Ультразвук

Ультразву́к - упругие колебания с частотой за пределом слышимости для человека. Обычно ультразвуковым диапазоном считают частоты выше 18 000 герц.

Хотя о существовании ультразвука известно давно, его практическое использование достаточно молодо. В наше время ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. Так, по скорости распространения звука в среде судят о её физических характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах позволяет с весьма малыми погрешностями определять, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоемкости газов, упругие постоянные твердых тел.

Источники ультразвука

Частота ультразвуковых колебаний, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц . Такие колебания обычно создают с помощью пьезокерамических преобразователей из титанита бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвуковых колебаний, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены).

В природе УЗ встречается как в качестве компонентов многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве.

Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока - струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей - электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Свисток Гальтона

Первый ультразвуковой свисток сделал в 1883 году англичанин Гальтон. Ультразвук здесь создается подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона играет «губа» в маленькой цилиндрической резонансной полости. Газ, пропускаемый под высоким давлением через полый цилиндр, ударяется об эту «губу»; возникают колебания, частота которых (она составляет около 170 кГц) определяется размерами сопла и губы. Мощность свистка Гальтона невелика. В основном его применяют для подачи команд при дрессировке собак и кошек.

Жидкостный ультразвуковой свисток

Большинство ультразвуковых свистков можно приспособить для работы в жидкой среде. По сравнению с электрическими источниками ультразвука жидкостные ультразвуковые свистки маломощны, но иногда, например, для ультразвуковой гомогенизации, они обладают существенным преимуществом. Так как ультразвуковые волны возникают непосредственно в жидкой среде, то не происходит потери энергии ультразвуковых волн при переходе из одной среды в другую. Пожалуй, наиболее удачной является конструкция жидкостного ультразвукового свистка, изготовленного английскими учеными Коттелем и Гудменом в начале 50-х годов XX века. В нем поток жидкости под высоким давлением выходит из эллиптического сопла и направляется на стальную пластинку. Различные модификации этой конструкции получили довольно широкое распространение для получения однородных сред. Благодаря простоте и устойчивости своей конструкции (разрушается только колеблющаяся пластинка) такие системы долговечны и недороги.

Сирена

Другая разновидность механических источников ультразвука - сирена. Она обладает относительно большой мощностью и применяется в полицейских и пожарных машинах. Все ротационные сирены состоят из камеры, закрытой сверху диском (статором), в котором сделано большое количество отверстий. Столько же отверстий имеется и на вращающемся внутри камеры диске - роторе. При вращении ротора положение отверстий в нём периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подаётся сжатый воздух, который вырывается из неё в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают.

Основная задача при изготовлении сирен - это во-первых- сделать как можно больше отверстий в роторе, во-вторых- достичь большой скорости его вращения. Однако практически выполнить оба эти требования очень трудно.

Ультразвук в природе

Применение ультразвука

Диагностическое применение ультразвука в медицине (УЗИ)

Благодаря хорошему распространению ультразвука в мягких тканях человека, его относительной безвредности по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в сравнении с магнитно-резонансной томографией ультразвук широко применяется для визуализации состояния внутренних органов человека, особенно в брюшной полости и полости таза .

Терапевтическое применение ультразвука в медицине

Помимо широкого использования в диагностических целях (см. Ультразвуковое исследование), ультразвук применяется в медицине как лечебное средство.

Ультразвук обладает действием:

• противовоспалительным, рассасывающим
• аналгезирующим, спазмолитическим
• кавитационным усилением проницаемости кожи

Фонофорез - сочетанный метод, при котором на ткани действуют ультразвуком и вводимыми с его помощью лечебными веществами (как медикаментами, так и природного происхождения). Проведение веществ под действием ультразвука обусловлено повышением проницаемости эпидермиса и кожных желез, клеточных мембран и стенок сосудов для веществ небольшой молекулярной массы, особенно - ионов минералов бишофита . Удобство ультрафонофореза медикаментов и природных веществ:

• лечебное вещество при введении ультразвуком не разрушается
• синергизм действия ультразвука и лечебного вещества

Показания к ультрафонофорезу бишофита: остеоартроз , остеохондроз , артриты , бурситы , эпикондилиты, пяточная шпора , состояния после травм опорно-двигательного аппарата; Невриты, нейропатии, радикулиты, невралгии, травмы нервов.

Наносится бишофит-гель и рабочей поверхностью излучателя проводится микро-массаж зоны воздействия. Методика лабильная, обычная для ультрафонофореза (при УФФ суставов, позвоночника интенсивность в области шейного отдела - 0,2-0,4 Вт/см2., в области грудного и поясничного отдела - 0,4-0,6 Вт/см2).

Резка металла с помощью ультразвука

На обычных металлорежущих станках нельзя просверлить в металлической детали узкое отверстие сложной формы, например в виде пятиконечной звезды. С помощью ультразвука это возможно, магнитострикционный вибратор может просверлить отверстие любой формы. Ультразвуковое долото вполне заменяет фрезерный станок. При этом такое долото намного проще фрезерного станка и обрабатывать им металлические детали дешевле и быстрее, чем фрезерным станком.

