Ультразвук, пружні коливання і хвилі з частотами приблизно від 1,5— 2 ×10 4 гц (15—20 кгц ) і до 10 9 гц (1 Ггц ) , область частот В. від 10 9 до 10 12-13 гц прийнято називати гіперзвуком . Область частот В. можна підрозділити на три підобласті: В. низьких частот (1,5×10 4 —10 5 гц) — УНЧ, В. середніх частот (10 5 — 10 7 гц ) — УСЧ і область високих частот В. (10 7 —10 9 гц ) — УЗВЧ. Кожна з цих підобластей характеризується своїми специфічними особливостями генерації, прийому, поширення і вживання.
Фізичні властивості і особливості поширення ультразвука. По своїй фізичній природі В. є пружні хвилі і в цьому він не відрізняється від звуку . Частотний кордон між звуковими і ультразвуковими хвилями тому умовний; вона визначається суб'єктивними властивостями людського слуху і відповідає усередненому верхньому кордону чутного звуку. Проте завдяки вищим частотам і, отже, малим довжинам хвиль має місце ряд особливостей поширення В. Так, для УЗВЧ довжини хвиль в повітрі складають 3,4×10 -3 —3,4×10 -5 см, у воді 1,5×10 -2 —1,5 ×1 0 -4 см і в сталі 5×10 -2 — 5×10 -4 див. В. у газах і, зокрема, в повітрі поширюється з великим загасанням (див. Поглинання звуку ) . Рідини і тверді тіла (особливо монокристали) є, як правило, хороші провідники В., загасання в яких значно менше. Так, наприклад, у воді загасання В. за інших рівних умов приблизно в 1000 разів менше, ніж в повітрі. Тому області використання УСЧ і УЗВЧ відносяться майже виключно до рідин і твердих тіл, а в повітрі і газах застосовують лише УНЧ. Зважаючи на малу довжину хвилі В. на характері його поширення позначається молекулярна структура середовища, тому, вимірюючи швидкість В. з і коефіцієнтом поглинання а, можна судити про молекулярні властивості речовини. Цими питаннями займається молекулярна акустика . Характерна особливість поширення В. у газах і рідинах — існування виразно виражених областей дисперсії, що супроводиться різким зростанням його поглинання (див. Дисперсія звуку ) . Коефіцієнт поглинання В. у ряді рідин істотно перевершує розрахований по класичній теорії і не виявляє передбаченого цією теорією збільшення, пропорційного квадрату частоти. Всі ці ефекти знаходять пояснення в релаксаційній теорії (див. Релаксація ), яка описує поширення В. у будь-яких середовищах і є теоретичною базою сучасної молекулярної акустики, а основний експериментальний метод — вимір залежності з і особливо а від частоти і від зовнішніх умов (температури, тиск і ін.).
Сукупність ущільнень і розріджень, супроводжуюча поширення ультразвукової хвилі, є своєрідними гратами, дифракцією світлових хвиль на якій можна спостерігати в оптично прозорих тілах. Мала довжина ультразвукових хвиль є основою для того, щоб розглядати їх поширення у ряді випадків методами геометричної акустики . Фізично це приводить до променевої картини поширення. Звідси витікають такі властивості В., як можливість геометричного віддзеркалення і заломлення, а також фокусування звуку ( мал. 1 ).
Наступна важлива особливість В, — можливість здобуття великої інтенсивності навіть при порівняно невеликих амплітудах коливань, оскільки при даній амплітуді щільність потоку енергії пропорційна квадрату частоти. Ультразвукові хвилі великої інтенсивності супроводяться рядом ефектів, які можуть бути описані лише законами нелінійної акустики . Так, поширенню ультразвукових хвиль в газах і в рідинах супроводить рух середовища, який називають акустичною течією ( мал. 2 ). Швидкість акустичної течії залежить від в'язкості середовища, інтенсивності В. і його частоти; взагалі кажучи, вона мала і складає долі % від швидкості В.
