El siglo XXI es el siglo de la radioelectrónica, el átomo, la exploración espacial y los ultrasonidos. La ciencia del ultrasonido es relativamente joven hoy en día. A finales del siglo XIX, P. N. Lebedev, fisiólogo ruso, realizó sus primeros estudios. Después de eso, muchos científicos eminentes comenzaron a estudiar el ultrasonido.
¿Qué es la ecografía?
El ultrasonido es un movimiento oscilatorio ondulante de propagación que realizan las partículas del medio. Tiene sus propias características, en las que se diferencia de los sonidos del rango audible. Es relativamente fácil obtener radiación dirigida en el rango ultrasónico. Además, enfoca bien, y como consecuencia de ello, aumenta la intensidad de las oscilaciones realizadas. Al propagarse en sólidos, líquidos y gases, el ultrasonido da lugar a fenómenos interesantes que han encontrado aplicación práctica en muchas áreas de la tecnología y la ciencia. Esto es lo que es el ultrasonido, cuyo papel en varias esferas de la vida hoy en día es muy grande.
El papel de la ecografía en la ciencia y la práctica
Ultrasonido en los últimos años comenzó a jugar en la investigación científicaun papel cada vez más importante. Se llevaron a cabo con éxito estudios experimentales y teóricos en el campo de los flujos acústicos y la cavitación ultrasónica, lo que permitió a los científicos desarrollar procesos tecnológicos que ocurren cuando se exponen a ultrasonidos en fase líquida. Es un método poderoso para estudiar varios fenómenos en un campo del conocimiento como la física. El ultrasonido se utiliza, por ejemplo, en física de semiconductores y estado sólido. Hoy en día, se está formando una rama separada de la química, llamada "química ultrasónica". Su aplicación permite acelerar muchos procesos químico-tecnológicos. También nació la acústica molecular, una nueva rama de la acústica que estudia la interacción molecular de las ondas sonoras con la materia. Han aparecido nuevas áreas de aplicación de ultrasonido: holografía, introscopia, acustoelectrónica, medición de fase ultrasónica, acústica cuántica.
Además del trabajo experimental y teórico en esta área, hoy se ha realizado mucho trabajo práctico. Se han desarrollado máquinas ultrasónicas especiales y universales, instalaciones que funcionan bajo presión estática aumentada, etc.. Se han introducido en la producción instalaciones ultrasónicas automáticas incluidas en las líneas de producción, que pueden aumentar significativamente la productividad laboral.
Más sobre ultrasonido
Hablemos más sobre qué es el ultrasonido. Ya hemos dicho que se trata de ondas y oscilaciones elásticas. La frecuencia del ultrasonido es más de 15-20 kHz. Las propiedades subjetivas de nuestra audición determinan el límite inferior de las frecuencias ultrasónicas, quelo separa de la frecuencia del sonido audible. Este límite, por lo tanto, es condicional, y cada uno de nosotros define de manera diferente qué es el ultrasonido. El límite superior está indicado por ondas elásticas, su naturaleza física. Se propagan únicamente en un medio material, es decir, la longitud de onda debe ser significativamente mayor que el camino libre medio de las moléculas presentes en el gas o las distancias interatómicas en sólidos y líquidos. A presión normal en gases, el límite superior de frecuencias ultrasónicas es 109 Hz, y en sólidos y líquidos - 1012-10 13 Hz.
Fuentes ultrasónicas
El ultrasonido se encuentra en la naturaleza tanto como componente de muchos ruidos naturales (cascada, viento, lluvia, guijarros rodados por el oleaje, así como en los sonidos que acompañan a las tormentas eléctricas, etc.), y como parte integral de el mundo de los animales Algunas especies de animales lo utilizan para orientación en el espacio, detección de obstáculos. También se sabe que los delfines utilizan ultrasonidos en la naturaleza (principalmente frecuencias de 80 a 100 kHz). En este caso, la potencia de las señales de localización emitidas por ellos puede ser muy grande. Se sabe que los delfines pueden detectar bancos de peces hasta a un kilómetro de distancia.
