История появления узи в медицине. Применение ультразвука
Первое УЗИ при беременности очень важно для женщин, поскольку это дает возможность многое узнать на такой ранней стадии.
И обычно его назначают на 11-12 неделях.
Очень важно проводить исследование именно в этот период, поскольку можно выявить серьезные нарушения в развитии плода, например наличие синдрома Дауна. Такой порок определяется посредством измерения величины воротникового пространства (в норме этот показатель равен 2-3 мм).
Вдобавок ультразвуковое исследование на ранних сроках дает возможность увидеть патологии, которые не совместимы с жизнью ребенка. Если доктор во время проведения исследования заметит такие нарушения, он может назначить дополнительные генетические анализы. В случае если опасная патология подтвердится, то женщина имеет возможность прервать беременность на раннем сроке.
Кроме того, проведение исследований на 12 неделе позволяет узнать важные показатели: количество околоплодных вод, место прикрепления плаценты, частоту сердцебиения ребенка, состояние внутренних органов эмбриона, предполагаемую дату родов (с точностью до дня) и т.д. Вдобавок УЗИ может показать многоплодную беременность. Состояние пациентки считается нормальным, если все показатели находятся в допустимых пределах. У каждого врача есть таблица, с которой он может свериться во время расшифровки результатов.
В некоторых случаях женщинам делается УЗИ раньше 12 недели. Это может быть связано с различными факторами:
- если будущая мама ощущает боль внизу живота, появляются кровянистые выделения;
- при наличии гипертонуса матки;
- если существует угроза внематочной беременности;
- при обнаружении удвоения матки или других отклонений в развитии половых органов;
- при наличии опухолей в полости матки.
Вовремя выявленные проблемы дают возможность врачам оказать экстренную помощь будущей маме. Например, своевременно диагностированная и прерванная внематочная беременность, локализованная в трубах, позволяет спасти жизнь женщине.
Как проводится первое УЗИ?
Перед походом к доктору нужно уточнить, каким именно методом будет проводиться обследование и что конкретно с собой нужно иметь. Если вы идете в районную поликлинику, тогда захватите с собой бахилы, пеленку и полотенце (полный список необходимых вещей лучше узнать в регистратуре). При обследовании в частном кабинете все нужные средства выдает доктор (их стоимость уже включена в цену приема).
Сама процедура может выполняться с помощью внутривагинального датчика или абдоминальным способом (через брюшную стенку). Выбор метода зависит от того, на каком сроке проводится исследование. Если речь идет о ранних сроках беременности (до 12 недели), чаще применяется трансвагинальный метод. На поздних сроках врачи используют внешний датчик для обследования.
На УЗИ, которое будет проводиться абдоминальным методом, пациентке необходимо прийти с полным мочевым пузырем. Для этого нужно выпить не менее литра воды за 1-2 часа до проведения процедуры. Так доктор сможет лучше рассмотреть плод. Иногда будущим мамам с избыточным весом, которые пришли на плановое УЗИ в 12 недель, делают первое УЗИ внутривагинально. Таким образом можно максимально приблизиться к малышу.
Первое УЗИ: польза или вред
Некоторые будущие мамы, решая, когда делать первое , стремятся отложить эту процедуру, опасаясь за здоровье своего малыша. Такая ситуация зачастую связана с тем, что женщины путают ультразвуковое обследование с рентгеновским облучением.
Действительно, рентгеновские лучи в больших дозах очень вредны для здоровья. Но это никак не касается УЗИ, поскольку этот вид диагностики основан абсолютно на других физических принципах. В основе ультразвукового исследования лежит эхография. Ультразвук, используемый при обследовании, отражается на плоде, а потом возвращаясь, преобразуется в импульсы. Специальная программа анализирует полученные сигналы и преобразовывает их в понятную для человека картинку.
Следует уточнить, что УЗИ проводится уже почти 40 лет (начиная с 1978 года), и за весь срок не было установлено негативного воздействия на пациенток. Поэтому не стоит бояться посещения УЗИ-кабинета, ведь такая диагностика абсолютно безопасна как для плода, так и для самой женщины. Наоборот, своевременное обследование во много раз увеличивает шансы родить здорового малыша. Но и злоупотреблять посещением УЗИ-кабинета не стоит, так как большое количество результатов обследования может ввести в заблуждение вашего доктора.
Что видно на мониторе при 12-недельной беременности
Поход на УЗИ — волнительное событие для будущих родителей. Ведь на экране аппарата можно увидеть своего малыша. А конкретно что показывает прибор?
- Количество будущих детей.