Ультразвуком можно даже делать винтовую нарезку в металлических деталях, в стекле, в рубине, в алмазе. Обычно резьба сначала делается в мягком металле, а потом уже деталь подвергают закалке. На ультразвуковом станке резьбу можно делать в уже закалённом металле и в самых твёрдых сплавах. То же и со штампами. Обычно штамп закаляют уже после его тщательной отделки. На ультразвуковом станке сложнейшую обработку производит абразив (наждак, корундовый порошок) в поле ультразвуковой волны. Беспрерывно колеблясь в поле ультразвука, частицы твёрдого порошка врезаются в обрабатываемый сплав и вырезают отверстие такой же формы, как и у долота.

Приготовление смесей с помощью ультразвука

Широко применяется ультразвук для приготовления однородных смесей (гомогенизации). Еще в 1927 году американские ученые Лимус и Вуд обнаружили, что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду) слить в одну мензурку и подвергнуть облучению ультразвуком, то в мензурке образуется эмульсия, то есть мелкая взвесь масла в воде. Подобные эмульсии играют большую роль в промышленности: это лаки, краски, фармацевтические изделия, косметика.

Применение ультразвука в биологии

Способность ультразвука разрывать оболочки клеток нашла применение в биологических исследованиях, например, при необходимости отделить клетку от ферментов. Ультразвук используется также для разрушения таких внутриклеточных структур, как митохондрии и хлоропласты с целью изучения взаимосвязи между их структурой и функциями. Другое применение ультразвука в биологии связано с его способностью вызывать мутации. Исследования, проведённые в Оксфорде, показали, что ультразвук даже малой интенсивности может повредить молекулу ДНК. Искусственное целенаправленное создание мутаций играет большую роль в селекции растений. Главное преимущество ультразвука перед другими мутагенами (рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи) заключается в том, что с ним чрезвычайно легко работать.

Применение ультразвука для очистки

Применение ультразвука для механической очистки основано на возникновении под его воздействием в жидкости различных нелинейных эффектов. К ним относится кавитация , акустические течения , звуковое давление . Основную роль играет кавитация. Её пузырьки, возникая и схлопываясь вблизи загрязнений, разрушают их. Этот эффект известен как кавитационная эрозия . Используемый для этих целей ультразвук имеет низкую частоты и повышенную мощность.

В лабораторных и производственных условиях для мытья мелких деталей и посуды применяются ультразвуковые ванны заполоненные растворителем (вода, спирт и т. п.). Иногда с их помощью от частиц земли моют даже корнеплоды (картофель, морковь, свекла и др.).

Применение ультразвука в расходометрии

Для контроля расхода и учета воды и теплоносителя с 60-х годов прошлого века в промышленности применяются ультразвуковые расходомеры .

Применение ультразвука в дефектоскопии

Ультразвук хорошо распространяется в некоторых материалах, что позволяет использовать его для ультразвуковой дефектоскопии изделий из этих материалов. В последнее время получает развитие направление ультразвуковой микроскопии, позволяющее исследовать подповерхностный слой материала с хорошей разрешающей способностью.

Ультразвуковая сварка

Ультразвуковая сварка - сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний. Такой вид сварки применяется для соединения деталей, нагрев которых затруднен, или при соединении разнородных металлов или металлов с прочными окисными пленками (алюминий, нержавеющие стали, магнитопроводы из пермаллоя и т. п.). Так ультразвуковая сварка применяется при производстве интегральных микросхем.

Применение ультразвука в гальванотехнике

Ультразвук применяют для интенсификации гальванических процессов и улучшения качества покрытий, получаемых электрохимическим способом.

21-й век - век радиоэлектроники, атома, покорения космоса и ультразвука. Сравнительно молода в наши дни наука об ультразвуке. В конце 19 века П. Н. Лебедев, русский ученый-физиолог, провел первые его исследования. После этого ультразвуком начали заниматься многие выдающиеся ученые.

Что такое ультразвук?

Ультразвук - это распространяющееся волнообразно которое совершают частицы среды. Он имеет свои особенности, по которым отличается от звуков слышимого диапазона. Сравнительно легко в ультразвуковом диапазоне получить направленное излучение. К тому же он хорошо фокусируется, и в результате этого повышается интенсивность совершаемых колебаний. При распространении в твердых телах, жидкостях и газах ультразвук рождает интересные явления, нашедшие практическое применение во многих областях техники и науки. Вот что такое ультразвук, роль которого в различных сферах жизни сегодня очень велика.

Роль ультразвука в науке и практике

Ультразвук в последние годы стал играть в научных исследованиях все большую роль. Были успешно проведены экспериментальные и теоретические изыскания в области акустических течений и ультразвуковой кавитации, что позволило ученым разработать технологические процессы, которые протекают при воздействии в жидкой фазе ультразвука. Он является мощным методом исследования разнообразных явлений и в такой области знания, как физика. Ультразвук применяется, например, в физике полупроводников и твердого тела. Сегодня формируется отдельное направление химии, получившее название "ультразвуковая химия". Ее применение позволяет ускорить множество химико-технологических процессов. Зародилась также молекулярная акустика - новый раздел акустики, который изучает молекулярное взаимодействие с веществом Появились новые сферы применения ультразвука: голография, интроскопия, акустоэлектроника, ультразвуковая фазомерия, квантовая акустика.

Помимо экспериментальных и теоретических работ в этой области, сегодня было выполнено множество практических. Разработаны специальные и универсальные ультразвуковые станки, установки, которые работают под повышенным статическим давлением и др. Внедрены в производство ультразвуковые автоматические установки, включенные в поточные линии, что позволяет существенно повысить производительность труда.

