszkopikus struktúrákból olyan információkat eredményezhet, amelyek a fénnyel nem elérhetők.

Humán gyógyászat

Az orvosi ultrahang egy ultrahangon alapuló diagnosztikai orvosi képalkotó technika, amelyet az izmok, inak és számos belső szerv vizualizálására használnak, hogy valós idejű tomográfiai képekkel rögzítsék azok méretét, szerkezetét és bármilyen kóros elváltozást . Az ultrahangot radiológusok és szonográfusok legalább 50 éve használják az emberi test képalkotására, és széles körben használt diagnosztikai eszközzé vált. A technológia viszonylag olcsó és hordozható, különösen összehasonlítva más technikákkal, mint például a mágneses rezonancia képalkotás (MRI) és a számítógépes tomográfia (CT). Az ultrahangot a magzatok vizualizálására is használják a rutin és a sürgősségi terhesgondozás során . A terhesség alatt alkalmazott ilyen diagnosztikai alkalmazásokat szülészeti szonográfiának nevezik . Az orvostudományban jelenleg alkalmazott módon a megfelelően elvégzett ultrahang nem jelent ismert kockázatot a páciensre nézve. A szonográfia nem használ ionizáló sugárzást , és a képalkotáshoz használt teljesítményszintek túl alacsonyak ahhoz, hogy káros melegítési vagy nyomáshatásokat okozzanak a szövetekben. Noha a diagnosztikai intenzitású ultrahang expozíció hosszú távú hatásai még nem ismertek, jelenleg a legtöbb orvos úgy érzi, hogy a betegek előnye meghaladja a kockázatokat. Az ALARA (As Low As Reasonably Achievable) elvét szorgalmazták az ultrahangvizsgálatnál – vagyis a szkennelési idő és a teljesítmény beállításait a lehető legalacsonyabb szinten kell tartani, de összhangban van a diagnosztikai képalkotással –, és ezen elv szerint a nem orvosi felhasználás, amely definíció szerint nem szükséges, aktívan elriasztják őket.

Az ultrahangot egyre gyakrabban alkalmazzák trauma- és elsősegélynyújtási esetekben is, és a sürgősségi ultrahang a legtöbb EMT reagálócsapat alappillére. Ezenkívül az ultrahangot olyan távoli diagnosztikai esetekben használják, amikor távkonzultációra van szükség, például tudományos kísérletek űrben vagy mobil sportcsapatok diagnosztikája.

A RadiologyInfo szerint az ultrahangok hasznosak a kismedencei rendellenességek kimutatásában, és magában foglalhatják a hasi ( transabdominális) ultrahang, a nőknél a vaginális (transzvaginális vagy endovaginális) ultrahang, valamint a férfiaknál a végbél (transzrektális) ultrahang néven ismert technikákat.

Állatorvoslás

A diagnosztikai ultrahangot külsőleg alkalmazzák lovaknál a lágyrész- és ínsérülések értékelésére, belsőleg pedig különösen a reproduktív munkára – a kanca reproduktív traktusának értékelésére és a vemhesség kimutatására. Külsőleg is használható méneknél a here állapotának és átmérőjének értékelésére, valamint belsőleg szaporodási vizsgálatra (deferent duct stb.).

2005-re az ultrahangos technológiát a húsmarha -ipar elkezdte alkalmazni az állatok egészségének és a szarvasmarha-műveletek hozamának javítására. Az ultrahangot élő állatok zsírvastagságának, bordaszemkörnyékének és intramuszkuláris zsírjának értékelésére használják. A még meg nem született borjak egészségi állapotának és jellemzőinek értékelésére is használják.

Az ultrahang technológia lehetőséget biztosít a szarvasmarha-tenyésztők számára, hogy olyan információkat szerezzenek, amelyek segítségével javítani lehet a szarvasmarha tenyésztését és tenyésztését. A technológia költséges lehet, és jelentős időráfordítást igényel a folyamatos adatgyűjtés és a kezelők képzése. Ennek ellenére ez a technológia hasznosnak bizonyult a szarvasmarha-tenyésztési műveletek irányításában és működtetésében.

Feldolgozás és teljesítmény

Az ultrahang nagy teljesítményű alkalmazásai gyakran 20 kHz és néhány száz kHz közötti frekvenciát használnak. Az intenzitás nagyon magas lehet; 10 watt/négyzetcentiméter felett kavitáció indukálható folyékony közegben, és egyes alkalmazások akár 1000 wattot is használnak négyzetcentiméterenként. Az ilyen nagy intenzitás kémiai változásokat idézhet elő, vagy közvetlen mechanikai hatás révén jelentős hatást válthat ki, és inaktiválhatja a káros mikroorganizmusokat.