- Размеры эмбриона. Специалист определяет, соответствуют ли показатели сроку беременности. В норме вес ребенка составляет около 10 г, а рост — 6-7 см.
- Сердечная деятельность. На этом сроке сердце ребенка сокращается 110-170 раз в минуту. Если обследование проходит на наиболее современной аппаратуре, мама может услышать, как стучит сердце малыша.
- Части тела. Нередко женщины (с помощью докторов) могут разглядеть маленькие ручки и ножки на дисплее, что непременно вызывает неописуемый восторг.
Но самым главным моментом является исключение возможных патологий развития плода. Именно здоровье малыша и нормальное развитие — главная радость для родителей. Сегодня каждая беременная женщина направляется на УЗИ минимум 3 раза: на 12, 21 и 32 неделях. Такой метод диагностики является доступным, информативным, безболезненным и абсолютно безопасным для мамы и малыша.
Причем использование звуковых волн считается самым информативным и безопасным методом исследования. Человечество давно подозревало, что на планете существуют звуковые волны такой частоты, которая не воспринимается органами слуха человека, именно на них и построены современные методы УЗИ.
В 1974 году итальянскому ученому Ладзаро Спалланцани опытным путем удалось обнаружить невидимое излучение, помогающее ориентироваться в пространстве многим представителям животного мира планеты, и оно легло в основу современных методов УЗИ диагностики. Опыт проводился над летучей мышью, которой попросту заткнули уши, что привело в дезориентации животного.
В XIX веке ученые начали проводить научные исследования свойств найденных лучей. Так в 1822 году ученый-физик из Швейцарии Даниэль Колладен провел точные расчеты скорости звука в воде, используя в качестве источника звука подводный колокол, а в качестве водного резервуара Женевское озеро. Так произошло зарождение гидроакустики.
Спустя чуть более полвека в 1880 году французские физики Пьер и Жак Кюри открыли существование пьезоэлектрического эффекта, который возникает в результате механического воздействия в кристалле кварца. А через пару лет удалось сгенерировать и обратный пьезоэффект, который в дальнейшем использовался для разработки преобразователя ультразвуковых волн. Эта конструкция из пьезоэлектрических кристаллов кварца для преобразования ультразвука является основным элементом современного оборудования для УЗИ.
В начале ХХ века на основании имеющихся сведений об ультразвуковых волнах получает развитие новая отрасль науки – гидроэхолокация, представляющая собой поиск объектов в водной среде по отраженному от них звуку (эхо) при помощи специального прибора, называемого эхолотом. Разработкой таких приборов занимались ученые разных стран: Англии, Австрии, Америки. При помощи гидролокаторов обнаруживали вражеские суда еще во времена Первой мировой войны. В настоящее время их используют в мореплавании и исследовании морских глубин, в том числе для поиска затопленных кораблей.
В 30-х годах ХХ века появилась идея поиска при помощи ультразвука дефектов в металлических конструкциях, тогда же были созданы первые дефектоскопы. Само направление УЗ-диагностики металлоконструкций получило название металлодетекции. Ее повсеместно используют в промышленности.
Успехи в использовании ультразвука в гидролокации и металлодетекции подтолкнули ученых рассмотреть возможности его применения на живых организмах, в частности медицине.
В тех же 30-х годах ультразвуковые волны начали использовать для физиопроцедур при лечении некоторых заболеваний. А уже следующее десятилетие ознаменовалось началом исследований в плане постановки ультразвука на службу медицинской диагностики.
Основоположником УЗ-диагностики можно считать австрийского психоневролога Карла Теодора Дюссика, который во второй половине 40-х годов разработал метод гиперсонографии, при помощи которого можно обнаружить опухоль в головном мозге на основании замеров интенсивности входящей и выходящей из черепа ультразвуковой волны.
Дальнейшее развитие и усовершенствование УЗ-диагностики привело к появлению таких методов исследования, о которых медицина могла лишь мать. Трехмерная ультразвуковая диагностика позволяет получить объемную картинку с любого ракурса. Эхоконтрастирование (когда в вену вводится специальные вещества с пузырьками газа) – один из самых точных методов диагностики. Соноэластография представляет собой сочетание ультразвука и давления для определения характера сокращения тканей, по которому и выявляются различные патологии.
УЗ-томография позволяет получить компьютерное изображение органов человека в трех плоскостях, не нанося никакого вреда человеческому организму. Четырехмерное УЗИ – это возможность путешествовать внутри сосудов человека, выявляя малейшие изменения.
