УЛЬТРАЗВУ́К

УЛЬТРАЗВУ́К, аку­сти­че­ские вол­ны с час­то­та­ми от 2·10⁴ Гц до 10⁹ Гц. Вы­де­ля­ют У. низ­ких (2·10⁴–10⁵ Гц), сред­них (10⁵– 10⁷ Гц) и вы­со­ких (10⁷–10⁹ Гц) час­тот. Ка­ж­дый из этих диа­па­зо­нов ха­рак­те­ри­зу­ет­ся спе­ци­фич. осо­бен­но­стя­ми ге­не­ра­ции, приё­ма, рас­про­стра­не­ния и при­ме­не­ния.

Свойства и особенности распространения

По фи­зич. при­ро­де У. пред­став­ля­ет со­бой уп­ру­гие вол­ны, и в этом он не от­ли­ча­ет­ся от зву­ка, по­это­му час­тот­ная гра­ни­ца ме­ж­ду зву­ко­вы­ми и УЗ-вол­на­ми ус­лов­на. Од­на­ко бла­го­да­ря бо­лее вы­со­ким час­то­там и, сле­до­ва­тель­но, ма­лым дли­нам волн (так, дли­ны волн У. вы­со­ких час­тот в воз­ду­хе со­став­ля­ют 3,4·10^–3–3,4·10^–7 м, в во­де 1,5·10^–4– 1,5·10^–6 м, в ста­ли 5·10^–4–5·10^–6 м) име­ет ме­сто ряд осо­бен­но­стей рас­про­стра­не­ния ульт­ра­зву­ка.

Вви­ду ма­лой дли­ны вол­ны У. ха­рак­тер его рас­про­стра­не­ния оп­ре­де­ля­ет­ся в пер­вую оче­редь мо­ле­ку­ляр­ной струк­ту­рой сре­ды, по­это­му, из­ме­ряя ско­рость и ко­эф. за­ту­ха­ния У., мож­но су­дить о мо­ле­ку­ляр­ных свой­ст­вах ве­ще­ст­ва (см. Мо­ле­ку­ляр­ная аку­сти­ка). Ха­рак­тер­ная осо­бен­ность рас­про­стра­не­ния У. в мно­го­атом­ных га­зах и во мно­гих жид­ко­стях – су­ще­ст­во­ва­ние об­лас­тей дис­пер­сии зву­ка, со­про­во­ж­даю­щей­ся силь­ным воз­рас­та­ни­ем его по­гло­ще­ния. У. в га­зах, и в ча­ст­но­сти в воз­ду­хе, рас­про­стра­ня­ет­ся с боль­шим за­ту­ха­ни­ем. Жид­ко­сти и твёр­дые те­ла (осо­бен­но мо­но­кри­стал­лы) пред­став­ля­ют со­бой, как пра­ви­ло, хо­ро­шие про­вод­ни­ки У., за­ту­ха­ние в них зна­чи­тель­но мень­ше. По­это­му об­лас­ти ис­поль­зо­ва­ния У. сред­них и вы­со­ких час­тот от­но­сят­ся поч­ти ис­клю­чи­тель­но к жид­ко­стям и твёр­дым те­лам, а в воз­ду­хе и га­зах при­ме­ня­ют толь­ко У. низ­ких час­тот.

