Ultradźwięk

Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Zobacz także: USG medyczne
Nie mylić z Supersonic. Inne zastosowania, patrz Ultradźwięki (ujednoznacznienie).

Obraz ultrasonograficzny płodu w macicy, oglądany w 12 tygodniu ciąży (skanowanie dwuwymiarowe)
Badanie ultradźwiękowe
USG płodu

Ultradźwięki to fale dźwiękowe o częstotliwościach wyższych niż górna granica słyszalności ludzkiego słuchu. Ultradźwięki nie różnią się od "normalnego" (słyszalnego) dźwięku w jego właściwościach fizycznych, z wyjątkiem tego, że ludzie go nie słyszą. Ta granica jest różna u poszczególnych osób i wynosi około 20 kiloherców (20 000 herców) u zdrowych młodych dorosłych. Urządzenia ultradźwiękowe działają z częstotliwościami od 20 kHz do kilku gigaherców.

Ultradźwięki stosuje się w wielu różnych dziedzinach. Urządzenia ultradźwiękowe służą do wykrywania obiektów i mierzenia odległości. Obrazowanie ultrasonograficzne lub ultrasonografia jest często stosowana w medycynie. W nieniszczących testach produktów i struktur ultradźwięki służą do wykrywania niewidocznych wad. W przemyśle stosuje się ultradźwięki do czyszczenia, mieszania i przyspieszania procesów chemicznych. Zwierzęta takie jak nietoperze i morświny wykorzystują ultradźwięki do lokalizowania ofiar i przeszkód.[1] Naukowcy badają również ultradźwięki przy użyciu przepon grafenowych jako metody komunikacji.[2]

Historia

Gwizdek Galtona, jedno z pierwszych urządzeń do produkcji ultradźwięków

Akustyka, nauka dźwięku, zaczyna się już w Pythagoras w VI wieku pne, pisząc o matematycznych właściwościach instrumentów strunowych. Echolokację u nietoperzy odkrył Lazzaro Spallanzani w 1794 r., Kiedy wykazał, że nietoperze polują i poruszają się niesłyszalnym dźwiękiem, a nie widzeniem. Francis Galton w 1893 r. Wynalazł gwizdek Galtona, regulowany gwizdek, który wytwarzał ultradźwięki, które mierzył zasięg słuchu ludzi i innych zwierząt, pokazując, że wiele zwierząt słyszało dźwięki ponad zasięgiem słuchu ludzi. Pierwszym technologicznym zastosowaniem ultradźwięków była próba wykrycia łodzi podwodnych przez Paula Langevina w 1917 roku. Efekt piezoelektryczny, odkryty przez Jacquesa i Pierre Curie w 1880 roku, był użyteczny w przetwornikach do generowania i wykrywania fal ultradźwiękowych w powietrzu i wodzie.[3]

Definicja

Przybliżone zakresy częstotliwości odpowiadające ultradźwiękom, z przybliżonym przewodnikiem niektórych zastosowań

Ultrasound jest definiowany przez American National Standards Institute jako "dźwięk przy częstotliwościach większych niż 20 kHz". W powietrzu przy ciśnieniu atmosferycznym fale ultradźwiękowe mają długość fali 1,9 cm lub mniej.

Postrzeganie

Ludzie

Górny limit częstotliwości u ludzi (około 20 kHz) wynika z ograniczeń ucha środkowego. Wrażenie słuchowe może wystąpić, jeśli ultradźwięk o wysokiej intensywności jest podawany bezpośrednio do ludzkiej czaszki i dociera do ślimaka przez przewodnictwo kostne, bez przechodzenia przez ucho środkowe.[4]

Dzieci mogą słyszeć wysokie dźwięki, których starsi dorośli nie słyszą, ponieważ u ludzi górna granica słuchu z wiekiem maleje.[5] Amerykańska firma telefonii komórkowej wykorzystała to do stworzenia sygnałów dzwonka, które podobno mogły być słyszane tylko przez młodszych ludzi;[6] ale wiele starszych osób może słyszeć sygnały, które mogą wynikać ze znacznego zróżnicowania związanego z wiekiem pogorszenia górnego progu słyszenia. Mosquito to elektroniczne urządzenie, które wykorzystuje wysoką częstotliwość, aby powstrzymać włóczęgostwo przez młodych ludzi.