Подробнее об ультразвуке

Расскажем подробнее о том, что такое ультразвук. Мы уже говорили о том, что это упругие волны и ультразвука составляет более 15-20 кГц. Субъективными свойствами нашего слуха определяется нижняя граница ультразвуковых частот, которая отделяет ее от частоты слышимого звука. Эта граница, таким образом, является условной, и каждый из нас по-разному определяет, что такое ультразвук. Верхняя граница обозначена упругими волнами, их физической природой. Они распространяются только в материальной среде, то есть длина волны должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега имеющихся в газе молекул или же межатомных расстояний в твердых телах и жидкостях. При нормальном давлении в газах верхняя граница частот УЗ - 10 9 Гц, а твердых телах и жидкостях - 10 12 -10 13 Гц.

Источники ультразвука

Ультразвук в природе встречается и как компонент множества естественных шумов (водопада, ветра, дождя, гальки, перекатываемой прибоем, а также в сопровождающих разряды грозы звуках и т. д.), и как неотъемлемая часть животного мира. Им некоторые виды животных пользуются для ориентировки в пространстве, обнаружения препятствий. Известно, кроме того, что ультразвук в природе используют дельфины (в основном частоты от 80 до 100 кГц). Очень большой при этом может быть мощность излучаемых ими локационных сигналов. Известно, что дельфины способны обнаруживать косяки рыб, находящиеся на расстоянии до километра от них.

Излучатели (источники) ультразвука делятся на 2 большие группы. Первая - это генераторы, в которых колебания возбуждаются из-за наличия в них препятствий, установленных на пути движения постоянного потока - струи жидкости или газа. Вторая группа, в которую можно объединить источники ультразвука, - электроакустические преобразователи, которые превращают заданные колебания тока или электрического напряжения в механическое колебание, совершаемое твердым телом, излучающее акустические волны в окружающую среду.

Приемники ультразвука

На средних и приемниками ультразвука выступают чаще всего пьезоэлектрического типа электроакустические преобразователи. Они могут воспроизводить форму полученного акустического сигнала, представленную как временная зависимость звукового давления. Приборы могут быть либо широкополосными, либо резонансными - в зависимости от того, для каких условий применения они предназначены. Термические приемники используют для получения характеристик звукового поля, усредненных по времени. Они представляют собой покрытые звукопоглощающим веществом термисторы или термопары. Звуковое давление и интенсивность можно оценивать также оптическими методами, такими как дифракция света на УЗ.

Где применяется ультразвук?

Существует множество сфер его применения, при этом используются различные особенности ультразвука. Эти сферы можно разбить условно на три направления. Первое из них связано с получением посредством УЗ-волн различной информации. Второе направление - активное воздействие его на вещество. А третье связано с передачей и обработкой сигналов. УЗ определенного используется в каждом конкретном случае. Мы расскажем только о некоторых из множества областей, в которых он нашел свое применение.

Очистка с помощью ультразвука

Качество такой очистки нельзя сравнить с другими способами. При полоскании деталей, к примеру, на поверхности их сохраняется до 80% загрязнений, около 55 % - при вибрационной очистке, около 20 % - при ручной, а при ультразвуковой остается не более 0,5 % загрязнений. Детали, которые имеют сложную форму, возможно хорошо очистить лишь с помощью ультразвука. Важным преимуществом его использования является высокая производительность, а также малые затраты физического труда. Более того, можно заменить дорогостоящие и огнеопасные органические растворители дешевыми и безопасными водными растворами, применять жидкий фреон и др.

Серьезная проблема - загрязнение воздуха копотью, дымом, пылью, окислами металлов и т. д. Можно использовать ультразвуковой способ очистки воздуха и газа в газоотводах независимо от влажности среды и температуры. Если УЗ-излучатель поместить в пылеосадочную камеру, в сотни раз увеличится эффективность ее действия. В чем же заключается сущность такой очистки? Беспорядочно движущиеся в воздухе пылинки сильнее и чаще ударяются друг о друга под действием ультразвуковых колебаний. При этом размер их увеличивается за счет того, что они сливаются. Коагуляцией называется процесс укрупнения частиц. Специальными фильтрами улавливаются утяжеленные и укрупненные их скопления.

Механическая обработка хрупких и сверхтвердых материалов

Если ввести между обрабатываемой деталью и рабочей поверхностью инструмента, использующего ультразвук, то частицы абразива при работе излучателя станут воздействовать на поверхность этой детали. При этом разрушается материал и удаляется, подвергаясь обработке под действием множества направленных микроударов. Кинематика обработки складывается из основного движения - резания, то есть совершаемых инструментом продольных колебаний, и вспомогательного - движения подачи, которые осуществляет аппарат.

Ультразвук может проделывать различные работы. Для абразивных зерен источником энергии являются продольные колебания. Они и разрушают обрабатываемый материал. Движение подачи (вспомогательное) может быть круговым, поперечным и продольным. Обработка с помощью ультразвука имеет большую точность. В зависимости от того, какую зернистость имеет абразив, она составляет от 50 до 1 мк. Используя инструменты разной формы, можно делать не только отверстия, но также и сложные вырезы, криволинейные оси, гравировать, шлифовать, изготовлять матрицы и даже сверлить алмаз. Используемые как абразив материалы - корунд, алмаз, кварцевый песок, кремень.