До важливих нелінійних явищ, що виникають при поширенні інтенсивного В. у рідинах, відноситься акустична кавітація — зростання в ультразвуковому полі бульбашок з наявних субмікроскопічних зародків газу або пари в рідинах до розмірів в долі мм, які починають пульсувати з частотою В. і закриваються в позитивній фазі тиску. При закритті бульбашок газу виникає великий локальний тиск порядка тисячі атмосфер, утворюються сферичні ударні хвилі. Біля пульсуючих бульбашок утворюються акустичні мікропотоки. Явища в полі кавітації приводять до ряду як корисних (здобуття емульсій, очищення забруднених деталей і ін.), так і шкідливих (ерозія випромінювачів В.) явищ. Частоти В., при яких використовується ультразвукова кавітація в технологічних цілях, лежать в області УНЧ. Інтенсивність, відповідна порогу кавітації, залежить від роду рідини, частоти звуку, температури і ін. чинників. У воді на частоті 20 кгц вона складає близько 0,3 вт/см 2 . На частотах діапазону УСЧ в ультразвуковому полі з інтенсивністю від декількох вт/см 2 може виникнути фонтанування рідини ( мал. 3 ) і розпиляло її з утворенням вельми мелкодісперсного туману.
Генерація ультразвука . Для генерування ультразвукових коливань застосовують всілякі пристрої, які можуть бути розбиті на 2 основних групи, — механічні, в яких джерелом В. є механічна енергія потоку газу або рідини, і електромеханічні, в яких ультразвукова енергія виходить перетворенням електричної. Механічні випромінювачі У.— повітря і рідинні свистки і сирени — відрізняються порівняльною простотою пристрої і експлуатації, не вимагають дорогої електричної енергії високої частоти, ккд(коефіцієнт корисної дії) їх складає 10—20%. Основний недолік всіх механічних ультразвукових випромінювачів — порівняно широкий спектр випромінюваних частот і нестабільність частоти і амплітуди, що не дозволяє їх використовувати для контрольно-вимірювальних цілей; вони застосовуються головним чином в промисловій ультразвуковій технології і частково — як засоби сигналізації.
Основний метод випромінювання У.— перетворення тим або іншим способом електричних коливань в коливання механічні. У діапазоні УНЧ можливе вживання електродинамічних і електростатичних випромінювачів. Широке вживання в цьому діапазоні частот знайшли випромінювачі В., що використовують магнітострикційний ефект (див. Магнітострикція ) в нікелі і в ряду спеціальних сплавів, також в феритах . Для випромінювання УСЧ і УЗВЧ використовується головним чином явище п'єзоелектрики . Основними п'єзоелектричними матеріалами для випромінювачів В. служать п'єзокварц, ніобат літію, дігидрофосфат калія, а в діапазоні УНЧ і УСЧ — головним образом різні пьезокерамічеськие матеріали. Магнітострикційні випромінювачі є сердечник стрижньової або кільцевої форми з обмоткою, по якій протікає змінний струм, а п'єзоелектричні — пластинку ( мал. 4 ) або стрижень з п'єзоелектричного матеріалу з металевими електродами, до яких прикладається змінна електрична напруга. У діапазоні УНЧ широкого поширення набули складені пьезоїзлучателі, в яких пьезокерамічеськая пластинка затискається між металевими блоками. Як правило, для збільшення амплітуди коливань і випромінюваної в середу потужності застосовуються коливання магнітострикційних і п'єзоелектричних елементів на їх власній резонансній частоті.