Zwierząt

Nietoperze używają ultradźwięków do poruszania się w ciemnościach.
Gwizdek psa, gwizdek emitujący dźwięk w zakresie ultradźwiękowym, używany do szkolenia psów i innych zwierząt

Nietoperze używają różnych technik ultradźwiękowych (echolokacyjnych) do wykrywania swojej ofiary. Mogą wykrywać częstotliwości powyżej 100 kHz, prawdopodobnie do 200 kHz.[7]

Wiele owadów ma dobry słuch ultradźwiękowy, a większość z nich to nocne owady, które nasłuchują echolokacyjnych nietoperzy. Obejmuje to wiele grup ćmy, chrząszczy, modlących się mantoidów i szwarcwalców. Po usłyszeniu nietoperza niektóre owady wykonają manewry uchylające się przed ucieczką.[8] Częstotliwości ultradźwiękowe wywołują odruchy w ćmy nocnej, które powodują lekkie opadnięcie w locie, aby uniknąć ataku.[9]Ćmy tiger również emitują kliknięcia, które mogą zakłócać echolokację nietoperzy,[10][11] ale może również w innych przypadkach unikać jedzenia, reklamując fakt, że są trujące, emitując dźwięk.[12][13]

Zakres słyszalności psów i kotów rozciąga się na ultradźwięki; górny kraniec zakresu słuchu psa wynosi około 45 kHz, a kotów 64 kHz.[14][15] Dzicy przodkowie kotów i psów wyewoluowali ten wyższy zakres słyszalności, aby usłyszeć dźwięki o wysokiej częstotliwości wytwarzane przez ich preferowaną zdobycz, małe gryzonie.[14] Gwizdek psa to gwizdek emitujący ultradźwięki, używany do treningu i dzwonienia do psów. Częstotliwość większości gwizdków psów mieści się w zakresie od 23 do 54 kHz,[16]

Ząbkowane wieloryby, w tym delfiny, mogą słyszeć ultradźwięki i używać takich dźwięków w ich systemie nawigacyjnym (biosonar), aby orientować i chwytać zdobycz.[17]Morświn ma najwyższy znany górny limit słyszalności przy około 160 kHz.[18] Kilka rodzajów ryb może wykrywać ultradźwięki. W kolejności Clupeiformes, członkowie podrodziny Alosinae (shad), byli w stanie wykryć dźwięki do 180 kHz, podczas gdy inne podrodziny (na przykład śledzie) mogą słyszeć tylko do 4 kHz.[19]

Generatory ultradźwiękowe / głośniki są sprzedawane jako elektroniczne urządzenia do zwalczania szkodników, które mają zastraszyć gryzonie i owady, ale nie ma naukowych dowodów na to, że urządzenia działają.[20][21][22]

Wykrywanie i zakres

Bezdotykowy czujnik

Ultradźwiękowy poziom lub system wykrywania nie wymaga kontaktu z celem. W przypadku wielu procesów w przemyśle medycznym, farmaceutycznym, wojskowym i ogólnym jest to zaleta w stosunku do czujników wbudowanych, które mogą zanieczyszczać ciecze wewnątrz naczynia lub rurki lub mogą być zatkane przez produkt.

Wykorzystywane są zarówno ciągłe fale, jak i systemy impulsowe. Podstawą technologii pulsacyjno-ultradźwiękowej jest to, że sygnał nadawczy składa się z krótkich impulsów energii ultradźwiękowej. Po każdym impulsie elektronika szuka sygnału powrotnego w małym okienku czasu odpowiadającym czasowi, w którym energia przepływa przez naczynie. Tylko sygnał odebrany w tym oknie kwalifikuje się do dodatkowego przetwarzania sygnału.

Popularną aplikacją do zastosowań ultradźwiękowych była kamera Polaroid SX-70, która zawierała lekki system przetwornika, który automatycznie ustawiał ostrość kamery. Polaroid później licencjonował tę technologię ultradźwięków i stał się podstawą wielu produktów ultradźwiękowych.

