Ультразвук - это звуковые волны, которые имеют частоту выше воспринимаемых человеческим ухом. Обычно ультразвуковым диапазоном считают частоты выше 20 000 герц. Ультразвук обладает особыми свойствами, такими как отражение, преломление, поглощение, рассеяние и интерференция.
Ультразвук широко применяется в различных сферах жизни, включая медицину, промышленность, науку и искусство.
Некоторые источники ультразвука - это свисток Гальтона, жидкостный ультразвуковой свисток, сирена, пьезокерамический преобразователь и другие. Некоторые животные, такие как киты, дельфины, летучие мыши и долгопяты, способны излучать и воспринимать ультразвук для общения, ориентации и поиска добычи.
Ультразвук играет ключевую роль в современной промышленности. Отличаясь от слышимого звука только более высокой частотой, ультразвук обладает уникальными свойствами, которые делают его незаменимым во многих технологических процессах. В этой статье мы рассмотрим, как ультразвук используется в промышленности.
Что такое ультразвук
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.
Первоначально ультразвуковые и слышимые звуки различали лишь по признаку восприятия или невосприятия человеческим ухом. Однако порог слышимости у различных людей колеблется от 7 до 25 кГц, причем установлен факт восприятия человеком ультразвука частотой 30 — 40 кГц через механизм костной проводимости. Поэтому нижняя частотная граница ультразвука принята условно.
Верхняя частотная граница ультразвука простирается до частот 1013 — 1014 Гц, т. е. до частот, при которых длина волны делается сравнимой с межмолекулярными расстояниями в твердых телах и жидкостях. В газах эта граница лежит ниже и определяется длиной свободного пробега молекулы.
Полезные особенности ультразвуковых волн
Ультразвуковые волны имеют много полезных особенностей, которые позволяют их использовать в разных областях. Некоторые из них:
- Ультразвуковые волны могут проникать в тела и отражаться от границ разных сред. Это позволяет создавать изображения внутренних органов, тканей и структур с помощью ультразвуковой диагностики.
- Ультразвуковые волны могут воздействовать на молекулы и атомы, вызывая их колебания, ротацию и переходы между энергетическими уровнями. Это позволяет проводить химические реакции, изменять свойства материалов и изучать их структуру с помощью ультразвуковой спектроскопии.
- Ультразвуковые волны могут создавать в жидкостях и газах кавитационные пузырьки, которые при сжатии и расширении выделяют большое количество тепла и света. Это позволяет очищать поверхности от загрязнений, разрушать твердые тела и ускорять химические процессы с помощью ультразвуковой кавитации.
- Ультразвуковые волны могут распространяться на большие расстояния в воде и воздухе, не теряя много энергии. Это позволяет передавать информацию, измерять скорость и направление потока, определять расстояние и положение объектов с помощью ультразвуковой связи, расходометрии и эхолокации.
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.
Использование ультразвука
Использование ультразвука развивается в направлениях:
- ультразвуковой технологии, позволяющей производить необратимые воздействия на вещество и на ход физико-химических процессов посредством ультразвука интенсивностью от единиц вт/см2 до сотен тысяч вт/см2;
- ультразвукового контроля, основанного на зависимости поглощения и скорости ультразвука от состояния среды, через которую происходит его распространение;
- ультразвуковых методов локации, линии задержки сигналов, медицинской диагностики и др., основанных на способности ультразвуковых колебаний высших частот распространяться прямолинейными пучками (лучами), следовать законам геометрической акустики, и вместе с тем распространяться с относительно небольшой скоростью.
Особую роль играет ультразвук в изучении строения и свойств вещества, т. к. при их помощи сравнительно просто поддаются определению самые разнообразные характеристики материальных сред, как, например, упругие и вязко-эластические константы, термодинамические характеристики, формы поверхностей Ферми, дислокации, несовершенства кристаллической решетки и др. Соответствующий раздел учения об ультразвуке получил название молекулярной акустики.
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.
В стержне колебания распространяются со скоростью 5000 м/с, и например на длине стержня в 40 см задержка составит 80 мкс. Поглотители с двух концов стрежня предотвращают паразитные отражения сигнала. Магнитострикционные возмущения вызовут изменение индукции и во второй катушке (выходного преобразователя) ЭДС.
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 холодная ультразвуковая сварка. 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.
Для обнаружения в металле при сварке дефектов плоскостного типа (трещины, непровары, несплавления) применяют ультразвуковой контроль. Этот метод весьма эффективен для мелкозернистых сталей.
Ультразвук в металлургии (ультразвуковая дефектоскопия)
Ультразвуковая дефектоскопия — дефектоскопия, основанная на изменении условий распространения упругих, главным образом ультразвуковых колебаний.
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.
Для излучения и приема упругих колебаний применяются пьезоэлектрические преобразователи, а в диапазоне звуковых и низких ультразвуковых частот — магнитострикционные преобразователи.
Используются следующие способы передачи упругих колебаний от преобразователя в контролируемое изделие и обратно:
- бесконтактный;
- сухой контактный (преимущественно для низких частот);
- контактный со смазкой (перед контролем на чисто обработанную поверхность изделия наносится слой масла или воды толщиной много менее длины упругой волны);
- струйный контактный (через струю жидкости, протекающую в небольшом зазоре между пьезоэлементом и поверхностью изделия);
- иммерсионный (контролируемое изделие погружается в ванну и контакт осуществляется через слой жидкости, толщина которого должна быть не менее 1/4 толщины изделия).
Преимуществом иммерсионного, струйного и бесконтактного способов является отсутствие износа искательных головок и возможность использования более высоких скоростей сканирования, а также возможность автоматизации контроля.
Главное:
Ультразвук - это упругие волны с частотой выше 20 кГц, которые не слышны человеческому уху. Нижняя граница ультразвука принята условно, так как порог слышимости у людей различается.
Акустическая кавитация - это явление возникает, когда мощная ультразвуковая волна направляется в жидкость, вызывая рост и схлопывание микроскопических пузырьков, что приводит к местному высокому давлению и может использоваться для очистки или создания эмульсий.
Применение ультразвука: Ультразвук используется для точного измерения скорости в различных средах, определения удельной теплоемкости газов и упругих постоянных твердых тел. Ультразвук применяется в медицинской диагностике, очистке, резке и сварке, дефектоскопии, акустоэлектронике и других областях, где он взаимодействует с электрическими полями и электронами в твердых телах.
Смотрите также:
Установки для ультразвуковой очистки деталей
Ультразвуковые датчики для систем автоматизации
Датчики и измерительные приборы для определения состава и свойств веществ
Андрей Повный