Как работает ультразвук? | Применение ультразвука

Вы часто слышите, как люди используют фразу
«слепой как летучая мышь», но если бы летучие мыши могли говорить, критиковали бы они нас за то, что мы «глухие как
человек»? Мы можем думать, что хорошо слышим, но наши уши могут
улавливать только относительно узкую полосу частот (звуки
разной высоты), сосредоточенную вокруг человеческого голоса — звука, который нам больше всего нужен.
Летучие мыши, мотыльки, дельфины и различные другие существа могут слышать гораздо более высокие
частоты звука за пределами диапазона человеческого слуха, который известен
как ультразвук. С тех пор как ученые открыли
ультразвук, они нашли ему всевозможные важные применения, от медицинской диагностики
до испытания материалов и научных исследований. Давайте подробнее рассмотрим
ультразвук и то, как он работает.

Фото: Мобильный ультразвуковой сканер, похожий на ноутбук.
Фото Шеннон Йонт предоставлено Корпусом морской пехоты США и
DVIDS.

Что такое ультразвук?

Примечание: Если вы не знакомы с общей наукой о звуке, возможно, вам будет полезно просмотреть нашу статью о звуке, прежде чем читать дальше.

Человеческие уши могут слышать звуковые волны, которые вибрируют в диапазоне от примерно
20 раз в секунду (глубокий грохочущий шум) до примерно 14 000 раз в
секунду (высокий свист); дети, как правило, могут слышать
более высокие звуки, чем их родители, потому что наша способность слышать
высокие частоты ухудшается с возрастом.
Говоря более научно, мы могли бы сказать, что
звуки, которые мы можем воспринимать, имеют частоту в диапазоне от 20 до 20 000 герц
(Гц). Герц — это измерение того, как часто
что-то вибрирует, а 1 Гц
равен одной вибрации в секунду. Человеческий голос издает звуки
в диапазоне от нескольких сотен герц до нескольких тысяч герц.

Предположим, вы каким-то образом можете ударять по барабанной коже так часто, что она будет вибрировать
более 20 000 раз в секунду. Вы можете видеть, как кожа
вибрирует (лишь), но вы определенно не можете этого услышать. Как бы
сильно вы ни ударяли по барабану, вы не услышите звука. Барабан все равно будет
передавать звуковые волны, но ваши уши не смогут
их распознать. Однако летучие мыши, собаки, дельфины и мотыльки вполне могут их слышать
. Такие звуки с частотами, выходящими за пределы диапазона человеческого
слуха, являются примерами ультразвука.

Иллюстрация: Ультразвук (оранжевая полоса справа) охватывает диапазон звуковых частот, выходящих за рамки человеческого
слуха, и превышающих частоты повседневных звуков, голосов и музыкальных инструментов.

(Интересно, что так же, как существуют звуки, которые слишком высоки для
нашего слуха, существуют также
звуки, которые слишком низки для наших ушей. Они называются инфразвуком.
Примером служат сейсмические волны, которые мы знаем как землетрясения. Нам нужны специальные детекторы, чтобы знать, когда
происходят землетрясения, потому что мы не всегда можем их услышать или почувствовать.)

Ультразвуковые волны имеют более высокие частоты, чем обычные звуковые волны,
но они также имеют более короткие длины волн. Другими
словами, расстояние
между одной ультразвуковой волной, проходящей через воздух, и следующей
за ней, намного короче, чем в обычной звуковой волне.
Это имеет важный практический эффект: ультразвуковые волны отражаются
от предметов гораздо лучше, чем обычные звуковые волны, и это делает
их действительно очень полезными.

Фото: Такие летучие мыши «видят» с помощью звука вместо света. Они ориентируются, посылая лучи ультразвука и прислушиваясь к эху — этот метод называется эхолокацией. Фотография мексиканских свободнохвостых летучих мышей (Tadarida brasiliensis), покидающих пещеру в Техасе, сделанная Энн Фрошауэр, предоставлена
​​Службой охраны рыбных ресурсов и диких животных США.

Как проводится УЗИ?