Czujniki ruchu i pomiar przepływu

Powszechnym zastosowaniem ultradźwięków jest automatyczny mechanizm otwierania drzwi, w którym czujnik ultradźwiękowy wykrywa podejście osoby i otwiera drzwi. Czujniki ultradźwiękowe są również używane do wykrywania intruzów; ultradźwięki mogą pokrywać szeroki obszar z jednego punktu. Przepływ w rurach lub otwartych kanałach można mierzyć za pomocą ultradźwiękowych przepływomierzy, które mierzą średnią prędkość płynącej cieczy. W reologii reometr akustyczny opiera się na zasadzie ultradźwięków. W mechanice płynów przepływ płynu można zmierzyć za pomocą przepływomierza ultradźwiękowego.

Badania nieniszczące

Zobacz także: Testy makrosoniczne i ultradźwiękowe
Zasada wykrywania wad za pomocą ultradźwięków. Pustka w materiale stałym oddaje część energii z powrotem do przetwornika, który jest wykrywany i wyświetlany.

Badanie ultradźwiękowe jest rodzajem badań nieniszczących, powszechnie stosowanych do wykrywania wad materiałów i pomiaru grubości obiektów. Częstotliwości od 2 do 10 MHz są powszechne, ale do celów specjalnych stosowane są inne częstotliwości. Inspekcja może być ręczna lub zautomatyzowana i stanowi niezbędny element nowoczesnych procesów produkcyjnych. Większość metali może być sprawdzona, podobnie jak kompozyty z tworzyw sztucznych i materiałów lotniczych. Ultradźwięki o niższej częstotliwości (50-500 kHz) można również wykorzystać do badania mniej gęstych materiałów, takich jak drewno, beton i cement.

Kontrola ultradźwiękowa połączeń spawanych była alternatywą dla radiografii do badań nieniszczących od lat 60. XX wieku. Kontrola ultradźwiękowa eliminuje użycie promieniowania jonizującego, z korzyścią dla bezpieczeństwa i kosztów. Ultradźwięki mogą również dostarczyć dodatkowych informacji, takich jak głębokość wad w zespawanym złączu. Kontrola ultradźwiękowa przeszła od metod ręcznych do systemów komputerowych, które automatyzują większość procesu. Ultradźwiękowy test złącza może zidentyfikować istnienie wad, zmierzyć ich wielkość i określić ich lokalizację. Nie wszystkie materiały spawane są jednakowo podatne na inspekcję ultradźwiękową; niektóre materiały mają duży rozmiar ziarna, który powoduje wysoki poziom szumu tła w pomiarach.[23]

Badania nieniszczące wałka obrotowego pokazujące pękanie splajnu

Ultradźwiękowy pomiar grubości to jedna technika stosowana do monitorowania jakości spoin.

Wyszukiwanie zakresu ultradźwiękowego

Zasada aktywnego sonaru
Główny artykuł: Sonar

Częstym zastosowaniem ultradźwięków jest wykrywanie podwodnego zasięgu; to użycie jest również nazywane Sonarem. Impuls ultradźwiękowy jest generowany w określonym kierunku. Jeśli na drodze tego impulsu znajduje się obiekt, część lub całość impulsu zostanie odbita z powrotem do nadajnika jako echo i może zostać wykryta przez ścieżkę odbiornika. Mierząc różnicę czasu między transmitowanym impulsem i odbieranym echem, możliwe jest określenie odległości.

Zmierzony czas przesuwania impulsów sonaru w wodzie jest silnie uzależniony od temperatury i zasolenia wody. Zakres ultradźwiękowy jest również stosowany do pomiaru w powietrzu i na krótkich dystansach. Na przykład ręczne ultradźwiękowe narzędzia pomiarowe mogą szybko zmierzyć układ pomieszczeń.