Ультразвук в радиоэлектронике

Ультразвук в технике часто используется в области радиоэлектроники. В этой сфере часто появляется необходимость задержать электрический сигнал относительно какого-то другого. Ученые нашли удачное решение, предложив использовать ультразвуковые линии задержки (сокращенно - ЛЗ). Их действие основано на том, что электрические импульсы преобразуются в ультразвуковые Как же это происходит? Дело в том, что скорость ультразвука существенно меньше, чем та, которую развивают электромагнитные колебания. Импульс напряжения после обратного преобразования в электрические механических колебаний будет задержан на выходе линии относительно импульса входного.

Пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи используют для преобразования колебаний электрических в механические и обратно. ЛЗ соответственно этому делятся на пьезоэлектрические и магнитострикционные.

Ультразвук в медицине

Различные виды ультразвука применяются для воздействия на живые организмы. В медицинской практике его использование сейчас очень популярно. Оно основывается на эффектах, которые возникают в биологических тканях тогда, когда через них проходит ультразвук. Волны вызывают колебания частиц среды, что создает своеобразный микромассаж тканей. А поглощение ультразвука ведет к их локальному нагреванию. Вместе с тем в биологических средах происходят определенные физико-химические превращения. Эти явления в случае умеренной необратимых повреждений не вызывают. Они только улучшают обмен веществ, а значит и способствуют жизнедеятельности подверженного им организма. Такие явления применяются в УЗ-вой терапии.

Ультразвук в хирургии

Кавитация и сильное нагревание при больших интенсивностях приводят к разрушению тканей. Данный эффект применяется сегодня в хирургии. Фокусный ультразвук используют для хирургических операций, что позволяет осуществлять локальные разрушения в самых глубинных структурах (к примеру, мозга), не повреждая при этом окружающие. В хирургии также используются ультразвуковые инструменты, в которых рабочий конец имеет вид пилки, скальпеля, иглы. Колебания, накладываемые на них, придают новые качества этим приборам. Требуемое усилие значительно снижается, следовательно, уменьшается травматизм операции. К тому же проявляется обезболивающий и кровоостанавливающий эффект. Воздействие тупым инструментом с применением ультразвука используется для разрушения появившихся в организме некоторых видов новообразований.

Воздействие на биологические ткани осуществляется для разрушения микроорганизмов и используется в процессах стерилизации лекарственных средств и медицинских инструментов.

Исследование внутренних органов

В основном речь идет об исследовании брюшной полости. Для этой цели используется специальный может применяться для нахождения и распознавания различных аномалий тканей и анатомических структур. Задача зачастую такова: существует подозрение на наличие злокачественного образования и требуется отличить его от образования доброкачественного или инфекционного.

Ультразвук полезен при исследовании печени и для решения других задач, к которым относится обнаружение непроходимости и заболеваний желчных протоков, а также исследование желчного пузыря для выявления наличия в нем камней и других патологий. Кроме того, может применяться исследование цирроза и других диффузных доброкачественных заболеваний печени.

В области гинекологии, главным образом при анализе яичников и матки, применение ультразвука является в течение длительного времени главным направлением, в котором оно осуществляется особенно успешно. Зачастую здесь также нужна дифференциация доброкачественных и злокачественных образований, что требует обычно наилучшего контрастного и пространственного разрешения. Подобные заключения могут быть полезны и при исследовании множества других внутренних органов.

Применение ультразвука в стоматологии

Ультразвук также нашел свое применение и в стоматологии, где он используется для удаления зубного камня. Он позволяет быстро, бескровно и безболезненно снять налет и камень. При этом слизистая полость рта не травмируется, а "карманы" полости обеззараживаются. Вместо боли пациент испытывает ощущение теплоты.

Ультразвуком называют упругие волны (волны, распространяющиеся в жидких, твёрдых и газообразных средах за счёт действия упругих сил), частота которых лежит за пределами слышимого для человека диапазона - приблизительно от 20 кГц и выше.

Полезные особенности ультразвуковых волн

И хотя физически ультразвук имеет ту же природу, что и слышимый звук, отличаясь лишь условно (более высокой частотой), именно благодаря более высокой частоте ультразвук оказывается применим по ряду полезных направлений. Так, при измерении скорости ультразвука в твердом, жидком или газообразном веществе, получают очень незначительные погрешности при мониторинге быстропротекающих процессов, при определении удельной теплоемкости (газа), при измерении упругих постоянных твердых тел.

Высокая частота при малых амплитудах дает возможность достигать повышенных плотностей потоков энергии, ибо энергия упругой волны пропорциональна квадрату ее частоты. Кроме того ультразвуковые волны, используемые правильным образом позволяют получить ряд совершенно особенных акустических эффектов и явлений.

Одно из таких необычных явлений - акустическая кавитация, возникающая при направлении мощной ультразвуковой волны в жидкость. В жидкости, в поле действия ультразвука, крохотные пузырьки пара или газа (субмикроскопического размера) начинают расти до долей миллиметров в диаметре, при этом пульсируя с частотой волны и схлопываясь в положительной фазе давления.

Захлопывающийся пузырек порождает локально высокий импульс давления, измеряемый тысячами атмосфер, становясь источником ударных сферических волн. Акустические микропотоки, образующиеся возле таких пульсирующих пузырьков, возымели полезное применение для получения эмульсий, очистки деталей и т. д.

Фокусируя ультразвук, получают звуковые изображения в акустической голографии и в системах звуковидения, концентрируют звуковую энергию с целью формирования направленных излучений с заданными и управляемыми характеристиками направленности.

Используя ультразвуковую волну в качестве дифракционной решетки для света, можно для тех или иных целей изменять показатели преломления света, поскольку плотность в ультразвуковой волне, как и в упругой волне в принципе, периодически изменяется.