Fizikoterápia

Az ultrahangot az 1940-es évek óta alkalmazzák a fizikai és foglalkozási terapeuták a kötőszövetek : szalagok , inak és fascia (és a hegszövet ) kezelésére. Azok az állapotok, amelyeknél ultrahangos kezelés alkalmazható, a következő példák közé tartoznak: ínszalag ficamok , izomhúzódások , ínhüvelygyulladás , ízületi gyulladás, talpi fasciitis , metatarsalgia , fazetta irritáció, impingement szindróma , bursitis , rheumatoid arthritis , osteoarthritis és hegszövet-tapadás.

Orvosbiológiai alkalmazások

Az ultrahangnak diagnosztikai és terápiás alkalmazásai vannak , amelyek nagyon előnyösek lehetnek, ha adagolási óvintézkedésekkel alkalmazzák. A viszonylag nagy teljesítményű ultrahang feltörheti a köves lerakódásokat vagy szöveteket, felgyorsíthatja a gyógyszerek hatását egy megcélzott területen, segíti a szövetek rugalmas tulajdonságainak mérését, és felhasználható a sejtek vagy kis részecskék kutatási célú szétválogatására.

Ultrahangos ütéskezelés

Az ultrahangos ütéskezelés (UIT) ultrahangot használ a fémek mechanikai és fizikai tulajdonságainak javítására. Ez egy kohászati ​​feldolgozási technika, amelyben ultrahang energiát alkalmaznak egy fémtárgyra. Az ultrahangos kezelés szabályozott maradó nyomófeszültséget, szemcsefinomítást és szemcseméret-csökkentést eredményezhet. Az alacsony és nagy ciklusú kifáradás fokozódik, és dokumentált, hogy akár tízszer nagyobb növekedést biztosít, mint a nem UIT mintáké. Ezenkívül az UIT hatékonynak bizonyult a feszültségkorróziós repedés , a korróziós kifáradás és a kapcsolódó problémák kezelésében.

Amikor az ultrahangos jelátalakítóból, csapokból és egyéb alkatrészekből álló UIT eszköz érintkezik a munkadarabbal, akusztikusan párosul a munkadarabbal, harmonikus rezonanciát hozva létre. Ezt a harmonikus rezonanciát gondosan kalibrált frekvencián hajtják végre, amelyre a fémek nagyon kedvezően reagálnak.

A kezelés kívánt hatásától függően különböző frekvenciák és eltolási amplitúdók kombinációját alkalmazzuk. Ezek a frekvenciák 25 és 55 kHz között vannak, a rezonáns test elmozdulási amplitúdója pedig 22 és 50 µm (0,00087 és 0,0020 hüvelyk) között van.

Az UIT eszközök magnetostrikciós jelátalakítókra támaszkodnak .

Feldolgozás

Az ultrahangos kezelés nagy lehetőségeket kínál a folyadékok és iszapok feldolgozásában, mivel javítja a keverést és a kémiai reakciókat különböző alkalmazásokban és iparágakban. Az ultrahangos kezelés váltakozó alacsony és magas nyomású hullámokat generál a folyadékokban, ami kis vákuumbuborékok kialakulásához és heves összeomlásához vezet. Ezt a jelenséget kavitációnak nevezik , és nagy sebességű becsapódó folyadéksugarat és erős hidrodinamikus nyíróerőt okoz. Ezeket a hatásokat mikrométeres és nanométeres anyagok deagglomerálására, őrlésére, valamint a sejtek szétesésére vagy a reagensek keverésére használják. Ebből a szempontból az ultrahangos kezelés a nagy sebességű keverők és a keverőgyöngymalmok alternatívája. A papírgépben a mozgó huzal alatti ultrahangos fóliák a felrobbanó buborékok lökéshullámait felhasználva egyenletesebben osztják el a cellulózszálakat az előállított papírszalagban, ami erősebb papírt eredményez, egyenletesebb felülettel. Ezenkívül a kémiai reakciók előnyösek a kavitáció által létrehozott szabad gyökökből, valamint az energiabevitelből és a határrétegeken keresztül történő anyagátvitelből. Ez a szonokémiai (lásd szonokémia ) hatás számos folyamat esetében a reakcióidő jelentős csökkenéséhez vezet, például az olaj biodízellé történő átészterezésénél .

