초음파는 인류에게 어떤 공헌을 합니까?

2008-04-02 16:49 초음파

우리는 물체가 진동하면 소리가 난다는 것을 알고 있습니다. 과학자들은 초당 진동수를 소리의 주파수라고 부르며 단위는 헤르츠입니다. 인간이 들을 수 있는 음파의 주파수는 16~20,000Hz이다. 따라서 물체의 진동이 특정 주파수를 초과할 때, 즉 인간이 들을 수 있는 한계치보다 높을 때, 사람들은 이러한 음파를 "초음파"라고 합니다. 의료 진단에 일반적으로 사용되는 초음파의 주파수는 1~5MHz이다.

인간은 초음파를 들을 수 없지만 많은 동물이 초음파를 들을 수 있습니다. 그들은 초음파를 사용하여 "탐색"하거나, 음식을 사냥하거나, 위험한 물체를 피할 수 있습니다. 여름밤 마당에서 많은 박쥐가 이리저리 날아다니는 것을 본 적이 있을 것입니다. 박쥐는 왜 빛 없이도 길을 잃지 않고 날아다니는 걸까요? 그 이유는 박쥐가 20,000~100,000Hz의 초음파를 방출할 수 있기 때문인데, 이는 마치 활동적인 '레이더 스테이션'과 같다. 박쥐는 이 "레이더"를 사용하여 비행 전에 곤충이나 장애물이 있는지 확인합니다.

우리 인간은 1차 세계대전 전까지 초음파 사용법을 배우지 못했다. 이는 '소나'의 원리를 이용해 잠수함의 위치 등 물 속에서 표적과 그 상태를 탐지하는 것이다. 이때 사람들은 서로 다른 주파수의 일련의 초음파를 물에 보내고 반사된 에코를 기록하고 처리합니다. 에코의 특성을 통해 감지된 물체의 거리, 모양 및 동적 변화를 추정할 수 있습니다. 의학에서 초음파가 최초로 사용된 것은 1942년 오스트리아 의사 Dusik이 처음으로 초음파 기술을 사용하여 뇌 구조를 스캔한 때였습니다. 이후 1960년대에 의사들은 복부 장기 탐지에 초음파를 적용하기 시작했습니다. 오늘날 초음파 스캐닝 기술은 현대 의료 진단에 없어서는 안 될 도구가 되었습니다.

의료용 초음파 검사의 작동 원리는 음파탐지기와 유사합니다. 즉, 초음파가 인체 내로 방출되면 신체의 인터페이스에 부딪혀 반사되고 굴절될 수 있습니다. 인체 조직에 흡수되어 약화됩니다. 인체의 다양한 조직은 모양과 구조가 다르기 때문에 초음파가 반사되는 정도, 굴절, 흡수되는 정도도 다르며, 의사들은 기구에서 반사되는 파형이나 곡선, 영상의 특성 등을 통해 이를 구별합니다. 또한, 해부학적 지식과 정상 및 병리학적 변화를 종합하여 검사한 장기에 질병이 있는지 진단하는 것이 가능합니다.

현재 의사들은 다양한 형태로 초음파 진단 방법을 사용하는데, 이는 A형, B형, M형, D형 등 4가지 범주로 나눌 수 있다.

A형 : 조직의 특성을 파형으로 나타내는 방식으로 주로 장기의 직경을 측정하여 크기를 판단하는 데 사용됩니다. 이는 고체 물질, 액체 또는 기체 등의 존재와 같은 병든 조직의 일부 물리적 특성을 식별하는 데 사용할 수 있습니다.

B 유형: 평면 그래픽을 사용하여 탐색 중인 조직의 특정 상태를 표시합니다. 검사 중에 인체 인터페이스에서 반사된 신호는 먼저 다양한 강점과 약점의 광점으로 변환됩니다. 이 광점은 직관적이고 반복성이 높으며 사전에 비교할 수 있습니다. 이후에는 산부인과, 내과, 비뇨기과, 소화기 질환, 심혈관계 질환의 진단에 널리 사용됩니다.

M 유형: 활성 인터페이스의 시간 변화를 관찰하는 데 사용되는 방법입니다. 심장의 활동을 확인하는 데 가장 적합합니다. 심장초음파검사라고 불리는 심장의 각 층의 위치, 활동 상태 및 구조적 상태를 관찰하는 데 사용됩니다. 심장 및 대혈관 질환의 진단.