По сегодняшний день ультразвук верой и правдой служит человеку, позволяя вовремя распознать злокачественные новообразования, спасая жизни многим пациентам, а также даруя уникальную возможность не только следить за развитием ребенка в утробе матери, но даже определить пол и внешние черты младенца.
В онкологии ультразвук применяется не только как безопасный метод диагностики, но и как метод лечения раковых опухолей на ранних стадиях их развития. Не секрет, что наука не стоит на месте, и появляются новые, модернизированные методы исследований.
УЗИ - ультразвуковое исследование - метод диагностики, который на сегодняшний день является одним из основных инструментов современной медицины и применяется практически во всех её областях. Будучи довольно молодым методом, УЗИ диагностика совершила настоящий переворот, обеспечив врачей мощным, быстрым, безопасным, информативным и достоверным инструментом обследования пациентов для выявления широкого круга заболеваний.
Но как ультразвук попал в арсенал медиков и что этому предшествовало? Об этом и расскажет этот небольшой обзор.
Открытие ультразвука и пьезоэлектриков
С давних времён учёные-исследователи в области физики, математики, материаловедения, позднее в электронике, пытались проникнуть за грань материального.
Ещё Леонардо да Винчи в XV веке погружал в жидкость трубку, пытаясь определить движение и скорость движущихся навстречу друг другу кораблей. Так со временем появился ультразвук, которым стали пользоваться во многих сферах, с том числе в медицине, сначала в диагностике, а затем и в лечении. Что же такое ультразвук? Ультразвук – это упругие колебания с частотами выше диапазона слышимости человека (20 кГц), распространяющиеся в виде волны в газах, жидкостях и твёрдых телах или образующее в ограниченных областях этих сред стоячие волны.
В XIX веке ультразвук произвёл настоящий бум в среде исследователей, объединив усилия учёных различных областей. Например, швейцарский физик Жан – Даниел и математик Чарльз Штурм, занимаясь проблемами скорости звука в воде, внесли немалый вклад в развитие гидролокатора. Учёный Калладон в результате своих экспериментов сумел определить скорость звука в воде. Благодаря этому родилась гидроакустика.
В конце XIX века, в 1877 году, Джон Уильям Струтт разработал теорию звука, которая и явилась основой науки об ультразвуке. Тремя годами позже открытие учёных Пьера и Жака Кюри привело к развитию ультразвукового преобразователя. Их открытие пьезоэлектриков стало основой современного ультразвукового оборудования.
В XX веке исследования в области ультразвука были продолжены. Благодаря «сверхзвуковому рефлектоскопу», разработанному в первой половине 20 века учёными Спроулом, Фаярстоуном и Спер стало возможным обнаруживать дефекты в металле, что нашло своё применение в промышленности.
Во второй половине XX века учёные – исследователи Генри Хугес, Кельвин, Боттомли и Баярд изготовили металлический дефектоскоп, а Том Броун с Яном Дональдом разработали первую в мире контактную ультразвуковую машину. Кроме этого, Яну Дональду принадлежит заслуга в исследовании клинических областей использования ультразвука.
Гидролокация
Вначале следует пояснить, что же такое гидролокатор. Гидролокатор – это прибор, который обнаруживает объекты, находящиеся под водой, при помощи эха. Гидролокационная установка обладает приёмником, который принимает эхо на себя и информирует о предметах, находящихся под водой. Таким образом, благодаря учёным Элру Бэму (Австрия-1912г.), Левису Ричардсону (Англия – 1912 г.), Реджинальду Фессендену (США - 1914 г.), создавшим в разное время и в разных странах эхолоты – гидролокаторы, стало возможным обнаружение айсбергов, что спасло тысячи человеческих жизней. Гидролокационные установки нашли своё применение в военной промышленности (например, для обнаружения подводных лодок), в речной и морской (для определения возможных препятствий, затонувших кораблей), в тяжёлой промышленности (для поисков залежей нефти) и т.д.
Выдающееся открытие в 1928 году в области ультразвукового дефектоскопа принесло признание русскому учёному С. Я. Соколову.
Первые опыты применения ультразвука в области медицины
Широкое применение ультразвук нашёл в области медицины как метод диагностики - УЗИ. По словам Яна Дональда, сказанным в 70-десятые годы, «медицинский гидролокатор весьма внезапно вырос и достиг совершеннолетия; фактически, его всплеск роста в пределах последних нескольких лет был почти взрывом». А начиналось это в далёкие пятидесятые годы 20 века. Американцы Холмс и Хоур, используя достижения в технических областях, первыми сканировали человека, погружая его в бак, изготовленный из башни от самолёта В29, с дегазованной водой, пропуская ультразвук вокруг оси 360 градусов, что и стало первой томограммой.