Az asztali és ipari méretű ultrahangos folyadékfeldolgozók vázlata

Jelentős ultrahang intenzitás és nagy ultrahang vibrációs amplitúdó szükséges számos feldolgozási alkalmazáshoz, mint például a nanokristályosítás, a nano-emulgeálás, a deagglomeráció, az extrakció, a sejtmegszakítás és még sok más. Általában egy folyamatot először laboratóriumi méretekben tesztelnek, hogy igazolják a megvalósíthatóságot és meghatározzák a szükséges ultrahang-expozíciós paraméterek egy részét. Ennek a fázisnak a befejezése után a folyamatot egy kísérleti (padi) méretre helyezik át a gyártás előtti optimalizáláshoz, majd egy ipari léptékbe a folyamatos gyártáshoz. Ezeknél a léptéknövelési lépéseknél elengedhetetlen, hogy minden helyi expozíciós körülmény (ultrahang amplitúdó, kavitációs intenzitás, aktív kavitációs zónában töltött idő stb.) változatlan maradjon. Ha ez a feltétel teljesül, akkor a végtermék minősége az optimalizált szinten marad, miközben a termelékenység egy előre látható „skálázási tényezővel” nő. A termelékenység növekedése annak a ténynek köszönhető, hogy a laboratóriumi, asztali és ipari méretű ultrahangos processzorrendszerek fokozatosan nagyobb ultrahangos kürtöket tartalmaznak, amelyek egyre nagyobb, nagy intenzitású kavitációs zónákat képesek létrehozni , és ezáltal időegység alatt több anyagot dolgoznak fel. Ezt "közvetlen skálázhatóságnak" hívják. Fontos kiemelni, hogy az ultrahangos processzor teljesítményének növelése önmagában nem eredményez közvetlen skálázhatóságot, mivel az ultrahang amplitúdójának és kavitációs intenzitásának csökkenésével járhat (és gyakran jár is). Közvetlen léptéknöveléskor minden feldolgozási körülményt fenn kell tartani, miközben a berendezés névleges teljesítményét növelni kell, hogy egy nagyobb ultrahangkürt is működhessen.

A részecskék ultrahangos manipulációja és jellemzése

Az Ipari Anyagkutató Intézet kutatója, Alessandro Malutta olyan kísérletet dolgozott ki, amely bemutatta az ultrahangos állóhullámok csapdázó hatását a vízzel hígított cellulózrostokon, és ezek párhuzamos orientációját az egyenlő távolságra lévő nyomássíkokba. A szálak egyenlő távolságú síkokban való tájolási idejét lézerrel és elektrooptikai érzékelővel mérik. Ez a papíripar számára egy gyors on-line szálméret-mérő rendszert biztosíthat. A Pennsylvania Állami Egyetemen egy némileg eltérő megvalósítást mutattak be egy mikrochippel, amely egy pár merőleges álló felületi akusztikus hullámot generált, lehetővé téve a részecskék egymástól egyenlő távolságra történő elhelyezését egy rácson. Ezt az akusztikus csipesznek nevezett kísérletet az anyagtudományok, a biológia, a fizika, a kémia és a nanotechnológia területén lehet alkalmazni.

Ultrahangos tisztítás

Az ultrahangos tisztítószereket , amelyeket néha tévesen szuperszonikus tisztítóknak neveznek , 20 és 40 kHz közötti frekvencián használják ékszerekhez , lencsékhez és egyéb optikai alkatrészekhez, órákhoz , fogászati ​​műszerekhez , sebészeti műszerekhez , búvárszabályzókhoz és ipari alkatrészekhez. Az ultrahangos tisztító leginkább a piszkos felület közelében található mikroszkopikus üregek millióinak összeomlásából származó energiával működik . A kavitációs összeomlás okozta buborékok apró lökéshullámokat képeznek, amelyek feltörik és szétszórják a szennyeződéseket a tárgy felületén.

Ultrahangos szétesés

Az ultrahangos tisztításhoz hasonlóan a biológiai sejtek , beleértve a baktériumokat is, széteshetnek. A nagy teljesítményű ultrahang kavitációt hoz létre , amely megkönnyíti a részecskék szétesését vagy reakcióit. Ezt a biológiatudományban analitikai vagy kémiai célokra használják ( szonikáció és szonoporáció ), valamint a szennyvízben lévő baktériumok elpusztítására . A nagy teljesítményű ultrahang képes szétszedni a kukoricazagyot, és fokozza a cseppfolyósítást és a cukrosodást a magasabb etanolhozam érdekében a száraz kukoricadaráló üzemekben.

Ultrahangos párásító

Az ultrahangos párásító, a porlasztók egyik típusa (egy olyan eszköz, amely nagyon finom permetet hoz létre), a párásító népszerű típusa. Úgy működik, hogy egy fémlemezt ultrahang frekvencián vibrál, hogy porlasztóvá (néha helytelenül "porlasztásnak" nevezik) a vizet. Mivel a vizet nem melegítik fel párologtatás céljából, hideg köd keletkezik. Az ultrahangos nyomáshullámok nemcsak a vizet, hanem a vízben lévő anyagokat is porlasztják, beleértve a kalciumot, egyéb ásványi anyagokat, vírusokat, gombákat, baktériumokat és egyéb szennyeződéseket. A párásító tartályában lévő szennyeződések által okozott betegségek a „Párásító láz” címszó alá tartoznak.

Az ultrahangos párásítókat gyakran használják az aeroponikában , ahol általában párásítónak nevezik őket .