Chociaż podwodne rozpoznawanie zakresu odbywa się zarówno na słyszalnych, jak i słyszalnych częstotliwościach na dużych odległościach (od 1 do kilku kilometrów), wykrywanie zakresu ultradźwiękowego jest stosowane, gdy odległości są krótsze, a dokładność pomiaru odległości jest lepsza. Pomiary ultradźwiękowe mogą być ograniczone przez warstwy barierowe o dużym zasoleniu, temperaturze lub dyferencjałach wirowych. Zasięg w wodzie waha się od setek do tysięcy metrów, ale można go wykonywać z dokładnością do centymetrów

Identyfikacja ultrasonograficzna (USID)

Ultradźwiękowa identyfikacja (USID) to technologia lokalizacji w czasie rzeczywistym (RTLS) lub systemu wewnętrznego pozycjonowania (IPS) używana do automatycznego śledzenia i identyfikowania położenia obiektów w czasie rzeczywistym za pomocą prostych, niedrogich węzłów (znaczków / znaczników) dołączonych do lub osadzonych w obiekty i urządzenia, które następnie przesyłają sygnał ultradźwiękowy w celu przekazania swojej lokalizacji czujnikom mikrofonów.

Obrazowanie

Główny artykuł: Ultrasonografia medyczna
USG płodu po 14 tygodniach (profil)
Głowa płodu, w wieku 29 tygodni, w "USG 3D"

Potencjał do ultradźwiękowego obrazowania obiektów, o rozdzielczości fali dźwiękowej 3 GHz, porównywalnej z obrazem optycznym, został rozpoznany przez Sokolova w 1939 roku, ale techniki tamtych czasów wytworzyły obrazy o stosunkowo niskim kontraście i słabej czułości.[24] Obrazowanie ultradźwiękowe wykorzystuje częstotliwości 2 megaherców i więcej; krótsza długość fali pozwala na uzyskanie małych wewnętrznych szczegółów w strukturach i tkankach. Gęstość mocy jest zwykle mniejsza niż 1 wat na centymetr kwadratowy, aby uniknąć nagrzewania i efektów kawitacji w badanym obiekcie.[25] Wysokie i ultra wysokie fale ultradźwiękowe są stosowane w mikroskopii akustycznej o częstotliwościach do 4 gigaherców. Aplikacje do obrazowania ultradźwiękowego obejmują przemysłowe badania nieniszczące, kontrolę jakości i zastosowania medyczne.[24]

Mikroskopia akustyczna

Mikroskopia akustyczna to technika wykorzystywania fal dźwiękowych do wizualizacji struktur zbyt małych, aby mogły zostać rozdzielone przez ludzkie oko. Częstotliwości do kilku gigaherców są stosowane w mikroskopach akustycznych. Odbicie i dyfrakcja fal dźwiękowych od mikroskopijnych struktur może dostarczyć informacji niedostępnych dla światła.

Medycyna ludzka

Zobacz także: Ultrasonografia medyczna

Sonografia medyczna (ultrasonografia) to ultrasonograficzna technika diagnostyki medycznej służąca do wizualizacji mięśni, ścięgien i wielu narządów wewnętrznych w celu uchwycenia ich wielkości, struktury i wszelkich patologicznych zmian za pomocą obrazów tomograficznych w czasie rzeczywistym. Ultrasonografia została wykorzystana przez radiologów i sonografów do obrazowania ludzkiego ciała przez co najmniej 50 lat i stała się szeroko stosowanym narzędziem diagnostycznym. Technologia ta jest stosunkowo niedroga i przenośna, zwłaszcza w porównaniu z innymi technikami, takimi jak obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) i tomografia komputerowa (CT). Ultradźwięki służą również do wizualizacji płodów podczas rutynowej i prewencyjnej opieki w trybie prenatalnym. Takie aplikacje diagnostyczne stosowane podczas ciąży określane są jako ultrasonografia położnicza. Jak obecnie stosuje się w medycynie, prawidłowo wykonane ultradźwięki nie stanowią żadnego ryzyka dla pacjenta.[26] Sonografia nie wykorzystuje promieniowania jonizującego, a poziomy mocy stosowane do obrazowania są zbyt niskie, aby spowodować niekorzystne efekty ogrzewania lub ciśnienia w tkance.Chociaż długoterminowe skutki wynikające z ekspozycji na ultradźwięki przy intensywności diagnostycznej wciąż nie są znane,[27] obecnie większość lekarzy uważa, że ​​korzyści dla pacjentów przewyższają ryzyko.[28] Zasada ALARA (As Low As Reasably Achievable) jest zalecana do badania ultrasonograficznego - to jest utrzymywania czasu skanowania i ustawień mocy na jak najniższym poziomie, ale zgodnym z obrazowaniem diagnostycznym - i to przez tę zasadę niemedyczne zastosowania, które przez definicja nie jest konieczna, są aktywnie odradzane.[29]