Открытие Йаффе привело к тому, что Тернер из Лондона, Лекселл из Швеции и Казнер из Германии использовали ультразвук для энцифалографии срединной линии головного мозга в целях обнаружения гематом, полученных в результате травмирования.
Инге Эдлер и Карл Хеллмут Герц стали пионерами в области эхокардиографии (ультразвуковой кардиографии).
В 1955 году Яном Дональдом и доктором Барром были проведены первые исследования опухолей, твёрдой и кистозной. При поддержке Яна Дональда инженер Том Браун создал прибор Mark 4, который дифференцировал твёрдые и кистозные опухоли, чем сумел спасти человеческую жизнь.
Интерес к УЗИ и ультразвуковой технике постоянно растёт, так как он проникает во все сферы человеческой деятельности.
Во время беременности организм будущей мамочки нуждается в регулярных обследованиях и наблюдении за процессом вынашивания ребенка, поэтому нужно знать, во сколько недель делать первое УЗИ при беременности.
Узи снимок фотография
аппарат консультация внутри
плановое в положении отдых
развитие снимок просмотр
Это обследование позволяет всегда держать ситуацию под контролем и получать данные, которые смогут сориентировать врача-гинеколога на дальнейшие действия, если они потребуются. Помимо множества показателей, понятных только врачу, будущая мама сможет получить визуальную информацию о своем ребеночке.
В основе принципа исследования лежит эхолокация: ультразвуковые волны отражаются от тканей, в которые проникают. При этом на экране появляются изображения данных тканей. Отраженные лучи принимает датчик, который воспринимает получаемые сигналы в зависимости от плотности тканей. Это позволяет воспроизвести на экране четкое изображение плода.
Сегодня подобное исследование является самым безопасным и эффективным. Оно применяется уже 40 лет, но до сих пор не было замечено негативного влияния на будущего малыша. Давайте разберемся, когда лучшего всего сделать первое УЗИ при наступлении беременности.
Время первого обследования
Каждой будущей маме нужно знать, когда можно делать первое УЗИ для подтверждения наступления беременности. Его проводят на сроке 3-5 недель после начала последних месячных. Сегодня в акушерстве используется два метода диагностики:
- через брюшную стенку;
- трансвагинальный с применением влагалищного датчика, на который надевается специальный презерватив.
Стоит знать, что независимо от того, на каком сроке вы сделаете первое УЗИ при беременности, именно влагалищное исследование повышает достоверность и точность полученных сведений, поскольку датчик соприкасается с внутренними органами. В этом случае нет необходимости наполнять мочевой пузырь перед диагностикой. Уже на 4-5 дне задержки можно подтвердить факт занятия. Получается, что эмбриологическая беременность определяется на сроке от 2 недель.
Исследование влагалища
На момент, когда уже можно делать ваше первое узи при наличии беременности, диаметр плодного яйца всего около 5 мм. Для определения точного срока необходимо измерить размер эмбриона от головки до копчика. Вероятность ошибки в данном случае не больше трех дней. Если нет необходимости подтверждать факт зачатия, а отсутствие или наличие маточной патологии были установлены другим способом, первый плановый поход на УЗИ осуществляется при беременности на сроке до 12 недель.
Мы разобрались, когда можно идти на первое УЗИ при маточной беременности, а теперь давайте поймем, что оно показывает:
- 7 недель – головка эмбриона;
- 8 недель – конечности плода;
- 9-11 недель – косточки конечностей и точки окостенения;
- 11-14 недель – наличие или отсутствие желудка, почек, мочевого пузыря, всех пальцев плода.
Когда делается первое УЗ-исследование при беременности, нужно измерить «воротниковое пространство». Нормальный размер – максимум 3 мм. При 3 мм и более шея плода начинает отекать, что свидетельствует о хромосомном нарушении и наличии риска появления симптома Дауна.
«Воротниковое пространство» важно измерять при вынашивании близнецов. Чем раньше вы ее обнаружите, тем большей точности будет результат обследования на наличие синдрома Дауна, поскольку именно при многодетной беременности возможны погрешности при обнаружении данного симптома.
Воротниковое пространство
Проведение раньше положенного срока
Иногда врач решает назначить ультразвуковую диагностику раньше, чем оно проводится обычно. Это происходит, когда существует риск развития какой-либо патологии.
Есть несколько случаев, когда первое УЗ-исследование при появлении беременности, делают раньше положенного срока.
- Риск аномалии развития половых органов.
- Дифференциальная диагностика женщины с опухолью матки или фибромой.
