11.5-Applications of Ultrasound

11.5-Applications of Ultrasound Important Formulae

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After successful completion of this topic, you should be able to:

  • Demonstrate an understanding of application of ultrasound waves in medical, defence and other fields.
  • Explain the process of hearing in human beings.

Ultrasound refers to sound waves with frequencies higher than the audible range for humans, typically above 20 kHz. Due to its unique properties, ultrasound has numerous applications across various fields, including medicine, industry, and research. This section explores the key applications of ultrasound in detail.

1. Medical Applications:

One of the most prominent uses of ultrasound is in the medical field, particularly in diagnostic imaging and therapeutic procedures.

  • Ultrasonography: This technique uses high-frequency sound waves to create images of organs and structures inside the body. It is commonly used during pregnancy to monitor fetal development and assess the health of the fetus.
  • Doppler Ultrasound: This method measures the change in frequency of sound waves as they bounce off moving objects, such as blood cells. It helps in assessing blood flow and detecting conditions like deep vein thrombosis and heart defects.
  • Therapeutic Ultrasound: Ultrasound is used in physical therapy to promote tissue healing, reduce pain, and break down scar tissue. High-intensity focused ultrasound (HIFU) is employed for targeted destruction of tissue in certain types of tumors.
2. Industrial Applications:

Ultrasound is widely utilized in various industrial processes for testing, cleaning, and material characterization.

  • Ultrasonic Testing (UT): This non-destructive testing method uses ultrasound to detect internal flaws in materials, such as cracks and voids. It is commonly applied in industries like aerospace, automotive, and construction to ensure the integrity of components.
  • Ultrasonic Cleaning: Ultrasound is used in cleaning processes to remove dirt and contaminants from intricate parts. The high-frequency sound waves create microscopic bubbles that implode, producing high forces that dislodge contaminants.
  • Welding: Ultrasonic welding is a process where high-frequency vibrations are applied to materials to join them together without melting. It is used in industries such as electronics and plastics for creating strong, durable joints.
3. Environmental Applications:

Ultrasound technology is also applied in environmental monitoring and research.

  • Sonar: Sound Navigation and Ranging (SONAR) uses ultrasound to detect objects underwater and measure distances. It is essential for marine navigation, fishing, and underwater exploration.
  • Water Quality Assessment: Ultrasound can be employed to assess water quality by detecting pollutants and monitoring biological activity in water bodies.
4. Research Applications:

In scientific research, ultrasound serves various purposes:

  • Material Characterization: Researchers use ultrasound to study the properties of materials, including elasticity and density. This information is valuable in materials science and engineering.
  • Animal Studies: Ultrasound is used in biological studies to observe animal behavior and physiology, particularly in studies involving aquatic animals.
5. Consumer Applications:

Ultrasound has found applications in everyday consumer products:

  • Ultrasonic Pest Repellers: These devices emit high-frequency sound waves that are said to deter pests like rodents and insects.
  • Ultrasonic Humidifiers: These appliances use ultrasound technology to create a fine mist of water, effectively increasing humidity in the air.
6. Advantages of Ultrasound:

The applications of ultrasound offer several advantages:

  • Non-invasive: Many ultrasound applications, especially in medicine, are non-invasive, making them safer for patients compared to other diagnostic techniques.
  • Real-time Imaging: Ultrasound provides real-time images, allowing for immediate assessment and decision-making in medical and industrial settings.
  • High Sensitivity: Ultrasound can detect small changes in materials and biological structures, making it a powerful tool in diagnostics and testing.

11.5 - Applications of Ultrasound

अल्ट्रासाउंड ध्वनि तरंगों का एक प्रकार होता है जिनकी आवृत्ति 20,000 हर्ट्ज़ (Hz) से अधिक होती है। यह मानव कान से बाहर की आवृत्तियों को दर्शाता है। अल्ट्रासाउंड का उपयोग विभिन्न क्षेत्रों में किया जाता है, जैसे चिकित्सा, उद्योग, और विज्ञान।

1. चिकित्सा में उपयोग (Medical Applications)

अल्ट्रासाउंड का सबसे प्रमुख उपयोग चिकित्सा क्षेत्र में होता है। इसमें शरीर के अंदर की स्थिति का निरीक्षण करने के लिए अल्ट्रासोनोग्राफी (Ultrasonography) का उपयोग किया जाता है। यह विधि गर्भावस्था में बच्चे की स्थिति, अंगों की संरचना, और विभिन्न रोगों के निदान में मदद करती है।