Мы не можем создавать ультразвук так же, как мы создаем
обычные звуки — ударяя и дуя по предметам, как мы делаем, например, в
музыкальных инструментах. Это потому, что мы не можем ударять и дуть по предметам
достаточно быстро. Но мы можем создавать ультразвук, используя электрическое
оборудование, которое
вибрирует с чрезвычайно высокой частотой. Кристаллы некоторых материалов
(например, кварца) вибрируют очень быстро,
когда через них проходит электричество
— эффект, называемый пьезоэлектричеством. Когда
они вибрируют, они толкают и тянут воздух вокруг себя, производя ультразвуковые волны. Устройства,
которые производят ультразвуковые волны с помощью пьезоэлектричества, известны как
пьезоэлектрические преобразователи.

Фото: Типичный пьезоэлектрический преобразователь.

Пьезоэлектрические
кристаллы также работают в
обратном направлении: если ультразвуковые волны, распространяющиеся по воздуху,
сталкиваются с пьезоэлектрическим кристаллом, они слегка сжимают его поверхность
, вызывая кратковременный всплеск электричества, протекающий через него. Таким образом,
если вы подключите пьезоэлектрический кристалл к электрическому счетчику, вы получите
мгновенный ультразвуковой детектор.

Произведение искусства: Как ультразвук используется для чистки вещей. 1) Высокочастотный переменный источник электроэнергии подает питание на три пьезоэлектрических преобразователя (2). Они колеблются на ультразвуковых частотах, посылая свои вибрации на тонкую кварцевую стеклянную пластину (3), которая передает волны (4) в емкость, наполненную жидкостью (5), в которую вы помещаете очищаемые предметы.

Ультразвуковые волны могут быть получены
с использованием магнетизма вместо
электричества. Так же, как пьезоэлектрические кристаллы производят ультразвуковые волны в
ответ на электричество, существуют и другие кристаллы, которые производят
ультразвук в ответ на магнетизм. Они называются магнитострикционными
кристаллами, а преобразователи, которые их используют, называются магнитострикционными
преобразователями. (Магнитный эффект известен как магнитострикция.)

Для чего используется ультразвук?

Использование ультразвука в практических целях
иногда называют ультразвуком, и он
применяется во всем: от промышленной сварки и
сверления до производства гомогенизированного молока и фотопленки.

Фото: Эта беременная женщина наблюдает за ультразвуковым сканированием
ребенка, развивающегося в ее утробе. Обратите внимание на ультразвуковой сканер (внизу справа),
медленно перемещаемый по ее животу, и монитор (вверху), показывающий изображение ее ребенка.
Фото Рафаэля Марти предоставлено ВМС США и
Wikimedia Commons.

Медицинское ультразвуковое сканирование

Вероятно, самым известным примером ультразвука является медицинское тестирование.
Чтобы не вскрывать ваше тело для выявления болезни, врачи могут
просто провести ультразвуковым сканером по вашей коже, чтобы заглянуть внутрь.
Зонд сканера часто немного похож на компьютерную мышь.
Он имеет встроенный преобразователь, который излучает безвредные ультразвуковые волны вниз в ваше тело. Когда волны
проходят через различные кости и ткани, они отражаются обратно
. Тот же преобразователь (или отдельный рядом) принимает
отраженные волны, и компьютер, подключенный к сканеру, использует их для
рисования подробной картины того, что происходит внутри вас, на экране.
Таким образом выполняется сканирование плодов (нерожденных детей, развивающихся в утробе матери)
.

Фото: Крупный план небольшого ультразвукового зонда. Фото Байрона К. Линдера предоставлено ВМС США и опубликовано на Flickr.

Неразрушающий контроль

Аналогичное оборудование используется для проверки дефектов в таких машинах, как реактивные двигатели самолетов. Если внутри металла
есть трещина , осмотр изнутри не выявит проблему. Но если вы проведете ультразвуковым сканером по внешней поверхности металла, внутренняя трещина будет мешать и отражать часть ультразвуковых волн, поэтому дефект будет виден на вашем контрольном мониторе. Проверка материалов таким способом иногда называется неразрушающим контролем, потому что вам не нужно повреждать или разбирать предметы, чтобы проверить их.