Los emisores (fuentes) de ultrasonido se dividen en 2 grandes grupos. El primero son los generadores, en los que se excitan las oscilaciones debido a la presencia de obstáculos instalados en ellos en el camino de un flujo constante: un chorro de líquido o gas. El segundo grupo en el que se pueden combinar las fuentes de ultrasonido estransductores electroacústicos que convierten determinadas fluctuaciones de corriente o tensión eléctrica en una vibración mecánica producida por un cuerpo sólido que irradia ondas acústicas al entorno.
Receptores de ultrasonido
A frecuencias medias y bajas, los receptores ultrasónicos suelen ser transductores electroacústicos de tipo piezoeléctrico. Pueden reproducir la forma de la señal acústica recibida, representada como una dependencia temporal de la presión sonora. Los dispositivos pueden ser de banda ancha o resonantes, según las condiciones de aplicación para las que están destinados. Los receptores térmicos se utilizan para obtener características de campo de sonido promediadas en el tiempo. Son termistores o termopares recubiertos con una sustancia fonoabsorbente. La presión y la intensidad del sonido también se pueden estimar mediante métodos ópticos, como la difracción de la luz por ultrasonido.
¿Dónde se usa el ultrasonido?
Hay muchas áreas de su aplicación, mientras se utilizan diferentes funciones de ultrasonido. Estas áreas se pueden dividir aproximadamente en tres áreas. El primero de ellos está relacionado con la obtención de información diversa por medio de ondas ultrasónicas. La segunda dirección es su influencia activa sobre la sustancia. Y el tercero está relacionado con la transmisión y procesamiento de señales. En cada caso se utiliza US de un cierto rango de frecuencia. Cubriremos solo algunas de las muchas áreas en las que ha encontrado su camino.
Limpieza ultrasónica
La calidad de esta limpieza no se puede comparar con otros métodos. Al enjuagar piezas, por ejemplo, hasta el 80% de los contaminantes permanecen en su superficie, alrededor del 55% - con limpieza por vibración, alrededor del 20% - con limpieza manual y con limpieza ultrasónica, no queda más del 0,5% de los contaminantes. Los detalles que tienen una forma compleja se pueden limpiar bien solo con la ayuda de ultrasonido. Una ventaja importante de su uso es la alta productividad, así como los bajos costos de mano de obra física. Además, puede reemplazar los costosos e inflamables solventes orgánicos con soluciones acuosas baratas y seguras, usar freón líquido, etc.
Un problema grave es la contaminación del aire con hollín, humo, polvo, óxidos metálicos, etc. Puede usar el método ultrasónico para limpiar el aire y el gas en las salidas de gas, independientemente de la temperatura y la humedad ambiental. Si se coloca un emisor ultrasónico en una cámara de sedimentación de polvo, su eficiencia aumentará cientos de veces. ¿Cuál es la esencia de tal purificación? Las partículas de polvo que se mueven aleatoriamente en el aire chocan entre sí con más fuerza y con más frecuencia bajo la influencia de las vibraciones ultrasónicas. Al mismo tiempo, su tamaño aumenta debido al hecho de que se fusionan. La coagulación es el proceso de agrandamiento de las partículas. Los filtros especiales capturan sus grupos ponderados y ampliados.
Mecanizado de materiales frágiles y súper duros
Si ingresa entre la pieza de trabajo y la superficie de trabajo de la herramienta usando ultrasonido, material abrasivo, entonces las partículas abrasivas durante la operaciónemisor afectará a la superficie de esta pieza. En este caso, el material es destruido y removido, sometido a procesamiento bajo la acción de una variedad de micro-impactos dirigidos. La cinemática de procesamiento consiste en el movimiento principal - corte, es decir, las vibraciones longitudinales realizadas por la herramienta, y el auxiliar - el movimiento de avance que realiza la máquina.
Ultrasonido puede hacer varios trabajos. Para los granos abrasivos, la fuente de energía son las vibraciones longitudinales. Destruyen el material procesado. El movimiento de avance (auxiliar) puede ser circular, transversal y longitudinal. El procesamiento ultrasónico es más preciso. Dependiendo del tamaño de grano del abrasivo, oscila entre 50 y 1 micra. Usando herramientas de varias formas, puede hacer no solo agujeros, sino también cortes complejos, ejes curvos, grabar, amolar, hacer matrices e incluso perforar un diamante. Materiales utilizados como abrasivo: corindón, diamante, arena de cuarzo, pedernal.