Ultradźwięki są coraz częściej stosowane w przypadkach urazów i pierwszej pomocy, a ultradźwięki ratunkowe stają się podstawą większości zespołów reagujących na EMT. Ponadto ultradźwięki są stosowane w przypadkach zdalnej diagnostyki, w których wymagana jest telekonsultacja, na przykład eksperymenty naukowe w diagnostyce zespołu kosmicznego lub mobilnego zespołu sportowego.[30]

Według RadiologyInfo,[31] ultradźwięki są przydatne w wykrywaniu nieprawidłowości w obrębie miednicy i mogą obejmować techniki znane jako ultrasonografia brzuszna (przezbrzuszna), ultrasonografia pochwowa (przezpochwowa lub endowaginalna) u kobiet, a także ultrasonografia odbytnicza (transrektalna) u mężczyzn.

Medycyna weterynaryjna

Zobacz także: Obrazowanie przedkliniczne

USG diagnostyczne stosuje się zewnętrznie u koni w celu oceny uszkodzeń tkanek miękkich i ścięgien, a w szczególności w pracy reprodukcyjnej - oceny układu rozrodczego klaczy i wykrywania ciąży.[32] Może być również stosowany w ogierach zewnętrznych do oceny stanu i średnicy jąder, a także wewnętrznie do oceny reprodukcyjnej (przewód deferentyczny itp.).[33]

Począwszy od przełomu wieków technologia ultradźwiękowa zaczęła być wykorzystywana przez przemysł wołowiny dla poprawy zdrowia zwierząt i wydajności hodowli bydła.[34] Ultradźwięki służą do oceny grubości tłuszczu, okolicy żeber i tłuszczu śródmięśniowego u żywych zwierząt.[35] Jest również stosowany do oceny zdrowia i cech nienarodzonych cieląt.

Technologia ultradźwiękowa umożliwia hodowcom bydła uzyskanie informacji, które można wykorzystać do poprawy hodowli i hodowli bydła. Technologia ta może być kosztowna i wymaga dużego zaangażowania czasowego w celu ciągłego gromadzenia danych i szkolenia operatorów.[35] Niemniej jednak technologia ta okazała się przydatna w zarządzaniu i prowadzeniu hodowli bydła.[34]

Przetwarzanie i moc

Aplikacje ultradźwiękowe o wysokiej mocy często wykorzystują częstotliwości od 20 kHz do kilkuset kHz. Intensywności mogą być bardzo wysokie; powyżej 10 watów na centymetr kwadratowy, kawitacja może być wprowadzana w ciekłych mediach, a niektóre aplikacje zużywają do 1000 watów na centymetr kwadratowy. Takie wysokie intensywności mogą indukować zmiany chemiczne lub wywoływać znaczące efekty poprzez bezpośrednie działanie mechaniczne i mogą dezaktywować szkodliwe mikroorganizmy.[25]

Fizykoterapia

Główny artykuł: USG terapeutyczne

Ultradźwięki są używane od 1940 roku przez terapeutów fizycznych i zawodowych do leczenia tkanki łącznej: więzadeł, ścięgien i powięzi (a także tkanki bliznowatej).[36] Stany, w których ultradźwięki mogą być stosowane do leczenia, obejmują następujące przykłady: zwichnięcia więzadła, napięcia mięśniowe, zapalenie ścięgien, zapalenie stawów, zapalenie powięzi podeszwy, bóle śródstarczowe, podrażnienie faceta, zespół uderzenia, zapalenie kaletki, reumatoidalne zapalenie stawów, zapalenie kości i stawów i adhezja tkanki bliznowatej.

Zastosowania biomedyczne

Ultradźwięki mają również zastosowania terapeutyczne, które mogą być bardzo korzystne, gdy są stosowane ze środkami ostrożności[37] Względnie wysoka moc ultradźwięków może rozbić kamienne osady lub tkanki, przyspieszyć działanie leków w docelowym obszarze, pomóc w pomiarze elastycznych właściwości tkanki i może być wykorzystana do sortowania komórek lub małych cząstek do badań.