Фото: Проверка двигателя самолета с помощью
ультразвукового неразрушающего контроля. Инспектор перемещает
ультразвуковой зонд
по компоненту самолета правой рукой.
Одновременно левой рукой она регулирует ультразвуковой луч.
Фото Мишель Мишо предоставлено ВВС США и Национальным архивом
США .

Ультразвук высокой мощности

Относительно слабые ультразвуковые волны используются для медицинского сканирования
и неразрушающего контроля. Гораздо более сильные ультразвуковые волны имеют совершенно
иное применение. Если у вас болезненный почечный камень, то запуск мощных
ультразвуковых волн извне вашего тела может заставить камень вибрировать и
развалиться. Сильные ультразвуковые волны иногда также используются для разрушения
раковых опухолей и поражений мозга (поврежденных участков мозга).
Аналогичным образом ультразвуковые волны можно использовать для очистки ювелирных изделий, часов,
вставных зубов и широкого спектра деталей машин, которые может быть слишком
сложно (или невозможно) очистить другими способами.

Фото: Чистка оружия ультразвуком экономит время и деньги.
Фото Чанселера Нардона предоставлено ВВС США и DVIDS.

Сонар

Другое популярное применение ультразвука — на кораблях, как для навигации
, так и для обнаружения объектов под водой. Звук распространяется быстрее в воде, чем в воздухе, что очень полезно,
поскольку свет почти не распространяется в воде. Большинство людей знают
, что киты могут использовать низкочастотный звук для общения через целые океаны.
Подводные лодки используют похожий трюк с
типом навигации, называемым сонар
(звуковая навигация и определение дальности), который немного похож на подводный
эквивалент радара.

Фото: Для наблюдения за экраном сонара требуются мастерство и концентрация. Эта система находится на борту корабля USS Gladiator и используется для обнаружения мин. Фото Питера Д. Лоулора предоставлено ВМС США и
Wikimedia Commons.

Как это работает? Когда подводная лодка находится глубоко под поверхностью, она может найти свой путь, посылая звуковые сигналы и прислушиваясь к
эху — так же, как летучая мышь, использующая эхолокацию. Засекая время, необходимое
для возвращения эха, навигатор подводной лодки может выяснить, есть ли
поблизости другие корабли, подводные лодки или другие препятствия. Сонар также используется судами для расчета
глубины моря (или для составления карты морского дна) путем запуска звуковых лучей
прямо вниз. Этот метод известен как эхолокация
.

Сонар бокового обзора

Различные гидролокационные системы
используют очень широкий диапазон звуковых частот, от очень низкого инфразвука
(который может вызывать проблемы у китов и других морских существ),
через слышимый звук (классический шум «пинг», который вы слышите в
фильмах о военных подводных лодках), вплоть до очень высокого ультразвука (обычно используемого в
системах определения местоположения рыбы, используемых, среди прочего, промышленными траулерами). Высокочастотные
звуки используются в гидролокаторе бокового обзора , в котором небольшой, похожий на торпеду сканирующий блок,
называемый буксирной рыбой, тащится за судном и посылает широкие гидроакустические лучи в обе стороны. Лучи покидают буксирную рыбу под углом и отражаются обратно, создавая профиль обширной
области моря (и морского дна) под ним.

Гидролокатор бокового обзора используется в морской археологии (для обнаружения затонувших кораблей на дне моря), океанических исследованиях и просто в рыбалке.
Разные рыбы отражают звук в разной степени, и при наличии навыков и опыта можно определить по лучу сонара не только, какая рыба присутствует, но и сколько ее в определенной области. Как правило, чем выше используемая частота звука, тем больше деталей она показывает, но тем короче диапазон, в котором она эффективна; более высокие частоты лучше всего подходят для детальной работы на небольших участках относительно мелководья
, в то время как более низкие частоты необходимы для более глубокой воды или дальнего обнаружения.