- Подозрение на пузырный занос, незавершенную беременность.
- Подозрение развитие трубной и другой внематочной беременности.
- Возможный выкидыш.
В этих случаях у женщины возникают определенные симптомы, из-за чего врач изменяет срок, на котором он делает первое УЗИ беременной. Самый серьезный симптом – это кровотечение после задержки менструации и положительный тест. Про .
Кровотечение может свидетельствовать о любом из состояний, которые были указаны выше. При внематочной беременности и выкидыше у женщин сильно болит низ живота.
Если наблюдается пузырный занос, то плод не развивается, а плодные оболочки начинают разрастаться в виде пузырей, которые прорастают в матку, могут попасть в мозг и легкие. Это состояние можно определить по размерам матки, которая начинает увеличиваться быстрее, чем положено. Самочувствие женщины ухудшается и, если не предпринять меры, возможен летальный исход.
Обследование в I триместре
Первое скрининговое УЗИ делается при сроке беременности от 10 до 14 недель. Оно назначается для выявления аномалий развития плода, генетических аномалий, а также помогает диагностировать возможные проблемы кровотока плаценты и расположения плода. Скрининг может выполняться вагинальным способом и через живот.
Первый плановый поход
В первом случае вам придется раздеться ниже пояса и лечь, согнув ноги, после чего врач вводит тонкий датчик во влагалище. Неприятных ощущений процедура не приносит, однако на следующий день может появиться немного кровяных выделений. При обследовании через живот нужно раздеться до пояса или приподнять одежду. Специалист наносит специальную жидкость на живот и двигает по нему датчиком.
После скрининга врач составляет протокол, куда записывает основные параметры, определяемые при исследовании. К ним относится:
- частота сердечных сокращений;
- копчико-теменной размер;
- визуализация эмбриона;
- размер воротникового пространства;
- структура хориона;
- месторасположение хориона;
- особенности строения маточных стенок;
- особенности придатков матки.
После проведения УЗИ пациентку направляют на биохимическое исследование, которое также входит в процедуру первого скрининга. Специалист берет кровь из вены, чтобы получить необходимую информацию. Последний прием пищи должен быть за четыре часа до исследования.
Как только вы выяснили, когда сделать первое скрининговое УЗ-исследование при беременности, медлить не стоит. С помощью диагностики можно с точностью до дня установить срок, выяснить, как идет развитие плода, есть ли пороки или особенности половых органов, которые способны осложнить процесс вынашивания ребенка или вовсе прервать его.
Узи помогает определить срок положения
Подготовка к проведению исследования
Как только вы определились с тем, когда лучше идти к врачу и делать первое УЗИ при наступившей беременности, следует подготовиться к исследованию. Если диагностика будет выполняться через живот, за два часа до процедуры нужно будет выпить примерно два литра воды без газа. Перед процедурой не следует мочиться.
Если вы решаете, как подготовиться к проведению первого УЗИ при малом сроке беременности, необходимо знать, о том, что нужно взять с собой к врачу:
- презерватив;
- полотенце;
- бахилы;
- пеленку.
Презерватив необходим, чтобы надеть его на трансвагинальный датчик. Некоторые платные клиники предоставляют свои расходные материалы, которых включены в стоимость приема. Поэтому не придется нести их с собой. Уточните эту информацию у администратора. Используйте .
Также перед проведением осмотра нужно подмыть наружные половые органы и надеть чистое белье. За день до запланированного исследования необходимо полностью исключить жареную и жирную пищу, ограничить употребление морепродуктов, шоколада, цитрусовых.
Как только вы поняли, во сколько врачи делают первое УЗИ при небольшом сроке беременности, запишитесь на прием. Вы теперь будущая мамочка, поэтому позаботитесь о своем малыше и сделайте все, чтобы защитить его от различных болезней.
Спасибо 0
Если какое-либо тело колеблется в упругой среде быстрее, чем среда успевает обтекать его, оно своим движением то сжимает, то разрежает среду. Слои повышенного и пониженного давления разбегаются от колеблющегося тела во все стороны и образуют звуковые волны. Если колебания тела, создающего волну следуют друг за другом не реже, чем 16 раз в секунду не чаще, чем 18 тысяч раз в секунду, то человеческое ухо слышит их.Частоты 16 - 18000 Гц, которые способен воспринимать слуховой аппарат человека принято называть звуковыми, например писк комара »10 кГц. Но воздух, глубины морей и земные недра наполнены звуками, лежащими ниже и выше этого диапазона - инфра и ультразвуками. В природе ультразвук встречается в качестве компонента многих естественных шумов: в шуме ветра, водопада, дождя, морской гальки, перекатываемой прибоем, в грозовых разрядах. Многие млекопитающие, например кошки и собаки, обладают способностью восприятия ультразвука частотой до 100 кГц, а локационные способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем хорошо известны. Существование неслышимых звуков было обнаружено с развитием акустики в конце XIX века. Тогда же начались первые исследования ультразвука, но основы его применения были заложены только в первой трети XX-века.