Наконец, особенности, связанные со скоростью распространения ультразвука. В неорганических средах ультразвук распространяется со скоростью, зависящей от упругости и плотности сред.

Что касается сред органических, то здесь на скорость влияют границы и их характер, то есть фазовая скорость зависит от частоты (дисперсия). Ультразвук затухает с удалением фронта волны от источника - фронт расходится, ультразвук рассеивается, поглощается.

Внутреннее трение среды (сдвиговая вязкость) приводит к классическому поглощению ультразвука, кроме того релаксационное поглощение для ультразвука превосходит классическое. В газе ультразвук затухает сильнее, в твердых и в жидких телах - гораздо слабее. В воде, например, затухает в 1000 раз медленнее чем в воздухе. Так, промышленные области применения ультразвука почти целиком связаны с твердыми и жидкими телами.

Ультразвук в эхолокации и гидролокации (пищевая, оборонная, добывающая промышленности)

Первый прообраз гидролокатора был создан для предотвращения столкновений судов со льдинами и айсбергами, русским инженером Шиловским вместе с французским физиком Ланжевеном в далеком 1912 году.

Прибор использовал принцип отражения и приема звуковой волны. Сигнал направлялся в определенную точку, а по задержке ответного сигнала (эхо), зная скорость звука, можно было судить о расстоянии до отразившего звук препятствия.

Шиловский и Ланжевен стали глубоко исследовать гидроакустику, и вскоре создали прибор, способный обнаруживать вражеские подводные лодки в Средиземном море на расстоянии до 2 километров. Все современные гидролокаторы, в том числе военные, - потомки того самого прибора.

Современные эхолоты для исследования рельефа дна состоят из четырех блоков: передатчика, приемника, преобразователя и экрана. Функция передатчика - отправлять вглубь воды ультразвуковые импульсы (50 кГц, 192 кГц или 200 кГц), которые распространяются в воде со скоростью 1,5 км/с, где отражаются от рыб, камней, других предметов и дна, затем эхо достигает приемника, обрабатывается преобразователем и результат отображается на дисплее в удобной для зрительного восприятия форме.

Ультразвук в электронной и электроэнергетической промышленности

Без ультразвука не обходятся многие области современной физики. Физика твердого тела и полупроводников, а также акустоэлектроника, во многом тесно сопряжены с ультразвуковыми методами исследований, - с воздействиями на частоте от 20 кГц и выше. Особенное место занимает здесь акустоэлектроника, где ультразвуковые волны взаимодействуют с электрическими полями и электронами внутри твердых тел.

Объемные ультразвуковые волны используются на линиях задержки и в кварцевых резонаторах с целью стабилизации частоты в современных радиоэлектронных системах обработки и передачи информации. Поверхностные акустические волны занимают особое место в полосовых фильтрах для телевидения, в синтезаторах частот, в устройствах переноса заряда акустической волной, в устройствах памяти и считывания изображений. Наконец, корреляторы и конвольверы - используют в своей работе поперечный акустоэлектрический эффект.

Радиоэлектроника и ультразвук

Для задержки одного электрического сигнала относительно другого полезны ультразвуковые линии задержки. Электрический импульс преобразуется в импульсное механическое колебание ультразвуковой частоты, которое распространяется многократно медленнее электромагнитного импульса; затем механическое колебание обратно преобразуется в электрический импульс, и получается сигнал, задержанный относительно подаваемого изначально.

Для такого преобразования обычно применяют пьезоэлектрические или магнитострикционные преобразователи, поэтому и линии задержки называются пьезоэлектрическими или магнитострикционными.

В пьезоэлектрической линии задержки электрический сигнал подается на кварцевую пластинку (пьезоэлектрический преобразователь), соединенную жестко с металлическим стрежнем.

К другому концу стержня присоединен второй пьезоэлектрический преобразователь. Входной преобразователь принимает сигнал, создает механические колебания, распространяющиеся по стрежню, и когда колебания достигают через стержень второго преобразователя, вновь получается электрический сигнал.

Скорость распространения колебаний по стержню сильно меньше чем просто у электрического сигнала, поэтому сигнал, прошедший через стержень задерживается относительно подаваемого на величину, связанную с разностью скоростей электромагнитных и ультразвуковых колебаний.

Магнитострикционная линия задержки сдержит входной преобразователь, магниты, звукопровод, выходной преобразователь и поглотители. Входной сигнал подается на первую катушку, в стержневом звукопроводе из магнитострикционного материала начинаются колебания ультразвуковой частоты - механические колебания - магнит создает здесь постоянное подмагничивание в зоне преобразования и начальную магнитную индукцию.

Ультразвук в обрабатывающей промышленности (резка и сварка)

Между источником ультразвука и деталью располагают абразивный материал (кварцевый песок, алмаз, камень и т. д.). Ультразвук действует на частицы абразива, которые в свою очередь с частотой ультразвука ударяют о деталь. Материал детали под воздействием огромного количества крохотных ударов абразивных зерен разрушается, - так происходит обработка.

Резание складывается с движением подачи, при этом продольные колебания резания являются основными. Точность ультразвуковой обработки зависит от зернистости абразива, и достигает 1 мкм. Таким путем делают сложные вырезы, необходимые в изготовлении металлических деталей, шлифовке, гравировке и сверлении.