Ultradźwiękowe leczenie udarowe

Ultradźwiękowy zabieg udarowy (UIT) wykorzystuje ultradźwięki do polepszenia mechanicznych i fizycznych właściwości metali. Jest to technika obróbki metalurgicznej, w której energia ultradźwiękowa jest przykładana do przedmiotu metalowego. Obróbka ultradźwiękowa może doprowadzić do kontrolowanego resztkowego naprężenia ściskającego, rozdrobnienia ziarna i zmniejszenia wielkości ziarna. Niskie i wysokie zmęczenie cyklu są wzmocnione i udokumentowano, że zapewniają wzrost do dziesięciu razy większy niż w przypadku próbek innych niż UIT. Ponadto UIT okazał się skuteczny w rozwiązywaniu problemów związanych z pękaniem, korozją naprężeniową, zmęczeniem korozyjnym i pokrewnymi zagadnieniami.

Kiedy narzędzie UIT, składające się z przetwornika ultradźwiękowego, szpilek i innych elementów, wchodzi w kontakt z przedmiotem, który akustycznie łączy się z elementem obrabianym, tworząc rezonans harmoniczny.[38] Ten rezonans harmoniczny jest wykonywany ze starannie wykalibrowaną częstotliwością, na którą metale reagują bardzo przychylnie.

W zależności od pożądanych efektów leczenia stosuje się kombinację różnych częstotliwości i amplitudy przemieszczenia. Te częstotliwości mieszczą się w zakresie od 25 do 55 kHz,[39] z amplitudą przemieszczenia korpusu rezonansowego między 22 a 50 μm (0,00087 i 0,0020 cala).

Urządzenia UIT polegają na przetwornikach magnetostrykcyjnych.

Przetwarzanie

Główny artykuł: Sonikacja

Ultradźwięki oferuje wielki potencjał w przetwarzaniu cieczy i szlamów, poprawiając mieszanie i reakcje chemiczne w różnych zastosowaniach i branżach. Ultradźwięki generuje przemienne fale niskiego i wysokiego ciśnienia w cieczach, co prowadzi do powstawania i gwałtownego zapadania się małych pęcherzyków próżniowych. Zjawisko to nazywane jest kawitacją i powoduje szybkie uderzenia ciekłych dysz i silne hydrodynamiczne siły ścinające. Efekty te są wykorzystywane do deagglomeracji i mielenia materiałów mikrometrycznych i nanometrowych, jak również do rozpadu komórek lub mieszania reagentów. W tym aspekcie ultradźwięki są alternatywą dla szybkoobrotowych mikserów i mieszadeł perełkowych. Folie ultradźwiękowe pod ruchomym drutem w maszynie papierniczej wykorzystują fale uderzeniowe z implozyjnych bąbelków, aby równomierniej rozprowadzać włókna celulozowe w wytwarzanej wstędze papieru, co spowoduje wytworzenie mocniejszego papieru o bardziej równomiernych powierzchniach. Ponadto, reakcje chemiczne korzystają z wolnych rodników wytworzonych przez kawitację, jak również z wkładu energii i przenoszenia materiału przez warstwy graniczne. W wielu procesach ten efekt sonochemiczny (patrz sonochemia) prowadzi do znacznego skrócenia czasu reakcji, podobnie jak w transestryfikacji oleju do biodiesla.

Schematy ultradźwiękowych procesorów ciekłych w skali laboratoryjnej i na skalę przemysłową

