Купить журнал

Эволюция ультразвука

10 июня, 2017

В наше время, пожалуй, не найти человека, который бы не слышал об ультразвуковой диагностике, в быту – УЗИ. А ведь совсем недавно люди даже не догадывались, что существуют звуки, недоступные человеческому уху. Однако благодаря любознательности и самоотверженному труду десятков ученых и исследователей у нас с вами сегодня есть такое чудо – ультразвук.
 

Какой диапазон частот воспринимают:

  • слон                           0,1–25 Гц
  • человек                      20–20000 Гц
  • собака                        до 40000 Гц
  • кошка                         100–60000 Гц
  • летучая мышь           1000–100000 Гц
  • дельфин                     до 150000 Гц

 
Итальянец, швейцарец и летучие мыши
По некоторым данным, впервые доказал существование звука, не воспринимаемого человеческим ухом, итальянский биолог и натуралист Ладзаро Спалланцани (1729-1799).
Он проводил эксперименты с летучими мышами и выяснил, что ослепленное животное прекрасно ориентируется в темной комнате. Однако если закрыть ему пасть, то оно врезается в препятствия. Таким образом, он выяснил, что летучая мышь ориентируется в пространстве, используя звуковые волны.
Шарль Жюрин из Швейцарии пошел другим путем – он залеплял летучим мышам уши воском и выяснил, что они при этом становятся совершенно беспомощными.
Так два этих исследователя пришли к единому мнению: чтобы ориентироваться в пространстве, летучим мышам необходим слух. 
 
Эффект Допплера
Австрийский физик и математик Христиан Допплер (1803-1853), сам того не ведая, внес существенный вклад в развитие ультразвука. В 1841 году в своем историческом докладе «О колорометрической характеристике излучения двойных звезд…» (который он, кстати, читал для аудитории в пять человек плюс стенографист :), он предположил, что цвет звезды, который мы видим, обусловлен спектральным сдвигом белого цвета из-за того, что источник перемещается относительно Земли. Для обоснования этой теории Допплер использовал аналогию передачи света и звука. Однако впоследствии выяснилось, что его теория относительно света была ошибочной. А вот относительно звука – совершенно правильной!
Сегодня «эффект Допплера», или «цветное допплеровское картирование», является незаменимым инструментом диагностики.
 
Пьезоэлектричество
Прорыв в технологии, который, в конечном итоге, привел и к развитию современного ультразвука, произошел в 1880 году. Совершили его Пьер и Жак Кюри из Франции. Братья выяснили, что при оказании давления на кристаллы кварца создается электрический заряд, который прямо пропорционален прикладываемой силе. Это явление назвали «пьезоэлектричеством» (от греческого «нажать»). Более того, был выявлен обратный эффект – быстро меняющийся электрический потенциал вызывал вибрацию кристалла. 
Этот эффект лег в основу всех применяющихся сегодня ультразвуковых датчиков.


«Титаник» и SONAR
События, произошедшие в начале 20-го века, послужили мощным толчком для развития ультразвука. В апреле 1912 года, после столкновения с айсбергом, новейший суперлайнер «Титаник» нашел свое последнее пристанище в холодных водах Северной Атлантики.
Эта трагедия подогрела интерес к исследованиям в области обнаружения подводных объектов. 
Англичанин Ричардсон провел ряд исследований и даже зарегистрировал несколько патентов на воздушные и ультразвуковые системы обнаружения. Однако почему-то так и не создал свои приборы. 
И только в 1914 году благодаря возникновению электромагнитной звуковой катушки Фессендера впервые появилась возможность обнаруживать подводные объекты. Эту технологию тут же начали использовать для передачи сигналов под водой и навигации подводных лодок. Ведь, как известно, в это время началась Первая мировая война.
Приблизительно в этот же период возник новый термин SONAR (sound navigation and ranging).
Первую работающую систему SONAR собрал канадец Реджинальд Обри Фессенден (1866-1932). Она могла обнаружить айсберг на расстоянии до 2 миль. 
Чуть позже, в 1915 году, русский эмигрант из Швейцарии Константин Чиловский вместе с французским физиком Полем Ланжевеном разработали «гидрофон» – действующий SONAR для обнаружения подводных лодок. Благодаря этому прибору уже 23 апреля 1916 года была обнаружена и поражена первая немецкая субмарина.
После Первой мировой войны исследования переместились в область топографической съемки дна океана, измерения глубин, а также систем подводной связи между судами. В процессе исследований неожиданно обнаружились новые возможности эхолотов, вплоть до поиска рыбных стай.

 

Дефектоскоп и радар
До развития ультразвуковых технологий целостность металлических корпусов судов проверяли с помощью рентгеновских лучей. Это был трудоемкий и небезопасный процесс, который требовал много времени и сил. С. Соколов в 1928 году предложил концепцию ультразвукового дефектоскопа. Однако для эффективной работы такого прибора необходимо было решить ряд проблем, связанных с изменением длины волны. И только к 1941 году, проводя независимые друг от друга исследования, ученые Файрстоун и Спроул разработали эффективную технологию. 
Но опять вмешалась война, теперь уже Вторая мировая. Свои исследования ученые смогли опубликовать только в 1946 году. 
В послевоенное время прибор был многократно модифицирован, и впоследствии появилась первая переносная контактная ультразвуковая машина.

RADAR (Radio Navigation and Ranging) был изобретен в 1935 году. Его автор, шотландец Роберт Уотсон-Уотт, был прямым потомком знаменитого инженера и изобретателя парового двигателя Джеймса Уотта. Его прибор помог выиграть «битву за Британию» во время Второй мировой войны. За свое изобретение в 1942 году он был посвящен в рыцари. 
Сэр Роберт Уотсон-Уотт после университетского колледжа в Данди поступил служить на базу королевских ВВС в качестве метеоролога. Еще в 1915 году он начал применять радиоволны для предсказания гроз. 20 лет спустя он успешно доказал, что радиоволны хорошо отражаются от самолета. Первый радиосигнал был отправлен с коротковолнового передатчика ВВС на бомбардировщик ВВС. 


Ультразвук в медицине
Считается, что первыми использовать ультразвук в медицине начали два брата – Карл Теодор Дуссик (психиатр и невропатолог) и Фридрих Дуссик (физик) в конце 1930-х. Они использовали передатчик в 1,5 МГц для того, чтобы регистрировать изменения при сканировании человеческого мозга. Братья считали, что ультразвук поможет обнаружить опухоль мозга. Однако, как выяснилось позже, на снимках, которые получили название «гиперфонограмма», были отображены различия в толщине кости. Как только это стало известно, Комитет по ядерной физике США заявил, что ультразвук не может помочь в диагностике опухоли мозга, и финансирование этих исследований было значительно сокращено.
Позднее американские ученые Людвиг и Струстерс оказались в числе первых исследователей, сообщивших об использовании эхо-импульса в биологических тканях.