Ультразвук

Ультразвук — это упругие колебания и волны с частотой выше 20 кГц, не слышимые человеческим ухом. В настоящее время уда­ется получать ультразвуковые колебания с частотой до 10 ГГц. Соответственно указанным частотным диапазонам область длины ультразвуковых волн в воздухе составляет от 1,6 до 0,3-10"⁴ см, в жидкостях - от 6,0 до 1,2-Ю"⁴ см и в твердых телах - от 20,0 до 4,0-10" ⁴ см.

Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от упру­гих волн слышимого диапазона. Распространение ультразвука под­чиняется основным законам, общим для акустических волн любого диапазона частот. К основным законам распространения ультразвука относятся законы отражения и преломления на границах различных сред, дифракции и рассеяния ультразвука при наличии препятствий и неоднородностей на границах, законы волноводного распростране­ния в ограниченных участках среды.

Вместе с тем высокая частота ультразвуковых колебаний и малая длина волн обусловливают ряд специфических свойств, присущих только ультразвуку.

Так, возможно визуальное наблюдение ультразвуковых волн с помощью оптических методов. Благодаря малой длине ультразвуко­вые волны хорошо фокусируются, и, следовательно, возможно полу­чение направленного излучения. Еще одна весьма важная особен­ность ультразвука заключается в возможности получения высоких значений интенсивности при относительно небольших амплитудах колебаний.

Уменьшение амплитуды и интенсивности ультразвуковой волны по мере ее распространения в заданном направлении, т.е. затухание, определяется рассеянием и поглощением ультразвука, переходом ультразвуковой энергии в другие формы, например, в тепловую.

Источники ультразвука на рабочих местах. К техногенным источникам ультразвука относятся все виды ультразвукового тех­нологического оборудования, ультразвуковые приборы и аппаратура промышленного, медицинского и бытового назначений, которые генерируют ультразвуковые колебания в диапазоне частот от 20 кГц до 100 МГц и выше. Источником ультразвука может также быть обо­рудование, при эксплуатации которого ультразвуковые колебания возникают как сопутствующий фактор.

Основными элементами ультразвуковой техники являются уль­тразвуковые преобразователи и генераторы. Ультразвуковые пре­образователи в зависимости от вида потребляемой энергии под­разделяют на механические (ультразвуковые свистки, сирены) и электромеханические (магнитострикционные, пьезоэлектрические, электродинамические). Механические и магнитострикционные пре­образователи используются для генерации низкочастотного ультра­звука, а пьезоэлектрические преобразователи позволяют получать ультразвуки высокой частоты — до 10⁹ Гц.

Ультразвуковые генераторы предназначены для преобразования тока промышленной частоты в ток высокой частоты и для питания электроакустических систем — преобразователей как пьезоэлектри­ческих, так и магнитострикционных.

В настоящее время ультразвук широко применяется в машино­строении, металлургии, химии, радиоэлектронике, строительстве, геологии, легкой и пищевой промышленности, рыбном промысле, медицине и т.д.

Среди многообразия способов применения ультразвука с позиций оценки их возможного неблагоприятного влияния на организм рабо­тающих целесообразно выделить два основных направления:

1. Применение низкочастотных (до 100 кГц) ультразвуковых колебаний, распространяющихся контактным и воздушным путями, для активного воздействия на вещества и технологические процессы — очистка, обеззараживание, сварка, пайка, механическая и терми­ческая обработка материалов (сверхтвердых сплавов, алмазов, кера­мики и др.), коагуляция аэрозолей; в медицине — ультразвуковой хирургический инструментарий, установки для стерилизации рук медперсонала, различных предметов и др.

1. Применение высокочастотных (100 кГц — 100 МГц и выше) ультразвуковых колебаний, распространяющихся исключительно контактным путем, для неразрушающего контроля и измерений; в медицине — диагностика и лечение различных заболеваний.

Анализ распространенности и перспектива применения разно­образных ультразвуковых источников показал, что 60-70% всех работающих в условиях неблагоприятного воздействия ультразву­

ка составляют дефектоскописты, операторы очистных, сварочных, ограночных агрегатов, врачи ультразвуковых исследований (УЗИ), физиотерапевты, хирурги и др.

В целях унификации критериев и методов оценки степени произ­водственных воздействий ультразвука разработана «Гигиеническая классификация ультразвука, воздействующего на человека-операто­ра». Классифицируемыми признаками воздействующего на работа­ющих ультразвука являются: способ распространения фактора, тип источника ультразвука, способ и режим генерирования колебаний, частотная характеристика ультразвуковых колебаний (табл. 12.1).

Работающие с технологическими и медицинскими ультразвуко­выми источниками подвергаются воздействию комплекса неблаго­приятных факторов производственной среды, ведущим из которых является ультразвук с частотой колебаний 20 Гц - 20,0 МГц и интен­сивностью 50-160 дБ.

Т ак, стационарные очистные, сварочные, ограночные установки генерируют постоянные ультразвуковые колебания с частотами 24,0-22,0 кГц, распространяющиеся контактным и воздушным путя­ми (25-30% рабочей смены).

Интенсивность ультразвука в зоне контакта с руками операто­ров очистных, ограночных и сварочных агрегатов составляет 0,03-

4. Вт/см², т.е. уровни колеблются от значений практически норма­тивных до 14-кратного превышения ИДУ. Уровни звукового давле­ния в слышимом и ультразвуковом диапазонах частот на рабочих местах достигают 80-101 дБ с максимумом на рабочих частотах уста­новок, что соответствует норме.

Среди многочисленных методов ультразвуковой дефектоскопии наиболее распространен импульсный метод (частоты 0,5-20,0 МГц при частоте следования импульсов в пределах 300-4000 Гц; часто­ты 50 и 80 кГц с частотой следования импульсов в пределах 100— 4000 Гц).

При ультразвуковом контроле сварных и железобетонных изде­лий оператор подвергается воздействию ультразвука в течение 72-75% рабочего времени, интенсивность ультразвука в местах контакта колеблется от 1-Ю^-3 до 1,0 Вт/см², уровни воздушного ультразвука не превышают ПДУ.

Среднесменное время воздействия контактного ультразвука на работающих зависит от типа ультразвукового источника (ручной или стационарный), для которого оно, как правило, в 2,5-3 раза меньше.

Используемые в лечебно-профилактических учреждениях диа­гностические установки работают в диапазоне частот 0,8-20,0 МГц, частота следования импульсов — 50-100 Гц. Диагностическое сканирование выполняется ручным ультразвуковым датчиком. Продолжительность одного, исследования колеблется от 15-20 мин до 1-1,5 ч. Уровни высокочастотного контактного ультразвука, воз­действующего на руки врача, составляют от 0,5-25,0-40,0 мВт/см² до 1,0 Вт/см² при диагностических исследованиях, занимающих 70% рабочего времени.

В ультразвуковой хирургической аппаратуре частота колебаний составляет 26,6-44,0-66,0-88,0 кГц. При работе хирургов отме­чена контактная передача ультразвука на руки, длительность уль­тразвукового воздействия не превышает 14% рабочего времени. Интенсивность контактного ультразвука находится в пределах 0,07-