Гранична інтенсивність випромінювання В. визначається прочностнимі і нелінійними властивостями матеріалу випромінювачів, а також особливостями використання випромінювачів. Діапазон інтенсивності при генерації В. в області УСЧ надзвичайно широкий: інтенсивності від 10 -14 —10 -15 вт/см 2 до 0,1 вт/см 2 вважаються малими. Для багатьох цілей необхідно отримати набагато більші інтенсивності, ніж ті, які можуть бути отримані з поверхні випромінювача. У цих випадках можна скористатися фокусуванням В. Так, у фокусі параболоїда, внутрішні стінки якого виконані з мозаїки кварцевих пластинок або з пьезокераміки титанату барії, на частоті 0,5 мгц удається отримувати у воді інтенсивності. більші, ніж 10 5 вт/см 2 . Для збільшення амплітуди коливань твердих тіл в діапазоні УНЧ часто користуються стрижньовими ультразвуковими концентраторами (див. Концентратор акустичний ) , що дозволяють отримувати амплітуди зсуву до 10 -4 див.(дивися)
Вибір методу генерації В. залежить від області частот В., характеру середовища (газ, рідина, тверде тіло), типа пружних хвиль і необхідної інтенсивності випромінювання.
Прийом і виявлення ультразвука. Унаслідок оборотності п'єзоефекту він широко застосовується і для прийому У. Ізученіє ультразвукового поля може вироблятися і оптичними методами: В., поширюючись в якому-небудь середовищі, викликає зміну її оптичного показника заломлення, завдяки чому його можна візуалізувати, якщо середовище прозоре для світла. Суміжна область акустики і оптики (акустооптика) отримала великий розвиток, особливо після появи газових лазерів безперервної дії; розвинулися дослідження по дифракції світла на В. і її різним вживанням.
Вживання ультразвука. Вживання В. надзвичайно всілякі. В. служить потужним методом дослідження різних явищ в багатьох галузях фізики. Так, наприклад, ультразвукові методи застосовуються у фізиці твердого тіла і фізиці напівпровідників; виникла ціла нова галузь фізики — акусто-електроніка, на основі досягнень якої розробляються різні прилади для обробки сигнальної інформації в мікроелектроніці. В. грає велику роль у вивченні речовини. Поряд з методами молекулярної акустики для рідин і газів, в області вивчення твердих тіл вимір швидкості з і коефіцієнтом поглинання а використовуються для визначення модулів пружності і диссипативних характеристик речовини. Отримала розвиток квантова акустика, що вивчає взаємодію квантів пружних обурень, — фононів — з електронами, магнонамі і ін. квазічастинками і елементарними збудженнями в твердих тілах. В. широко застосовується в техніці, а також ультразвукові методи все більше проникають в біологію і медицину.
Вживання В. у техніці. За даними вимірів з і a, в багатьох технічних завданнях здійснюється контроль за протіканням того або іншого процесу (контроль концентрації суміші газів, складу різних рідин і так далі). Використовуючи явище віддзеркалення В. на кордоні різних середовищ, конструюють ультразвукові прилади для виміру розмірів виробів (наприклад, ультразвукові товщиноміри), для визначення рівня рідини у великих, недоступних для прямого виміру ємкостях. В. порівняно малій інтенсивності (до ~0,1 вт/см 2 ) широко використовується для цілей неруйнівного контролю виробів з твердих матеріалів (рейок, крупних відливань, якісного прокату і т.д.) (див. Дефектоскопія ) . Швидко розвивається напрям дефектоскопії, що отримав назву акустичної емісії, яка полягає в тому, що при додатку механічної напруги до зразка (конструкції) твердого тіла він «потріскує» (подібно до того, як при вигині «потріскує» олов'яний стрижень). Це пояснюється тим, що в зразку виникає рух дислокацій, які за певних умов (до кінця ще доки не з'ясованих) стають джерелами (так само, як і сукупність дислокацій і субмікроскопічних тріщин) акустичних імпульсів із спектром, що містить частоти У. Прі допомозі акустичній емісії удається виявити освіту і розвиток тріщини, а також визначити її місцезнаходження у відповідальних деталях різних конструкцій. При допомозі В. здійснюється звукобачення : перетворюючи ультразвукові коливання в електричні, а останні — в світлових, виявляється можливим при допомозі В. бачити ті або інші предмети в непрозорому для світла середовищі. На частотах УЗВЧ діапазону створений ультразвуковий мікроскоп — прилад, аналогічний звичайному мікроскопу, перевага якого перед оптичним полягає і тому, що при біологічних дослідженнях не вимагається попереднього фарбування предмету ( мал. 5 ). Розвиток голографію привело до певних успіхів в області ультразвукової голографії.