D형: 혈류 및 장기 활동을 감지하는 데 특별히 사용되는 초음파 진단법으로 도플러 초음파 진단법이라고도 합니다. 이를 통해 혈관이 열려 있는지, 내강이 좁아졌는지, 막혔는지, 질병의 위치를 ​​확인할 수 있습니다. 차세대 D형 초음파는 내강의 혈류를 정량적으로 측정할 수도 있습니다. 최근 몇 년 동안 과학자들은 심장 초음파 검사의 해부학적 지표에 따라 혈류 방향을 다양한 색상으로 표시할 수 있는 색상 코드 도플러 시스템을 개발했습니다. 색상의 깊이는 혈류 속도를 나타냅니다. 최근에는 입체초음파영상, 초음파CT, 초음파내시경 등의 초음파 기술이 끊임없이 등장하고 있으며, 다른 검사장비와 결합해 질병 진단의 정확도를 크게 높일 수도 있다.

초음파 기술은 과학의 발전으로 의료 분야에서 큰 역할을 하고 있으며, 이는 더욱 완벽해지고 인류에게 더 나은 혜택을 가져다 줄 것입니다.

20,000Hz(헤르츠)보다 높은 주파수를 가진 음파입니다. 초음파의 생성, 전파, 수신뿐만 아니라 다양한 초음파 효과 및 응용을 연구하는 음향학 분야를 초음파라고 합니다.

초음파를 발생시키는 장치로는 기계식 초음파 발생기(공기휘파람, 증기휘파람, 액체휘파람 등), 전자기 유도와 전자기 작용의 원리를 이용하여 제작한 전기초음파 발생기,

그리고 압전 결정의 전기 변형 효과와 강자성 물질의 자기 변형 효과를 활용하여 만든 전기 음향 변환기입니다.

초음파 효과 매질에 초음파가 전파되면 매질과 초음파의 상호작용으로 매질에 물리적, 화학적 변화가 일어나 일련의 기계적, 열적 효과가 나타난다.

, 다음 4가지 효과를 포함한 전자기적 및 화학적 초음파 효과:

① 기계적 효과. 초음파의 기계적 작용은 액체의 유화, 젤의 액화 및 고체의 분산을 촉진할 수 있습니다. 초음파 유체 매질에서 정재파가 형성되면 유체에 부유하는 작은 입자가 기계적 힘의 작용으로 인해 파동 노드에서 응축되어 공간에 주기적으로 축적됩니다. 압전재료와 자기왜곡 재료에 초음파가 전파되면 초음파의 기계적 작용에 의해 유도 전기 분극과 유도 자화가 발생한다(유전체 물리학 및 자기왜곡 참조).

②캐비테이션. 초음파가 액체에 작용하면 수많은 작은 기포가 생성될 수 있습니다. 그 이유 중 하나는 액체에 국부적인 인장 응력이 발생하여 부압이 형성되기 때문입니다. 압력이 감소하면 원래 액체에 용해되어 있던 기체가 과포화되어 액체 밖으로 빠져나와 작은 기포가 되기 때문입니다. 또 다른 이유는 강한 인장 응력으로 인해 액체가 공동으로 "찢어지는" 현상을 캐비테이션이라고 합니다. 공동 내부에는 액체 증기나 액체에 용해된 다른 가스, 심지어는 진공도 있습니다. 캐비테이션으로 인해 형성된 작은 기포는 주변 매질의 진동으로 인해 계속 움직이거나 성장하거나 갑자기 터집니다. 터지면 주위의 액체가 갑자기 기포 속으로 돌진해 고온, 고압이 발생하는 동시에 충격파가 발생한다. 캐비테이션과 관련된 내부 마찰은 전하를 형성하고 기포 내 방전으로 인해 발광을 생성할 수 있습니다. 액체의 초음파 처리 기술은 대부분 캐비테이션과 관련이 있습니다.

③열 효과. 초음파의 고주파수와 높은 에너지로 인해 매체에 흡수될 때 상당한 열 효과를 생성할 수 있습니다.

④화학적 효과. 초음파의 작용은 특정 화학 반응을 촉진하거나 가속화할 수 있습니다. 예를 들어, 순수한 증류수는 초음파 처리 후 과산화수소를 생성하고, 질소가 용해된 물은 초음파 처리 후 아질산을 생성합니다. 이러한 현상의 발생에는 항상 캐비테이션이 동반됩니다. 초음파는 또한 많은 화학 물질의 가수분해, 분해 및 중합 과정을 가속화할 수 있습니다. 초음파는 또한 광화학 및 전기화학 공정에 중요한 영향을 미칩니다. 다양한 아미노산 및 기타 유기 물질의 수용액을 초음파로 처리하면 특징적인 흡수 스펙트럼 밴드가 사라지고 균일한 일반 흡수가 되는데, 이는 캐비테이션이 분자 구조를 변경했음을 나타냅니다.