Если необходимо сварить разнородные металлы (или даже полимеры) или толстую деталь объединить с тонкой пластиной - на помощь опять же приходит ультразвук. Это так называемая . Под действием ультразвука в области сварки металл становится очень пластичным, детали можно очень легко вращать во время соединения под любыми углами. И стоит отключить ультразвук - детали мгновенно соединятся, схватятся.

Особенно примечательно, что сварка происходит при температуре ниже температуры плавления деталей, и соединение их происходит фактически в твердом состоянии. Но так сваривают и стали, и титан, и даже молибден. Тонкие листы свариваются проще всего. Данный метод сварки не предполагает особой подготовки поверхности деталей, это касается и металлов и полимеров.

Ультразвук в металлургии (ультразвуковая дефектоскопия)

Ультразвуковая дефектоскопия является одним из эффективнейших методов контроля качества металлических деталей без разрушения. В однородных средах ультразвук распространяется без быстрых затуханий направленно, и на границе сред ему свойственно отражение. Так металлические детали проверяют на наличие внутри них раковин и трещин (граница сред воздух-металл), выявляют повышенную усталость металла.

Ультразвук способен проникнуть в деталь на глубину до 10 метров, причем размеры выявляемых дефектов имеют порядок 5 мм. Существуют: теневой, импульсный, резонансный, структурного анализа, визуализации, - пять методов ультразвуковой дефектоскопии.

Простейший метод - теневая ультразвуковая дефектоскопия, данный метод строится на ослаблении ультразвуковой волны, когда она наталкивается на дефект при прохождении сквозь деталь, поскольку дефект создает ультразвуковую тень. Работают два преобразователя: первый излучает волну, второй - принимает.

Данный метод малочувствителен, дефект обнаруживается лишь в случае, если его влияние изменяет сигнал минимум на 15%, к тому же нельзя определить глубину, где в детали находится дефект. Более точные результаты дает импульсный ультразвуковой метод, он показывает еще и глубину.

C развитием акустики в конце XIX века был обнаружен ультразвук, тогда же начались первые исследования ультразвука, но основы его применения были заложены только в первой трети XX-века.

Ультразвук и его свойства

В природе ультразвук встречается в качестве компонента многих естественных шумов: в шуме ветра, водопада, дождя, морской гальки, перекатываемой прибоем, в грозовых разрядах. Многие млекопитающие, например кошки и собаки, обладают способностью восприятия ультразвука частотой до 100 кГц, а локационные способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем хорошо известны.

Ультразвук - механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.

Основными параметрами волны являются длина волны, частота и период. Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но, у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике. Вот основные из них:

• 1. Малая длина волны. Для самого низкого ультразвукового диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя ультразвук распространяется в виде пучков по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, ультразвуковой пучок ведёт себя как световой луч, испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет формировать звуковые изображения в оптически непрозрачных средах, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.).
• 2. Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.

Возможность получения высоких значений энергии колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.

В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения. Поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические эффекты: физические, химические, биологические и медицинские. Такие как кавитация, звукокапиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.

Потребности морского флота ведущих держав - Англии и Франции, для исследования морских глубин, вызвали интерес многих ученых в области акустики, т.к. это единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. Так в 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола, давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.

Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Фрэнсис Гальтон. Ультразвук создавался подобно свисту на острие ножа, если на него дуть. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух или другой газ, выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на кромку, и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.

В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо "пьезоэлектричество" от греческого слова, означающего "нажать". Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

Гибель «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы с новым оружием - подводными лодками требовали быстрого развития ультразвуковой гидроакустики. В 1914 году, французский физик Поль Ланжевен совместно с талантливым русским учёным-эмигрантом - Константином Васильевичем Шиловским впервые разработали гидролокатор, состоящий из излучателя ультразвука и гидрофона - приёмника УЗ колебаний, основанный на пьезоэффекте. Гидролокатор Ланжевена - Шиловского, был первым ультразвуковым устройством , применявшимся на практике. Тогда же российский ученый С.Я.Соколов разработал основы ультразвуковой дефектоскопии в промышленности. В 1937 году немецкий врач-психиатр Карл Дуссик, вместе с братом Фридрихом, физиком, впервые применили ультразвук для обнаружения опухолей головного мозга, но результаты, полученные ими, оказались недостоверными. В медицинской практике ультразвук впервые стал применяться только с 50-х годов XX-го века в США.

Применение ультразвука в промышленности

Ультразвуковыми называют упругие механические ко­лебания с частотой выше 20 кГц, которые не восприни­маются человеческим ухом. Наиболее короткие ультразвуковые волны имеют длину порядка длин волн видимого света. Ультразвуковые волны, так же как и све­товые, отражаются от препятствий, их можно фокусиро­вать и т. п.

При распространении ультразвуковых колебаний в жидкой среде в последней возникают чередующиеся сжатия и растяжения с частотой проходящих колебаний; в момент растяжения происходят местные разрывы жид­кости и образуются полости (пузырьки), заполняющиеся парами жидкости и растворенными в ней газами. В мо­мент сжатия пузырьки захлопываются, что сопрово­ждается сильными гидравлическими ударами. Это явле­ние называется кавитацией. Местные ударные давле­ния при этом часто превышают 980 МПа.

Используемые в промышленности источники ультра­звука могут быть разделены на две группы: механиче­ские и электромеханические.