Вельми важливу роль В. грає в гідроакустиці, оскільки пружні хвилі є єдиним виглядом хвиль, добре що поширюється в морській воді. На принципі віддзеркалення ультразвукових імпульсів від перешкод, що виникають на дорозі їх поширення, будується робота таких приладів, як ехолот, гідролокатор .
В. великій інтенсивності (головним чином діапазон УНЧ) надає дію на протікання тих або інших технологічних процесів (див. Ультразвукова обробка ) за допомогою нелінійних ефектів — кавітації, акустичних потоків і ін. Так, за допомогою потужного В. прискорюється ряд процесів тепло- і масообміну в металургії. Дія ультразвукових коливань безпосередньо на розплави дозволяє отримати більш дрібнокристалічну і однорідну структуру металу. Ультразвукова кавітація широко використовується для очищення від забруднень як дрібних (годинне виробництво, приладобудування, електронна техніка), так і крупних виробничих деталей (трансформаторне залізо, прокат і ін.). З допомогою В. удається здійснити паяння алюмінієвих виробів. У мікроелектроніці і напівпровідниковій техніці використовується ультразвукове приварювання тонких провідників до напилених металевих плівок і безпосередньо до напівпровідників. За допомогою ультразвукової зварки сполучають пластмасові деталі, полімерні плівки, синтетичні тканини і ін. У всіх цих випадках ту або іншу роль грає процес ультразвукового очищення, локальне нагрівання під дією В., прискорення процесів дифузії, зміна стану полімеру. В. дозволяє обробляти крихкі деталі (наприклад, стекло, кераміку), а також деталі складної конфігурації ( мал. 6 ). У цих процесах основну роль грають удари ультразвукового інструменту по частках абразивної суспензії.
Ст А. Красильников.
В. у біології — біологічна дія У. Прі дії В. на біологічні об'єкти в опромінюваних органах і тканинах на відстанях, рівних половині довжини хвилі, можуть виникати різниці тиску від одиниць до десятків атмосфер. Настільки інтенсивні дії приводять до всіляких біологічних ефектів, фізична природа яких визначається спільною дією механічних, теплових і физико-хімічних явищ, супутніх поширенню В. у середовищі. Біологічна дія В., тобто зміни, що викликаються в життєдіяльності і структурах біологічних об'єктів при дії на них В., визначається головним чином інтенсивністю В. і тривалістю опромінення і може робити як позитивний, так і негативний вплив на життєдіяльність організмів. Так, що виникають при порівняно невеликих інтенсивностях В. (до 1—2 вт/см 2 ) механічні коливання часток виробляють своєрідний мікро-масаж тканин, сприяючий кращому обміну речовин і кращому постачанню тканин кров'ю і лімфою. Підвищення інтенсивності В. може привести до виникнення в біологічних середовищах акустичної кавітації, що супроводиться механічним руйнуванням кліток і тканин (зародками кавітацій служать наявні в біологічних середовищах газові бульбашки).
При поглинанні В. у біологічних об'єктах відбувається перетворення акустичної енергії в теплову. Локальний нагрів тканин на долі і одиниці градусів, як правило, сприяє життєдіяльності біологічних об'єктів, підвищуючи інтенсивність процесів обміну речовин. Проте інтенсивніші і триваліші дії можуть привести до перегріву біологічних структур і їх руйнування (денатурація білків і ін.).
В основі біологічної дії В. можуть лежати також вторинні физико-хімічні ефекти. Так, при утворенні акустичних потоків може відбуватися перемішування внутріклітинних структур. Кавітація приводить до розриву молекулярних зв'язків в біополімерах і ін. життєво важливих з'єднаннях і до розвитку окислювально-відновних реакцій. В. підвищує проникність біологічних мембран, унаслідок чого відбувається прискорення процесів обміну речовин із-за дифузії. Всі перераховані чинники в реальних умовах діють на біологічні об'єкти в тому або іншому поєднанні спільно, і тому важко, а часом неможливо окремо досліджувати процеси, що мають різну фізичну природу.