Ultrasonido en electrónica de radio
Ultrasonido en tecnología se utiliza a menudo en el campo de la radioelectrónica. En esta zona, a menudo se hace necesario retrasar una señal eléctrica con respecto a otra. Los científicos han encontrado una buena solución al sugerir el uso de líneas de retardo ultrasónicas (LZ, por sus siglas en inglés). Su acción se basa en que los impulsos eléctricos se convierten en vibraciones mecánicas ultrasónicas. ¿Cómo sucede? El hecho es que la velocidad del ultrasonido es significativamente menor que la desarrollada por las oscilaciones electromagnéticas. Legumbresel voltaje después de la transformación inversa en vibraciones mecánicas eléctricas se retrasará en la salida de la línea en relación con el pulso de entrada.
Los transductores piezoeléctricos y magnetoestrictivos se utilizan para convertir vibraciones eléctricas en mecánicas y viceversa. LZ, respectivamente, se dividen en piezoeléctricos y magnetostrictivos.
Ultrasonido en medicina
Se utilizan diferentes tipos de ultrasonido para influir en los organismos vivos. En la práctica médica, su uso es ahora muy popular. Se basa en los efectos que se producen en los tejidos biológicos cuando los ultrasonidos los atraviesan. Las ondas provocan fluctuaciones en las partículas del medio, lo que crea una especie de micromasaje tisular. Y la absorción de ultrasonido conduce a su calentamiento local. Al mismo tiempo, en los medios biológicos se producen ciertas transformaciones fisicoquímicas. Estos fenómenos no provocan daños irreversibles en el caso de una intensidad sonora moderada. Solo mejoran el metabolismo, y por lo tanto contribuyen a la actividad vital del cuerpo expuesto a ellos. Tales fenómenos se utilizan en la terapia de ultrasonido.
Ultrasonido en cirugía
La cavitación y el fuerte calentamiento a altas intensidades conducen a la destrucción del tejido. Este efecto se utiliza hoy en día en cirugía. El ultrasonido focalizado se utiliza para operaciones quirúrgicas, lo que permite la destrucción local en las estructuras más profundas (por ejemplo, el cerebro), sin dañar las circundantes. El ultrasonido también se usa en cirugía.herramientas en las que el extremo de trabajo parece una lima, bisturí, aguja. Las vibraciones que se les imponen dan nuevas cualidades a estos instrumentos. La fuerza requerida se reduce significativamente, por lo tanto, se reduce el traumatismo de la operación. Además, se manifiesta un efecto analgésico y hemostático. El impacto con un instrumento romo mediante ultrasonido se utiliza para destruir ciertos tipos de neoplasias que han aparecido en el cuerpo.
El impacto en los tejidos biológicos se lleva a cabo para destruir microorganismos y se utiliza en los procesos de esterilización de medicamentos e instrumentos médicos.
Investigación de órganos internos
Principalmente estamos hablando del estudio de la cavidad abdominal. Para este propósito, se utiliza un aparato especial. El ultrasonido se puede utilizar para encontrar y reconocer varios tejidos y anomalías anatómicas. El desafío suele ser el siguiente: se sospecha una neoplasia maligna y es necesario distinguirla de una lesión benigna o infecciosa.
La ecografía es útil para examinar el hígado y para otras tareas, que incluyen la detección de obstrucciones y enfermedades de las vías biliares, así como el examen de la vesícula biliar para detectar la presencia de cálculos y otras patologías en ella. Además, se pueden utilizar pruebas para cirrosis y otras enfermedades hepáticas benignas difusas.
En el campo de la ginecología, principalmente en el análisis de los ovarios y el útero, el uso de la ecografía lleva mucho tiempola dirección principal, en que se realiza especialmente con éxito. A menudo, aquí también se necesita la diferenciación de formaciones benignas y malignas, lo que generalmente requiere el mejor contraste y resolución espacial. Conclusiones similares pueden ser útiles en el estudio de muchos otros órganos internos.
El uso de la ecografía en odontología
El ultrasonido también ha llegado a la odontología, donde se utiliza para eliminar el sarro. Le permite eliminar la placa y los cálculos de forma rápida, sin derramamiento de sangre y sin dolor. Al mismo tiempo, la mucosa oral no se lesiona y los "bolsillos" de la cavidad se desinfectan. En lugar de dolor, el paciente experimenta una sensación de calor.