Др. осо­бен­ность У. – воз­мож­ность по­лу­че­ния боль­шой ин­тен­сив­но­сти да­же при срав­ни­тель­но не­боль­ших ам­пли­ту­дах ко­ле­ба­ний, т. к. при дан­ной ам­пли­ту­де плот­ность по­то­ка энер­гии про­пор­цио­наль­на квад­ра­ту час­то­ты. УЗ-вол­ны боль­шой ин­тен­сив­но­сти со­про­во­ж­да­ют­ся ря­дом не­ли­ней­ных эф­фек­тов. Так, для ин­тен­сив­ных пло­ских УЗ-волн при ма­лом по­гло­ще­нии сре­ды си­ну­сои­даль­ная у из­лу­ча­те­ля вол­на пре­вра­ща­ет­ся по ме­ре рас­про­стра­не­ния в сла­бую пе­рио­дич. удар­ную вол­ну; по­гло­ще­ние та­ких волн ока­зы­ва­ет­ся зна­чи­тель­но боль­ше, чем волн ма­лой ам­пли­ту­ды. Рас­про­стра­не­нию УЗ-волн в га­зах и жид­ко­стях со­пут­ст­ву­ет дви­же­ние сре­ды (аку­сти­че­ское те­че­ние). К чис­лу важ­ных не­ли­ней­ных яв­ле­ний, воз­ни­каю­щих при рас­про­стра­не­нии ин­тен­сив­но­го У. в жид­ко­стях, от­но­сит­ся ка­ви­та­ция аку­сти­че­ская.

Генерация и приём

Для из­лу­че­ния У. ис­поль­зу­ют ме­ха­нич. и элек­тро­ме­ха­нич. уст­рой­ст­ва. Ме­ха­нич. из­лу­ча­те­ли У. (возд. и жид­ко­ст­ные сви­ст­ки и си­ре­ны) от­ли­ча­ют­ся про­сто­той уст­рой­ст­ва и экс­плуа­та­ции, не тре­бу­ют элек­трич. энер­гии вы­со­кой час­то­ты. Они при­ме­ня­ют­ся гл. обр. в пром. УЗ-тех­но­ло­гии и как сред­ст­ва сиг­на­ли­за­ции.

Элек­тро­ме­ха­нич. из­лу­ча­те­ли У. пре­об­ра­зу­ют элек­трич. ко­ле­ба­ния в ме­ха­ни­че­ские. В диа­па­зо­не У. низ­ких час­тот воз­мож­но ис­поль­зо­ва­ние элек­тро­ди­на­мич. и элек­тро­ста­тич. из­лу­ча­те­лей. В этом диа­па­зо­не час­тот ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся маг­ни­то­ст­рик­ци­он­ные пре­об­ра­зо­ва­те­ли. Для из­лу­че­ния У. сред­них и вы­со­ких час­тот слу­жат гл. обр. пье­зо­элек­три­че­ские пре­об­ра­зо­ва­те­ли. Для уве­ли­че­ния ам­пли­ту­ды ко­ле­ба­ний и из­лу­чае­мой в сре­ду мощ­но­сти, как пра­ви­ло, при­ме­ня­ют­ся ре­зо­нанс­ные ко­ле­ба­ния маг­ни­то­ст­рик­ци­он­ных и пье­зо­элек­трич. эле­мен­тов на их собств. час­то­те. Для уве­ли­че­ния ам­пли­ту­ды ко­ле­ба­ний твёр­дых тел в диа­па­зо­не У. низ­ких час­тот ис­поль­зу­ют стерж­не­вые УЗ-кон­цен­тра­то­ры (см. Кон­цен­тра­тор аку­сти­че­ский).

Маг­ни­то­ст­рик­ци­он­ные и пье­зо­элек­трич. пре­об­ра­зо­ва­те­ли при­ме­ня­ют­ся и для приё­ма У. Для изу­че­ния УЗ-по­ля ис­поль­зу­ют­ся оп­тич. ме­то­ды (см. Аку­с­то­оп­ти­ка, Ви­зуа­ли­за­ция зву­ко­во­го по­ля, Ди­фрак­ция све­та на ульт­ра­зву­ке).