Фото: Типичная буксируемая рыба-сонар бокового обзора. Эта использует ультразвук на частоте 600 кГц, что значительно выше предела человеческого слуха. Здесь ее подключают к оборудованию на борту научно-исследовательского судна, прежде чем опустить в воду и протащить вдоль нее. Фото Джона Ф. Уильямса предоставлено ВМС США и Wikimedia Commons.

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

Фото: Ультразвуковое (эхокардиографическое) изображение
бьющегося человеческого сердца. NASA (космическое агентство США) использует это оборудование для изучения
долгосрочных эффектов космических путешествий на астронавтов.
Фото предоставлено Центром космических полетов им. Маршалла NASA (NASA-MSFC) и
Интернет-архивом.

На этом сайте

• Колонки
• Пьезоэлектричество
• Звук

Другие сайты

• Ультразвуковое исследование (сонограмма). Подробное введение в медицинское ультразвуковое сканирование от MedlinePlus (Национальная медицинская библиотека США).
• Центр ресурсов NDT: Очень хорошее вводное руководство по неразрушающему контролю с материалами для студентов всех возрастов. Включает короткие онлайн-курсы по науке NDT, информацию о карьере и многое другое. Отличный материал.

Книги

• Учебное пособие по ультразвуковой диагностике: основы проведения и интерпретации ультразвуковых исследований Маттиаса Хофера, Тиме, 2021 г. Подробное введение в медицинское ультразвуковое исследование.
• Диагностическое ультразвуковое исследование: физика и оборудование Питера Хоскинса, Эбигейл Траш, Кевина Мартина, Тони Уиттингема. Cambridge University Press, 2019. Основное внимание в этой книге уделяется медицинской физике ультразвука:
  тому, как звуковые волны формируются, распространяются, отражаются и создают изображения.
• Диагностическая ультразвуковая визуализация: изнутри наружу, Томас Сабо, Academic Press, 2013. Очень подробное (800 страниц) руководство с большим упором на теорию, но также охватывающее и практическое применение.
• Физика и технология ультразвука: как, почему и когда
  Вивьен Гиббс, Дэвид Коул, Антонио Сассано. Черчилль Ливингстон, 2009. Это хорошее первое место для студентов-медиков и специалистов по ультразвуковой диагностике, которые хотят понять научные основы сканирования, которые они будут использовать.

Статьи

• Улучшение ультразвуковой визуализации и сонара с помощью самария Чарльза К. Чоя, IEEE Spectrum, 18 апреля 2019 г. Как кристаллы самария помогают улучшить пьезоэлектрические преобразователи в ультразвуковых сканерах.
• В африканских деревнях эти телефоны становятся ультразвуковыми сканерами Дональд Г. Макнил-младший. The New York Times, 15 апреля 2019 г. Как простые смартфоны производят революцию в здравоохранении в отдаленных районах.
• Ультразвук отслеживает терапевтические микробы глубоко внутри тела Эли Долгина. IEEE Spectrum, 3 января 2018 г. Как ультразвук может отслеживать движение медицинских бактерий по телу пациента.
• Ультразвук малоэффективен при переломах костей Николаса Бакалара. The New York Times, 26 октября 2016 г. Новое клиническое исследование, похоже, показало, что ультразвук не способствует заживлению сломанных костей.
• Ультразвуковой скальпель для хирургии головного мозга, автор Нил В. Патель. IEEE Spectrum, 26 декабря 2014 г. Новая технология, называемая транскраниальным сфокусированным ультразвуком, может использоваться для выполнения точных разрезов внутри мозга без вскрытия черепа пациента.
• Фергус Уолш представил портативный ультразвуковой сканер Vscan, BBC News, 17 февраля 2010 г. Объявлено о выпуске портативного ультразвукового сканера размером с большой мобильный телефон.
• Ультразвук придаст тактильные ощущения играм: BBC News, 2 сентября 2008 г. Как ультразвуковые преобразователи можно использовать, чтобы придать компьютерным играм тактильные ощущения.