Ultrahangos hegesztés

A műanyagok ultrahangos hegesztésénél nagyfrekvenciás (15 kHz-től 40 kHz-ig) alacsony amplitúdójú vibrációt használnak az összekapcsolandó anyagok közötti súrlódás révén hő létrehozására. A két rész interfészét kifejezetten úgy tervezték, hogy koncentrálja az energiát a maximális hegesztési szilárdság érdekében.

Sonokémia

A kémiában a 20–100 kHz-es teljesítmény-ultrahangot használják . Az ultrahang nem lép kölcsönhatásba közvetlenül a molekulákkal , hogy a kémiai változást indukálja, mivel tipikus hullámhossza (milliméteres tartományban) túl hosszú a molekulákhoz képest. Ehelyett az energia kavitációt okoz, ami szélsőséges hőmérsékletet és nyomást generál a folyadékban, ahol a reakció megtörténik. Az ultrahang a szilárd anyagokat is lebontja, és eltávolítja az inert anyag passziváló rétegeit, így nagyobb felületet biztosít a reakció végbemeneteléhez. Mindkét hatás felgyorsítja a reakciót. 2008-ban Atul Kumar beszámolt Hantzsch-észterek és polihidrokinolin-származékok szintéziséről többkomponensű reakcióprotokoll segítségével vizes micellákban ultrahang segítségével.

Az extrakció során ultrahangot használnak , különböző frekvenciákkal.

Vezeték nélküli kommunikáció

2015 júliusában a The Economist arról számolt be, hogy a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem kutatói ultrahangos vizsgálatokat végeztek grafén membránok segítségével . A grafén vékonysága és kis súlya erősségével együtt hatékony anyaggá teszi az ultrahangos kommunikációban. A technológia egyik javasolt alkalmazása a víz alatti kommunikáció lenne, ahol a rádióhullámok általában nem terjednek jól.

Az ultrahangos jeleket "audio jeladókban" használták az internetezők több eszközön történő nyomon követésére .

Egyéb felhasználások

Az ultrahang adott konfigurációkban alkalmazva rövid fénykitöréseket hozhat létre egy egzotikus jelenségben, amelyet szonolumineszcenciának neveznek . Ezt a jelenséget részben a buborékfúzió lehetősége miatt vizsgálják (a feltételezések szerint a szonolumineszcencia során fellépő magfúziós reakció).

Az ultrahangot részecskék jellemzésére használják ultrahang csillapítási spektroszkópiás technikával vagy elektroakusztikus jelenségek megfigyelésével vagy koponyán át pulzáló ultrahanggal .

A hangot modulált ultrahanggal lehet továbbítani .

Az ultrahang korábban népszerű fogyasztói alkalmazása a televízió távirányítóiban volt a hangerő beállítására és a csatornaváltásra. A Zenith által az 1950-es évek végén bevezetett rendszerben egy kézi távirányítót használtak, amely kis kalapáccsal ütött rövid rúdrezonátorokat és mikrofont tartalmazott a készüléken. A szűrők és detektorok megkülönböztették a különböző műveleteket. A fő előnye az volt, hogy nem volt szükség elemre a kézi vezérlődobozban, és a rádióhullámokkal ellentétben az ultrahang valószínűleg nem befolyásolja a szomszédos készülékeket. Az ultrahangot addig használták, amíg az 1980-as évek végétől az infravörös rendszerek ki nem váltották.

Biztonság

A 120 dB-t meghaladó munkahelyi ultrahang-expozíció halláskárosodáshoz vezethet. A 155 dB feletti expozíció az emberi szervezetre káros melegítő hatásokat válthat ki, és a számítások szerint a 180 dB feletti expozíció halálhoz vezethet. Az Egyesült Királyság független, nem ionizáló sugárzással foglalkozó tanácsadó csoportja (AGNIR) 2010-ben jelentést készített, amelyet az Egyesült Királyság Egészségvédelmi Ügynöksége (HPA) tett közzé. Ez a jelentés 70 dB-es (20 kHz-en), illetve 100 dB-es (25 kHz-en és afeletti) expozíciós határértéket javasolt a lakosság számára a levegőben terjedő ultrahanghangnyomásszinteknek (SPL).

Lásd még

Hivatkozások

További irodalom

  • Kundu T (2004). Ultrahangos roncsolásmentes kiértékelés: mérnöki és biológiai anyagok jellemzése . Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 978-0-8493-1462-9.
  • Grzesik J, Pluta E (1983). "Az ipari ultrahangos készülékek kezelőinek nagyfrekvenciás hallási kockázata". Nemzetközi Munkahelyi és Környezet-egészségügyi Levéltár . 53 (1): 77–88. doi : 10.1007/BF00406179 . PMID  6654504 . S2CID  37176293 .

Külső linkek