Из механических источников ультразвука наибольшее применение получили динамические (сирены) и статиче­ские (свистковые). Сирены имеют статор с отверстиями и ротор из перфорированного диска. При подаче в кор­пус сирены пара, газа или сжатого воздуха ротор вра­щается, периодически закрывая и открывая отверстия статора, создавая механические колебания. Сирены ши­роко применяют, например, для осаждения тумана сер­ной кислоты и мелкодисперсной сажи в процессе их производства.

Из статических источников ультразвука (генераторов) наиболее известен свисток Гартмана, в котором зву­ковые колебания возникают при ударе струи газа, движу­щейся со сверхзвуковой скоростью из сопла в цилиндри­ческий резонатор.

Из электромеханических источников наибольшее при­менение получили магнитострикционные и пьезокерамические преобразователи.

Основной частью магнитострикционного преобразова­теля служит так называемый двигатель из ферромагнит­ного материала, обладающий способностью изменять свои размеры в магнитном поле. Например, стержень из никеля, помещенный в магнитное поле, укорачивается, а стержень из железокобальтового сплава (пермендюра) - удлиняется.

Пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при растяжении и сжатии в определенных направлениях некоторых кристаллов, например кварца, на их поверхности возникают электрические заряды (прямой пьезоэффект).

Если к такой кварцевой пластинке подвести электри­ческий заряд, то она изменит свои размеры (обратный пьезоэффект). При действии на пластинку переменного электрического поля она будет сжиматься или разжи­маться синхронно с изменением приложенного напряже­ния. Прямой пьезоэлектрический эффект используется в приемниках ультразвуковых колебаний, где последние преобразуются в переменный ток.

Обратный пьезоэффект используется при изготовле­нии излучателей ультразвуковых колебаний, которые преобразуют электрические колебания в механические, главным образом, более высоких частот по сравнению с магнитострикционными.

В последние годы широкое распространение получили вибраторы из пьезокерамики, обладающие более высо­ким пьезоэффектом, чем природный кварц.

Одним из основных технологических применений уль­тразвука является интенсификация многих техно­логических процессов.

Ультразвуковые колебания применяются при ускоре­нии таких процессов, как полимеризация (например, уль­тразвуковая обработка эмульсии при изготовлении ис­кусственного каучука).

Значительно ускоряет ультразвук кристаллизацию различных веществ из пересыщенных растворов (вин­ной кислоты, фтористого алюминия и др.).

С помощью ультразвука можно ускорить и растворе­ние твердых веществ в жидкости. Например, продолжи­тельность растворения вискозы в процессе изготовления химических волокон при применении ультразвука сокра­щается с 7 до 3 ч.

Ультразвук позволяет ускорить экстракционные про­цессы, например получать рыбий жир из рыбьей печени без значительного повышения температуры, что позво­ляет сохранить в нем все ценные витамины.

В химических процессах ультразвук применяют для очистки деталей (подшипников, электрических контак­тов и др.) и сборочных единиц от загрязнений.

Качество ультразвуковой очистки несравнимо с дру­гими способами. Например, при очистке деталей в раз­личных органических растворителях на их поверхности остается до 80% загрязнений, при вибрационной очист­ке - около 55 %, а при ультразвуковой - не более 0,5 %.

Ультразвуковые методы в большинстве случаев обеспе­чивают полную очистку деталей от технических загрязне­ний.

Ультразвуковая очистка производится в органических растворителях или водных растворах моющих веществ.

В последние годы преимущественное распространение получают водные растворы моющих веществ благодаря их негорючести и отсутствию токсичных компонентов, низкой стоимости, способности удерживать загрязнения во взвешенном состоянии без повторного осаждения их на очищаемую поверхность. В качестве водных моющих растворов применяются растворы щелочей и щелочных солей с добавками поверхностно-активных веществ. При очистке в таких растворах происходит одновременно эмульгирование и омыление загрязнений.

Продолжительность ультразвуковой очистки зависит от характера загрязнений и моющих растворов и не пре­вышает 10-15 мин.

Пайка некоторых металлов и сплавов, например алю­миния, нержавеющих сталей и др., обычными способами затруднена из-за наличия на их поверхностях прочной, трудноудаляемой оксидной пленки. Введение ультразву­ковых колебаний в расплавленный припой приводит к разрушению пленки и облегчает смачивание припоем поверхности, подлежащей пайке или лужению, облегчает и ускоряет процесс пайки, повышает качество паяных со­единений. Внедрение ультразвука при пайке алюминия уменьшает трудоемкость процесса на 20 - 30%. С по­мощью ультразвука можно облуживать изделия из кера­мики.

Сущность ультразвуковой размерной об­работки заключается в том, что между инструментом, соединенным с излучателем, и заготовкой вводится абра­зивный материал, который воздействует на обрабатывае­мую поверхность. В качестве абразивных зерен приме­няют алмаз, корунд, наждак, кварцевый песок, карбид бора, карбид кремния и др.

Ультразвуком можно обрабатывать как хрупкие ма­териалы (стекло, керамику, кварц, кремний, германий и др.), так и жаропрочные твердые (закаленные и азоти­рованные стали, твердые сплавы), применяемые, в част­ности, для изготовления металлорежущего инстру­мента.

Ультразвуковая обработка может производиться сво­бодно направленным абразивом, например при декоративном шлифовании и для снятия заусенцев у мелких деталей.

Размерная обработка инструментом обеспечивает вы­сокую точность, позволяет получать сквозные и глухие отверстия, вырезы, осуществлять шлифование, клейме­ние, гравирование и другие операции.

Наряду с преимуществами ультразвуковой метод имеет и недостатки: сравнительно небольшая площадь и глубина обработки, большая энергоемкость, невысокая производительность процесса и большой износ инстру­мента.