초음파 응용 초음파 효과는 주로 다음과 같은 측면에서 실제로 널리 사용되었습니다.

① 초음파 검사. 초음파의 파장은 일반 음파보다 짧고 방향성이 양호하며 불투명한 물질을 투과할 수 있습니다. 이 기능은 초음파 탐상, 두께 측정, 거리 측정, 원격 제어 및 초음파 영상 기술에 널리 사용됩니다. 초음파 영상은 초음파를 이용해 불투명한 물체의 내부 영상을 표현하는 기술이다. 변환기에서 방출된 초음파는 음향 렌즈를 통해 불투명한 시료에 집중됩니다. 시료에서 전송된 초음파는 조명된 부분에 대한 정보(예: 음파를 반사, 흡수 및 산란하는 능력)를 전달하여 수렴됩니다. 음향 렌즈에서 결과 전기 신호가 증폭기에 입력되고 불투명 샘플의 이미지가 스캐닝 시스템을 사용하여 형광 스크린에 표시됩니다. 위에서 설명한 장치를 초음파 현미경이라고 합니다. 초음파 영상 기술은 의료 검사, 마이크로 전자 장치 제조에서 대규모 집적 회로 검사, 재료 과학에서 합금의 다양한 구성 요소 영역과 입자 경계를 표시하는 데 널리 사용되었습니다. 음향홀로그래피(Acoustic Holography)는 초음파의 간섭원리를 이용하여 불투명한 물체의 3차원 영상을 기록하고 재현하는 음향영상기술이다. 그 원리는 광파홀로그래피와 기본적으로 동일하지만 기록방식이 다르다(홀로그래피 참조). .

동일한 초음파 신호 소스를 사용하여 액체에 배치된 두 개의 변환기를 자극합니다. 두 변환기는 각각 간섭성 초음파 빔 2개를 방출합니다. 하나의 빔은 연구 중인 물체를 통과한 후 객체파가 되고 다른 빔은 기준파 역할을 합니다. 물체파와 기준파가 액체 표면에 일관되게 중첩되어 음향 홀로그램을 형성하고 음향 홀로그램에 레이저 빔을 조사하고 레이저가 음향 홀로그램에 반사될 때 발생하는 회절 효과를 이용하여 재구성된 홀로그램을 얻습니다. 물체의 이미지는 일반적으로 카메라나 텔레비전을 사용하여 기계 작동을 실시간으로 관찰합니다.

②초음파치료. 초음파의 기계적, 캐비테이션, 열적 및 화학적 효과를 활용하여 초음파 용접, 드릴링, 고체 분쇄, 유화, 탈기, 먼지 제거, 냄비 스케일 제거, 청소, 살균, 화학 반응 촉진 및 생물학적 공정 연구 등을 수행할 수 있습니다. ., 산업, 광업, 농업, 의료 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

③기초연구. 매질에 초음파가 작용한 후 매질 내에서 음향 이완 과정이 일어나며, 음향 이완 과정은 분자의 각 전기적 정도 사이에서 에너지의 전달 과정을 동반하며, 거시적인 수준에서 음파의 흡수를 보여줍니다. 음파). 재료의 특성과 구조는 재료에 의한 초음파의 흡수 법칙을 통해 탐구될 수 있습니다. 이 분야의 연구는 분자 음향학의 음향 분야를 구성합니다. 일반적인 음파의 파장은 고체의 원자 거리보다 훨씬 큽니다. 이 조건에서 고체는 연속 매체로 간주될 수 있습니다. 그러나 1012Hz 이상의 주파수를 갖는 초음파의 경우 파장은 고체 내의 ​​원자 간격과 비교할 수 있다. 이때 고체는 공간적 주기성을 갖는 격자 구조로 간주되어야 한다. 격자 진동의 에너지는 양자화되어 포논(phonon)이라고 불립니다(고체 물리학 참조). 고체에 대한 특수 초음파의 효과는 특수 초음파와 열 포논, 전자, 광자 및 다양한 준입자 사이의 상호 작용에 기인할 수 있습니다. 고체 내 특수 초음파의 생성, 감지 및 전파에 대한 연구와 양자 액체(액체 헬륨)의 음향 현상에 대한 연구는 현대 음향학의 새로운 분야를 구성합니다. -

양자 음향학