Нижней границей ультразвукового диапазона называют упругие колебания частотой от 18 кГц. Верхняя граница ультразвука определяется природой упругих волн, которые могут распространяться только при том условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул (в газах) или межатомных расстояний (в жидкостях и газах). В газах верхний предел составляет »106 кГц, в жидкостях и твёрдых телах »1010 кГц. Как правило, ультразвуком называют частоты до 106 кГц. Более высокие частоты принято называть гиперзвуком.
Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но, у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике. Вот основные из них:
- Малая длина волны. Для самого низкого ультразвукового диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя ультразвук распространяется в виде пучков по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, ультразвуковой пучок ведёт себя как световой луч, испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет формировать звуковые изображения в оптически непрозрачных средах, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.)
- Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.
- Возможность получения высоких значений энергии колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.
- В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения. Поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические эффекты: физические, химические, биологические и медицинские. Такие как кавитация, звукокапиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.
- Ультразвук неслышим и не создаёт дискомфорта обслуживающему персоналу.
История ультразвука. Кто открыл ультразвук.
Внимание к акустике было вызвано потребностями морского флота ведущих держав - Англии и Франции, т.к. акустический - единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. Эксперимент Колладона считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась Колладоном на расстоянии 10 миль. Он также слышал звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, Колладон вычислил скорость звука - 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.
В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт корабля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола (как, впрочем, и подрыв в воде пороховых патронов), давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.
Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Фрэнсис Гальтон . Ультразвук создавался подобно свисту на острие ножа, если на него дуть. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух или другой газ, выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на кромку, и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.
В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо "пьезоэлектричество" от греческого слова, означающего "нажать". Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.
Гибель «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы с новым оружием - подводными лодками требовали быстрого развития ультразвуковой гидроакустики. В 1914 году, французский физик Поль Ланжевен совместно с талантливым русским учёным-эмигрантом - Константином Васильевичем Шиловским впервые разработали гидролокатор, состоящий из излучателя ультразвука и гидрофона - приёмника УЗ колебаний, основанный на пьезоэффекте. Гидролокатор Ланжевена - Шиловского, был первым ультразвуковым устройством , применявшимся на практике. Тогда же российский ученый С.Я.Соколов разработал основы ультразвуковой дефектоскопии в промышленности. В 1937 году немецкий врач-психиатр Карл Дуссик, вместе с братом Фридрихом, физиком, впервые применили ультразвук для обнаружения опухолей головного мозга, но результаты, полученные ими, оказались недостоверными. В медицинской практике ультразвук впервые стал применяться только с 50-х годов XX-го века в США.
Получение ультразвука.
Излучатели ультразвука можно разделить на две большие группы:
1) Колебания возбуждаются препятствиями на пути струи газа или жидкости, или прерыванием струи газа или жидкости. Используются ограниченно, в основном для получения мощного УЗ в газовой среде.
2) Колебания возбуждаются преобразованием в механические колебаний тока или напряжения. В большинстве ультразвуковых устройств используются излучатели этой группы: пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи.
Кроме преобразователей, основанных на пьезоэффекте, для получения мощного ультразвукового пучка используются магнитострикционные преобразователи. Магнитострикция - это изменение размеров тел при изменении их магнитного состояния. Сердечник из магнитострикционного материала, помещённый в проводящую обмотку меняет свою длину в соответствии с формой токового сигнала, проходящего по обмотке. Данное явление, открытое в 1842 г. Джеймсом Джоулем, свойственно ферромагнетикам и ферритам. Наиболее употребительные магнитострикционные материалы это сплавы на основе никеля, кобальта, железа и алюминия. Наибольшей интенсивности ультразвукового излучения позволяет достичь сплав пермендюр (49%Co, 2%V, остальное Fe), который используется в мощных УЗ излучателях. В частности в , выпускаемых нашим предприятием.
Применение ультразвука.
Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:
- получение информации о веществе
- воздействие на вещество
- обработка и передача сигналов
Зависимость скорости распространения и затухания акустических волн от свойств вещества и процессов в них происходящих, используется в таких исследованиях:
- изучение молекулярных процессов в газах, жидкостях и полимерах
- изучение строения кристаллов и других твёрдых тел
- контроль протекания химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и др.