Znaczne natężenie ultradźwięków i wysokie amplitudy drgań ultradźwiękowych są wymagane w wielu zastosowaniach związanych z przetwarzaniem, takich jak nanokrystalizacja, nanoemulsyfikacja,[40] deaglomeracja, ekstrakcja, rozerwanie komórek, a także wiele innych. Zazwyczaj proces jest najpierw testowany na skalę laboratoryjną, aby udowodnić wykonalność i ustalić niektóre z wymaganych parametrów ekspozycji ultradźwiękowej. Po zakończeniu tej fazy proces przenosi się na skalę pilotażową (bench) w celu optymalizacji przedprodukcyjnej przepływu, a następnie na skalę przemysłową do ciągłej produkcji. Podczas tych etapów zwiększania skali ważne jest, aby upewnić się, że wszystkie lokalne warunki ekspozycji (amplituda ultradźwięków, intensywność kawitacji, czas spędzony w aktywnej strefie kawitacji itp.) Pozostają takie same. Jeśli ten warunek zostanie spełniony, jakość produktu końcowego pozostaje na zoptymalizowanym poziomie, podczas gdy wydajność zwiększa się dzięki przewidywalnemu współczynnikowi skali. Wzrost produktywności wynika z faktu, że układy ultradźwiękowe procesorów laboratoryjnych, stołowych i przemysłowych zawierają stopniowo coraz większe klocki ultradźwiękowe, zdolne do generowania coraz większych stref kawitacji o wysokiej intensywności, a zatem do przetwarzania większej ilości materiału w jednostce czasu. Nazywa się to "bezpośrednią skalowalnością". Ważne jest, aby podkreślić, że zwiększa się moc samego procesora ultradźwiękowego nie skutkuje to bezpośrednią skalowalnością, ponieważ może być (i często towarzyszy jej redukcja amplitudy ultradźwiękowej i intensywności kawitacji). Podczas bezpośredniego zwiększania skali wszystkie warunki przetwarzania muszą być zachowane, podczas gdy moc znamionowa urządzenia jest zwiększona, aby umożliwić działanie większego klaksonu ultradźwiękowego.[41][42][43]

Ultradźwiękowa manipulacja i charakterystyka cząstek

Naukowiec z Instytutu Badań Materiałów Przemysłowych, Alessandro Malutta, opracował eksperyment, który wykazał działanie pułapkowania ultradźwiękowych fal stojących na włókna celulozowe drewna rozcieńczone w wodzie i ich równoległe ukierunkowanie na równoleżnikowe płaszczyzny nacisku.[44] Czas orientowania włókien w równoodległych płaszczyznach jest mierzony za pomocą lasera i czujnika elektro-optycznego. Może to zapewnić przemysłowi papierniczemu szybki system pomiaru wielkości włókien on-line. Nieco odmienną implementację zademonstrowano na Uniwersytecie Stanowym Pensylwanii za pomocą mikroczipa, który wygenerował parę prostopadłych powierzchniowych fal akustycznych, umożliwiając umieszczenie na siatce równych odległości między sobą. Ten eksperyment, nazywany pincetą akustyczną, może być stosowany do zastosowań w naukach materiałowych, biologii, fizyce, chemii i nanotechnologii.

Czyszczenie ultradźwiękowe

Główny artykuł: Czyszczenie ultradźwiękowe

Środki ultradźwiękowe, czasami błędnie nazywane naddźwiękowe środki czyszczące, są używane na częstotliwościach od 20 do 40 kHz dla biżuterii, soczewek i innych części optycznych, zegarków, instrumentów dentystycznych, narzędzi chirurgicznych, regulatorów nurkowania i części przemysłowych. Myjka ultradźwiękowa działa głównie dzięki energii uwolnionej z zapaści milionów mikroskopijnych kawitacji w pobliżu brudnej powierzchni. Bąbelki powstałe w wyniku zapadnięcia kawitacji tworzą małe strumienie skierowane na powierzchnię.

Dezintegracja ultradźwiękowa

Podobnie jak w przypadku czyszczenia ultradźwiękowego, komórki biologiczne, w tym bakterie, mogą ulec rozpadowi. USG o dużej mocy wytwarza kawitację, która ułatwia dezintegrację cząstek lub reakcje. Ma to zastosowanie w naukach biologicznych do celów analitycznych lub chemicznych (sonikacja i sonoporacja) oraz w zabijaniu bakterii w ściekach. Ultradźwięki o dużej mocy mogą rozpraszać zawiesinę kukurydzy i zwiększać upłynnianie i scukrzanie w celu zwiększenia wydajności etanolu w suchych instalacjach do mielenia kukurydzy.[45][46]

Nawilżacz ultradźwiękowy