Применение

УЗ-ме­то­ды ис­поль­зу­ют­ся в фи­зи­ке твёр­до­го те­ла, в ча­ст­но­сти в фи­зи­ке по­лу­про­вод­ни­ков. У. иг­ра­ет боль­шую роль в изу­че­нии струк­ту­ры ве­ще­ст­ва. На­ря­ду с ме­то­да­ми мо­ле­ку­ляр­ной аку­сти­ки для жид­ко­стей и га­зов, из­ме­ре­ние ско­ро­сти и ко­эф. по­гло­ще­ния У. ис­поль­зу­ет­ся для оп­ре­де­ле­ния мо­ду­лей уп­ру­го­сти и дис­си­па­тив­ных ха­рак­те­ри­стик твёр­дых тел.

У. ши­ро­ко при­ме­ня­ет­ся в тех­ни­ке. По дан­ным из­ме­ре­ний ско­ро­сти и ко­эф. по­гло­ще­ния У. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся кон­троль за про­те­ка­ни­ем тех­но­ло­гич. про­цес­сов. У. срав­ни­тель­но ма­лой ин­тен­сив­но­сти при­ме­ня­ет­ся для не­раз­ру­шаю­ще­го кон­тро­ля из­де­лий из твёр­дых ма­те­риа­лов. При по­мо­щи У. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся зву­ко­ви­де­ние. Для по­лу­че­ния уве­ли­чен­ных изо­бра­же­ний пред­ме­та с по­мо­щью У. вы­со­кой час­то­ты соз­дан аку­стич. мик­ро­скоп (см. Мик­ро­ско­пия аку­сти­че­ская). Важ­ную роль У. иг­ра­ет в гид­ро­аку­сти­ке. На прин­ци­пе от­ра­же­ния УЗ-им­пуль­сов от пре­пят­ст­вий, воз­ни­каю­щих на пу­ти их рас­про­стра­не­ния, ос­но­ва­на ра­бо­та эхо­ло­та, гид­ро­ло­ка­то­ра и др.

У. боль­шой ин­тен­сив­но­сти (гл. обр. диа­па­зон низ­ких час­тот) ока­зы­ва­ет воз­дей­ст­вие на про­те­ка­ние тех­но­ло­гич. про­цес­сов. Так, при по­мо­щи мощ­но­го У. ус­ко­ря­ет­ся ряд про­цес­сов те­п­ло- и мас­со­об­ме­на в ме­тал­лур­гии. Воз­дей­ст­вие УЗ-ко­ле­ба­ний не­по­сред­ст­вен­но на рас­пла­вы по­зво­ля­ет по­лу­чить бо­лее мел­ко­кри­стал­лич. и од­но­род­ную струк­ту­ру ме­тал­ла. УЗ-ка­ви­та­ция ис­поль­зу­ет­ся для очи­ст­ки от за­гряз­не­ний мел­ких и круп­ных про­из­водств. де­та­лей.

При дей­ст­вии У. на био­ло­гич. объ­ек­ты про­ис­хо­дит по­гло­ще­ние и пре­об­ра­зо­ва­ние аку­стич. энер­гии в те­п­ло­вую. Ло­каль­ный на­грев тка­ней на до­ли и еди­ни­цы гра­ду­сов, как пра­ви­ло, спо­соб­ст­ву­ет жиз­не­дея­тель­но­сти био­ло­гич. объ­ек­тов, по­вы­шая ин­тен­сив­ность про­цес­сов об­ме­на ве­ществ. В ме­ди­ци­не У. ис­поль­зу­ет­ся для ди­аг­но­сти­ки, те­ра­пев­тич. и хи­рур­гич. ле­че­ния (см. Ульт­ра­зву­ко­вая диа­гно­сти­ка, Ульт­ра­зву­ко­вая те­ра­пия). О при­ме­не­нии У. в хи­мии см. в ст. Со­но­хи­мия.

У. спо­соб­ны вос­при­ни­мать и ге­не­ри­ро­вать не­ко­то­рые ви­ды жи­вот­ных (ле­ту­чие мы­ши, дель­фи­ны, не­ко­то­рые ви­ды птиц и на­се­ко­мых и др.).