- определение концентрации растворов
- определение прочностных характеристик и состава материалов
- определение наличия примесей
- определение скорости течения жидкости и газа
Измерение скорости звука в твёрдых телах позволяет определять упругие и прочностные характеристики конструкционных материалов. Такой косвенный метод определения прочности удобен простотой и возможностью использования в реальных условиях.
Ультразвуковые газоанализаторы осуществляют слежение за процессами накопления опасных примесей. Зависимость скорости УЗ от температуры используется для бесконтактной термометрии газов и жидкостей.
На измерении скорости звука в движущихся жидкостях и газах, в том числе неоднородных (эмульсии, суспензии, пульпы), основаны ультразвуковые расходомеры, работающие на эффекте Допплера. Аналогичная аппаратура используется для определения скорости и расхода потока крови в клинических исследованиях.
Большая группа методов измерения основана на отражении и рассеянии волн ультразвука на границах между средами. Эти методы позволяют точно определять местонахождение инородных для среды тел и используются в таких сферах как:
- гидролокация
- неразрушающий контроль и дефектоскопия
- медицинская диагностика
- определения уровней жидкостей и сыпучих тел в закрытых ёмкостях
- определения размеров изделий
- визуализация звуковых полей — звуковидение и акустическая голография
Отражение, преломление и возможность фокусировки ультразвука используется в ультразвуковой дефектоскопии, в ультразвуковых акустических микроскопах, в медицинской диагностике, для изучения макронеоднородностей вещества. Наличие неоднородностей и их координаты определяются по отражённым сигналам или по структуре тени.
Методы измерения, основанные на зависимости параметров резонансной колебательной системы от свойств нагружающей его среды (импеданс), применяются для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкостей, для измерения толщины деталей, доступ к которым возможен только с одной стороны. Этот же принцип лежит в основе УЗ твердомеров, уровнемеров, сигнализаторов уровня. Преимущества УЗ методов контроля: малое время измерений, возможность контроля взрывоопасных, агрессивных и токсичных сред, отсутствие воздействия инструмента на контролируемую среду и процессы.
Воздействие ультразвука на вещество.
Воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, широко используется в промышленности. При этом механизмы воздействия ультразвука различны для разных сред. В газах основным действующим фактором являются акустические течения, ускоряющие процессы тепломассообмена. Причём эффективность УЗ перемешивания значительно выше обычного гидродинамического, т.к. пограничный слой имеет меньшую толщину и как следствие, больший градиент температуры или концентрации. Этот эффект используется в таких процессах, как:
- ультразвуковая сушка
- горение в ультразвуковом поле
- коагуляция аэрозолей
В ультразвуковой обработке жидкостей основным действующим фактором является кавитация . На эффекте кавитации основаны следующие технологические процессы:
- ультразвуковая очистка
- металлизация и пайка
- звукокапиллярный эффект — проникновение жидкостей в мельчайшие поры и трещины. Применяется для пропитки пористых материалов и имеет место при любой ультразвуковой обработке твёрдых тел в жидкостях.
- кристаллизация
- интенсификация электрохимических процессов
- получение аэрозолей
- уничтожения микроорганизмов и ультразвуковая стерилизация инструментов
Акустические течения — один из основных механизмов воздействия ультразвука на вещество. Он обусловлен поглощением ультразвуковой энергии в веществе и в пограничном слое. Акустические потоки отличаются от гидродинамических малой толщиной пограничного слоя и возможностью его утонения с увеличением частоты колебаний. Это приводит к уменьшению толщины температурного или концентрационного погранслоя и увеличению градиентов температуры или концентрации, определяющих скорость переноса тепла или массы. Это способствует ускорению процессов горения, сушки, перемешивания, перегонки, диффузии, экстракции, пропитки, сорбции, кристаллизации, растворения, дегазации жидкостей и расплавов. В потоке с высокой энергией влияние акустической волны осуществляется за счёт энергии самого потока, путём изменения его турбулентности. В этом случае акустическая энергия может составлять всего доли процентов от энергии потока.