Л. Р. Гаврілов.
В. у медицині. В. використовується для діагностики, терапевтичного і хірургічного лікування в різних областях клінічної медицини. Здатність В. без істотного поглинання проникати в м'які тканини організму і відбиватися від акустичних неоднородностей використовується для дослідження внутрішніх органів. Ультразвукові методи діагностики у ряді випадків дозволяють тонше розрізняти структуру тканин, чим рентгенівські. Так, з допомогою В. виявляються пухлини м'яких тканин, часто не помітні ін. способами. В. застосовують в акушерстві для діагностичного дослідження плоду ( мал. 7 ) і вагітної жінки, в нейрохірургії — для розпізнавання пухлин в головному мозку (ехоенцефалографія ) , в кардіології — для вивчення гемодинаміки, виявлення гіпертрофії м'яза серця. Мікромасаж тканин, активація процесів обміну і локальне нагрівання тканин під дією В. використовуються в медицині для терапевтичних цілей (див. Ультразвукова терапія ) .
Ультразвукова хірургія підрозділяється на два різновиди, одна з яких пов'язана з руйнуванням тканин власне звуковими коливаннями, а друга — з накладенням ультразвукових коливань на хірургічний інструмент. У першому випадку застосовується той, що фокусує В. з частотами порядку 10 6 — 10 7 гц, в другому — коливання на частотах 20—75 кгц з амплітудою 10—50 мкм. Ультразвукові інструменти застосовуються для розтину м'яких і кісткових тканин, дозволяючи при цьому істотно зменшувати зусилля різання, крововтрати і больові відчуття. У травматології і ортопедії В. використовують для зварки зламаних кісток: при цих операціях кістковою стружкою, змішаною з рідкою пластмасою, заповнюють простір між кістковими відламками; під дією В. утворюється їх з'єднання.
В. застосовується також в біологічній і медичній лабораторній практиці, зокрема — для диспергування біологічних структур, для відносно тонких дій на структуру кліток, при стерилізації інструментів і лікарських речовин, для виготовлення аерозолів, а також в бактеріології, імунології і т.д. для здобуття ферментів і антигенів з бактерій і вірусів вивчення морфологічних особливостей і антигенної активності бактерійних кліток і ін.
В. у природі. Цілий ряд тварин здатний сприймати і випромінювати частоти пружних хвиль значно вище 20 кгц. Так, птиці хворобливо реагують на ультразвукові частоти більше 25 кгц, що використовується, наприклад, для відлякування чайок від водоймищ з питною водою. Дрібні комахи при своєму польоті створюють ультразвукові хвилі. Кажани маючи зовсім слабкий зір, або зовсім не маючи його, орієнтуються у польоті і ловлять видобуток методом ультразвукової локації. Вони випромінюють своїм голосовим апаратом ультразвукові імпульси ( мал. 8 ) з частотою повторення декілька гц і частотою 50—60 кгц, що несе. Дельфіни випромінюють і сприймають В. до частот 170 кгц; метод ультразвукової локації у них розвинений, мабуть, ще досконало, ніж у кажана.
Вивченням В. і його вживанням займається велика кількість різних інститутів і лабораторій як в нашій країні, так і за кордоном. Такі лабораторії є в Акустичному інституті АН(Академія наук) СРСР, інституті радіотехніки і електроніки АН(Академія наук) СРСР, на фізичних факультетах МГУ(Московський державний університет імені М. Ст Ломоносова), БРЕШУ(Ленінградський державний університет імені А. А. Жданова) і ін. університетів СРСР, в Каліфорнійському, Станфордськом, Брауновськом і ін. університетах США, в лабораторіях фірми «Белл систем» в США, в інститутах і університетських лабораторіях Англії, Японії, Франції, ФРН(Федеральна Республіка Німеччини), Італії і ін. Основні роботи по В. друкуються в Акустичному журналі АН(Академія наук) СРСР, журналі Американського Акустичного суспільства, європейських журналах «Ultrasonics» і «Acustica», а також в багатьох інших фізичних і технічних журналах.