अल्ट्रासाउंड का उपयोग शरीर में भीतर की संरचनाओं का चित्रण (Imaging) करने के लिए किया जाता है। यह एक गैर-घातक प्रक्रिया होती है और इसमें किसी प्रकार की रेडियेशन का खतरा नहीं होता।

2. औद्योगिक उपयोग (Industrial Applications)

अल्ट्रासाउंड का औद्योगिक क्षेत्र में भी उपयोग किया जाता है। इसमें ध्वनि तरंगों का उपयोग किसी वस्तु के अंदर की खामियों या दरारों का पता लगाने के लिए किया जाता है। इस प्रक्रिया को 'अल्ट्रासोनिक टेस्टिंग' कहा जाता है। इसका उपयोग धातु, निर्माण सामग्री, और अन्य सामग्रियों में छिपी हुई दोषों का पता लगाने के लिए किया जाता है।

3. अल्ट्रासोनिक क्लीनींग (Ultrasonic Cleaning)

अल्ट्रासाउंड का उपयोग सफाई के उद्देश्य से भी किया जाता है। इसमें उच्च आवृत्ति की ध्वनि तरंगों का उपयोग किसी वस्तु के सतह से गंदगी या अन्य प्रदूषकों को हटाने के लिए किया जाता है। यह विशेष रूप से सूक्ष्म और जटिल आकार वाली वस्तुओं की सफाई के लिए उपयुक्त होता है। उदाहरण के लिए, सर्जिकल उपकरण, घड़ियाँ, और गहनों की सफाई में इसका उपयोग किया जाता है।

4. जीवविज्ञान में उपयोग (Biological Applications)

अल्ट्रासाउंड का उपयोग जीवविज्ञान के क्षेत्र में भी किया जाता है। इसका एक प्रमुख उपयोग कोशिकाओं और ऊतकों की संरचना का अध्ययन करने में होता है। अल्ट्रासाउंड का उपयोग शरीर के विभिन्न अंगों की स्थिति की जांच के लिए किया जाता है, जैसे कि यकृत (liver), गुर्दे (kidney), और हृदय (heart)।

5. ध्वनि तरंगों का प्रयोग मापने के लिए (Measuring Distance and Depth)

अल्ट्रासाउंड का उपयोग दूरी मापने के लिए भी किया जाता है। उदाहरण के लिए, पानी की गहराई मापने के लिए सोनार (SONAR) तकनीक का उपयोग किया जाता है। इस तकनीक में अल्ट्रासाउंड तरंगों का प्रयोग समुद्र की गहराई और समुद्र के तल के खनिजों का पता लगाने के लिए किया जाता है।

6. अल्ट्रासाउंड चिकित्सा में ट्यूमर का पता लगाना (Tumor Detection)

अल्ट्रासाउंड का एक और महत्वपूर्ण उपयोग कैंसर जैसी बीमारियों के इलाज में किया जाता है। यह शरीर के अंदर ट्यूमर की उपस्थिति का पता लगाने में मदद करता है, जो अन्य जांच विधियों से स्पष्ट नहीं हो सकता। अल्ट्रासाउंड से प्राप्त चित्रों के माध्यम से डॉक्टरों को ट्यूमर का आकार, स्थिति और उसके आसपास के ऊतकों की जानकारी मिलती है।

7. अल्ट्रासोनिक पंप (Ultrasonic Pumps)

अल्ट्रासाउंड का उपयोग पंपों में भी किया जाता है। अल्ट्रासोनिक पंप तरल पदार्थों की पंपिंग के लिए उपयोग किए जाते हैं, जहां उच्च-आवृत्ति ध्वनि तरंगें तरल पदार्थ को गति प्रदान करती हैं। इसका उपयोग विशेष रूप से सूक्ष्म द्रवों और रासायनिक पदार्थों को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है।

समीकरण (Formulae)

अल्ट्रासाउंड की आवृत्ति और तरंग दैर्ध्य के बीच का संबंध निम्नलिखित सूत्र द्वारा व्यक्त किया जा सकता है:

वेदायन (Velocity) $v$ = आवृत्ति $f$ × तरंग दैर्ध्य $λ$

जहाँ, $v$ = ध्वनि की गति, $f$ = आवृत्ति, $λ$ = तरंग दैर्ध्य