При прохождении через жидкость звуковой волны большой интенсивности, возникает так называемая акустическая кавитация . В интенсивной звуковой волне во время полупериодов разрежения возникают кавитационные пузырьки, которые резко схлопываются при переходе в область повышенного давления. В кавитационной области возникают мощные гидродинамические возмущения в виде микроударных волн и микропотоков. Кроме того, схлопывание пузырьков сопровождается сильным локальным разогревом вещества и выделением газа. Такое воздействие приводит к разрушению даже таких прочных веществ, как сталь и кварц. Этот эффект используется для диспергировании твёрдых тел, получения мелкодисперсных эмульсий несмешивающихся жидкостей, возбуждения и ускорения химических реакций, уничтожения микроорганизмов, экстрагирования из животных и растительных клеток ферментов. Кавитация определяет также такие эффекты как слабое свечение жидкости под действием ультразвука - звуколюминесценция , и аномально глубокое проникновение жидкости в капилляры - звукокапиллярный эффект .
Кавитационное диспергирование кристаллов карбоната кальция (накипи) лежит в основе акустических противонакипных устройств . Под воздействием ультразвука происходит раскалывание частиц, находящихся в воде, их средние размеры уменьшаются с 10 до 1 микрона, увеличивается их количество и общая площадь поверхности частиц. Это приводит к переносу процесса образования накипи с теплообменной поверхности в непосредственно в жидкость. Ультразвук так же воздействует и на сформированный слой накипи, образуя в нем микротрещины способствующие откалыванию кусочков накипи с теплообменной поверхности.
В установках по ультразвуковой очистке с помощью кавитации и порождаемых ею микропотоков удаляют загрязнения как жёстко связанные с поверхностью, типа окалины, накипи, заусенцев, так и мягкие загрязнения типа жирных плёнок, грязи и т.п. Этот же эффект используется для интенсификации электролитических процессов.
Под действием ультразвука возникает такой любопытный эффект, как акустическая коагуляция, т.е. сближение и укрупнение взвешенных частиц в жидкости и газе. Физический механизм этого явления ещё не окончательно ясен. Акустическая коагуляция применяется для осаждения промышленных пылей, дымов и туманов при низких для ультразвука частотах до 20 кГц. Возможно, что благотворное действие звона церковных колоколов основано на этом эффекте.
Механическая обработка твёрдых тел с применением ультразвука основана на следующих эффектах:
- уменьшение трения между поверхностями при УЗ колебаниях одной из них
- снижение предела текучести или пластическая деформация под действием УЗ
- упрочнение и снижение остаточных напряжений в металлах под ударным воздействием инструмента с УЗ частотой
- Комбинированное воздействие статического сжатия и ультразвуковых колебаний используется в ультразвуковой сварке
Различают четыре вида мехобработки с помощью ультразвука:
- размерная обработка деталей из твёрдых и хрупких материалов
- резание труднообрабатываемых материалов с наложением УЗ на режущий инструмент
- снятие заусенцев в ультразвуковой ванне
- шлифование вязких материалов с ультразвуковой очисткой шлифовального круга
Действия ультразвука на биологические объекты вызывает разнообразные эффекты и реакции в тканях организма, что широко используется в ультразвуковой терапии и хирургии. Ультразвук является катализатором, ускоряющим установление равновесного, с точки зрения физиологии состояния организма, т.е. здорового состояния. УЗ оказывает на больные ткани значительно большее влияние, чем на здоровые. Также используется ультразвуковое распыление лекарственных средств при ингаляциях. Ультразвуковая хирургия основана на следующих эффектах: разрушение тканей собственно сфокусированным ультразвуком и наложение ультразвуковых колебаний на режущий хирургический инструмент.
Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электронных сигналов и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. Малая скорость ультразвука используется в линиях задержки. Управление оптическими сигналами основывается на дифракции света на ультразвуке. Один из видов такой дифракции - т.н.брегговская дифракция зависит от длины волны ультразвука, что позволяет выделить из широкого спектра светового излучения узкий частотный интервал, т.е. осуществлять фильтрацию света.
Ультразвук чрезвычайно интересная вещь и можно предположить, что многие возможности его практического применения до сих пор не известны человечеству. Мы любим и знаем ультразвук и будем рады обсудить любые идеи, связанные его применением.
Где применяется ультразвук - сводная таблица
Наше предприятие, ООО «Кольцо-энерго», занимается производством и монтажом акустических противонакипных устройств «Акустик-Т». Устройства, выпускаемые нашим предприятием, отличаются исключительно высоким уровнем ультразвукового сигнала, что позволяет им работать на котлах без водоподготовки и пароводяных бойлерах с артезианской водой. Но предотвращение накипи - очень малая часть того, что может ультразвук. У этого удивительного природного инструмента огромные возможности и мы хотим рассказать вам о них. Сотрудники нашей компании много лет работали в ведущих российских предприятиях, занимающихся акустикой. Мы знаем об ультразвуке очень много. И если вдруг возникнет необходимость применить ультразвук в вашей технологии,