Історична довідка. Перші роботи по В. були зроблені ще в 19 ст Французький учений Ф. Савар (1830) намагався встановити верхню межу по частоті чутності вуха людини; вивченням В. займалися англійський учений Ф. Гальтон (1883), німецький фізик В. Він (1903), російський фізик П. Н. Лебедев і його учні (1905). Істотний вклад був зроблений французьким фізиком П. Ланжевеном (1916), який вперше використовував п'єзоелектричні властивості кварцу для випромінювання і прийому В. при виявленні підводних човнів і вимірах глибин морить. Г. В. Пірс в США (1925) створив прилад для виміру з великою точністю швидкості і поглинання В. у газах і рідинах (так званий інтерферометр Пірсу). Р. Вуд (США) (1927) добився рекордних для свого часу інтенсивностей В. у рідині, спостерігав ультразвуковий фонтан і досліджував вплив В. на живі організми. Радянський учений С. Я. Соколов в 1928 поклав початок ультразвукової дефектоскопії металевих виробів, запропонувавши використовувати В. для виявлення тріщин, раковин і ін. дефектів в твердих тілах.
В 1932 Р. Люка і П. Бікар у Франції, П. Дебай і Ф. В. Сирс в Германії виявили явище дифракції світла на ультразвукових хвилях, яке далі починає грати велику роль у вивченні структури рідких і твердих тіл, а також у ряді технічних застосувань. На початку 30-х рр. Х. О. Кнезером в Німеччині було відкрито аномальне поглинання і дисперсію В. у багатоатомних газах; далі це явище було також виявлене у ряді складних (наприклад, органічних) рідин. Правильне теоретичне пояснення цим релаксаційним явищам було дане в загальній формі радянськими ученими Л. І. Мандельштамом і М. А. Леонтовічем (1937). Релаксаційна теорія з'явилася згодом основою молекулярної акустики.
В 50—60-х рр. широкий розвиток отримують різні промислові технологічні вживання В., у розробку фізичних основ яких в СРСР був зроблений великий вклад Л. Д. Розенбергом і його співробітниками. Здобуття все великих інтенсивностей В. зумовило вивчення особливостей поширення потужних хвиль В. у газах, рідинах, твердих тілах; швидко розвивається нелінійна акустика, в становленні якої велику роль зіграли роботи радянських учених Н. Н. Андрєєва, Ст А. Красильникова, Р. В. Хохлова і ін., а також американських і англійських учених.
В 70-х рр., особливо після роботи Хадсона, Мак-Фі і Уайта (США) (1961), що виявили явище посилення і генерації В. у пьезополупроводниках, швидко розвивається акустоелектроніка.
Літ.: Бергман Л., Ультразвук, пер.(переведення) з йому.(німецький), М., 1956; Красильников Ст А., Звукові і ультразвукові хвилі в повітрі, воді і твердих тілах, 3 видавництва, М., 1960; Фізична акустика, під ред. В. Мезона, пер.(переведення) з англ.(англійський), т. 1—7, М., 1966—74; Фізика і техніка потужного ультразвука, під ред. Л. Д. Розенберга, т. 1—3, 1967—69; Міхайлов І. Р., Солов'їв Ст А., Сирників Ю. П., Основи молекулярної акустики, М., 1964; Вікторів І. А., Фізичні основи вживання ультразвукових хвиль Релея і Лемба в техніці, М., 1966; Методи неруйнівних випробувань, під ред. Р. Шарпа, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1972; Ультразвукове різання М., 1962; Ультразвукова технологія, під ред. Би. А. Аграната, М., 1974; Ельпінер І. Е. Біофізіка ультразвука, М., 1973; Байер Ст, Дернер Е., Ультразвук в біології і медицині, пер.(переведення) з йому.(німецький), Л., 1958; Interaction of ultrasound and biological tissues. Proceedings of а workshop..., ed. by J. M. Reid and M. R. Sikov, Wash., 1972.