Электроэрозионная обработка

Электроэрозионные методы обработки применимы для всех токопроводящих материалов. Эти методы осно­ваны на явлении эрозии (разрушения) поверхности токо­проводящих электродов от разрядов при пропускании между ними импульсного электрического тока.

Разрушение материала происходит из-за его локаль­ного оплавления и выброса расплавленного материала в виде парожидкостной смеси.

Все виды электроэрозионной обработки осущест­вляются в жидкостной среде - керосине, нефтяном мас­ле, дистиллированной воде.

При прохождении искрового разряда в жидкости на­чинается бурное газообразование, в результате чего жид­кость как бы взрывается, что способствует удалению продуктов эрозии из рабочей зоны. Кроме того, рабочая жидкость препятствует окислению поверхности обра­батываемого материала.

Основными разновидностями электроэрозионных ме­тодов являются электроискровая и анодно-механическая обработка.

Электроискровая обработка широко при­меняется в инструментальном производстве при изготов­лении штампов, литейных форм и прессформ, а также в основном производстве при размерной обработке заго­товок деталей сложных профилей из труднообрабаты­ваемых электропроводящих материалов. С ее помощью можно получать сквозные и глухие отверстия различной конфигурации, криволинейные щели и пазы, вырезать сложный контур, клеймить детали, удалять из заготовок сломанный инструмент и т. п.

Принципиальная схема установки приведена на рис. 18.57, а. Источник питания - генератор 3 однополярных импульсов заряжает конденсатор 5 до напряжения про­боя в промежутке между электродом-инструментом 2 и обрабатываемой заготовкой 1. При пробое энергия, на­копленная конденсатором 5, мгновенно выделяется в ви­де разряда.

Из-за малой длительности разряда заготовка и рабо­чий электрод практически не нагреваются, хотя основная часть накопленной энергии превращается в теплоту, иду­щую на плавление и испарение обрабатываемого мате­риала.

Под действием многочисленных разрядов в обра­батываемом материале образуется выемка, представляю­щая собой отпечаток торца электрода-инструмента. Станки для электроискровой обработки снабжены про­граммно-управляющими устройствами, которые обеспе­чивают постоянный зазор между заготовкой и инстру­ментом, продольное перемещение инструмента и регули­рование подачи. Производительность процесса зависит от частоты следования импульсов, энергии разряда, свойств обрабатываемого материала, материала и формы электрода-инструмента. При оптимальных ре­жимах обработки, устанавливаемых с помощью перемен­ного сопротивления 4, конфигурация детали обеспечи­вается с погрешностью ± 0,005 мм.

Обработку профильным электродом применяют для получения сквозных и глухих отверстий с различной фор­мой поперечного сечения.

В настоящее время наибольшее применение получил метод электроискровой обработки непрофилированным электродом-проволокой. При этом (рис. 18.57,6) электрод-проволока 2 диаметром 0,02 - 0,5 мм (в зависимости от требуемой точности обработки) перематывается с опре­деленной скоростью с подающей катушки 4 на приемную катушку 1 , воспроизводя любой заданный контур. При вырезании замкнутого контура в заготовке 3 предусма­тривается технологическое отверстие.

Анодно-механическая обработка (рис. 18.57, в) осуществляется при включении обрабатываемой заготовки 1 в цепь постоянного тока в качестве анода, а рабочего инструмента - диска 2 в качестве катода. В зазор подается рабочая жидкость (раствор жидкого стекла при черновой обработке или раствор хлористого или сернокислого натрия при доводке). При анодно-меха-нической обработке металл заготовки подвергается анод­ному (электрохимическому) растворению, а также ло­кальному плавлению от воздействия разрядов, как при электроискровой обработке, и механическому воздей­ствию инструмента, который снимает оксидную пленку и расплавленный металл.

Производительность процесса в 2 - 3 раза выше, чем при обычной механической обработке. Этот метод при­меняют для шлифования, хонингования цилиндрических отверстий, полирования, резки. Анодно-механическую обработку можно совмещать с абразивной обработкой, используя при этом в качестве инструмента электропро­водящий абразивный диск или добавляя абразив в рабо­чую жидкость.

Процесс электроискрового упрочнения применяют для упрочнения поверхностей различных ме­таллов и сплавов, чаще всего штамповой оснастки. В от­личие от размерной электроискровой обработки здесь анодом является электрод-инструмент, материал с по­верхности которого переносится на обрабатываемую заготовку - катод.

Сущность метода заключается в том, что при сближе­нии инструмента с деталью между ними возникает ис­кровой электрический разряд, который оплавляет мате­риал анода. На первой стадии капля расплавленного металла разогревается до высокой температуры, заки­пает и металл анода в виде мелких частиц устремляется к катоду. Достигнув катода, расплавленные частицы сва­риваются с ним. На следующей стадии через раска­ленный участок катода проходит второй импульс тока, Этот импульс сопровождается механическим ударом анода о катод, при котором происходит сварка металла анода с поверхностью катода, сопровождаемая химиче­скими реакциями, диффузионными процессами и явле­ниями, характерными при ковке.

В качестве материала анода для упрочнения режущего инструмента (резцов, фрез, сверл, ножей и др.) исполь­зуют твердые сплавы различных марок, феррохром и графит. Расход этих материалов невелик.

Главная » Английский алфавит » Ультразвук и его применение в технике. Резка металла с помощью ультразвука