Джерела і приймачі ультразвуку

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

ультразвук електроакустичний випромінювач

Вступ

Розділ 1. Ультразвук

1.1 Ультразвук як пружні хвилі

1.2 Джерела і приймачі ультразвуку

1.3 Механічні випромінювачі

1.4 Електроакустичні перетворювачі

1.5 Приймачі ультразвуку

Розділ 2. Застосування ультразвуку

2.1 Ультразвукове очищення

2.2 Механічна обробка надтвердих і крихких матеріалів

2.3 Ультразвукове зварювання

2.4 Ультразвукова пайка і лудіння

2.5 Прискорення виробничих процесів за допомогою ультразвуку

2.6 Ультразвукова дефектоскопія

2.7 Ультразвук в радіоелектроніці

2.8 Ультразвук в медицині

Загальні висновки

Література

Вступ

Двадцять перше століття - століття атома, підкорення космос, радіоелектроніки та ультразвуку. Наука про ультразвук порівняно молода. Перші лабораторні роботи з дослідження ультразвуку були проведені великим російським ученим-фізиком П.Н. Лебедєвим наприкінці XIX, а потім ультразвуком займалися багато видатних вчених.

Ультразвук являє собою хвилеподібно розповсюджується коливальний рух частинок середовища. Ультразвук має деякі особливості порівняно зі звуками чутного діапазону. В ультразвуковому діапазоні порівняно легко отримати направлене випромінювання; він добре піддається фокусуванні, в результаті чого підвищується інтенсивність ультразвукових коливань. При поширенні в газах, рідинах і твердих тілах ультразвук породжує цікаві явища, багато з яких знайшли практичне застосування в різних областях науки і техніки.

В останні роки ультразвук починає грати все більшу роль в наукових дослідженнях. Успішно проведені теоретичні та експериментальні дослідження в галузі ультразвукової кавітації і акустичних течій, що дозволили розробити нові технологічні процеси, що протікають при впливі ультразвуку в рідкій фазі. В даний час формується новий напрям хімії - ультразвукова хімія, що дозволяє прискорити багато хіміко-технологічні процеси. Наукові дослідження сприяли зародженню нового розділу акустики - молекулярної акустики , що вивчає молекулярне взаємодія звукових хвиль з речовиною. Виникли нові області застосування ультразвуку: інтроскопія, голографія, квантова акустика, ультразвукова фазомерія, акустоелектроніка.

Поряд з теоретичними та експериментальними дослідженнями в області ультразвуку виконано багато практичних робіт. Розроблено універсальні і спеціальні ультразвукові верстати, установки, що працюють під підвищеним статичним тиском, ультразвукові механізовані установки для очищення деталей, генератори з підвищеною частотою і новою системою охолодження, перетворювачі з рівномірно розподіленим полем. Створені та впроваджені у виробництво автоматичні ультразвукові установки, які включаються в потокові лінії, що дозволяють значно підвищити продуктивність праці.

Розділ 1. Ультразвук

Ультразвук (УЗ) - пружні коливання і хвилі, частота яких перевищує 15-20 кГц. Нижня межа області УЗ-вих частот, що відокремлює її від області чутного звуку, визначається суб'єктивними властивостями людського слуху і є умовною, оскільки верхня межа слухового сприйняття у кожної людини своя. Верхня межа УЗ-вих частот обумовлена фізичною природою пружних хвиль, які можуть поширюватися лише в матеріальному середовищі, тобто за умови, що довжина хвилі значно більше довжини вільного пробігу молекул в газі або міжатомних відстаней в рідинах і твердих тілах. У газах при нормальному тиску верхня межа частот УЗ складає 109 Гц, в рідинах і твердих тілах гранична частота досягає 1012-1013 Гц. Залежно від довжини хвилі і частоти УЗ володіє різними специфічними особливостями випромінювання, прийому, поширення і застосування, тому область УЗ-вих частот поділяють на три області:

* низькі УЗ-ві частоти (1,5*104-105 Гц);

* середні (105-107 Гц);

* високі (107-109 Гц).

Пружні хвилі з частотами 109-1013 Гц прийнято називати гіперзвуком.

1.1 Ультразвук як пружні хвилі

УЗ-ві хвилі (нечутний звук) за своєю природою не відрізняються від пружних хвиль чутного діапазон. У газах і рідинах поширюються тільки поздовжні хвилі, а у твердих тілах - поздовжні і зсувні.

Поширення ультразвуку підкоряється основним законам, спільними для акустичних хвиль будь-якого діапазону частот. До основних законів поширення відносяться закони відображення звуку і заломлення звуку на кордонах різних середовищ, дифракції звуку і розсіювання звуку при наявності перешкод і неоднорідностей в середовищі і нерівностей на кордонах, закони хвильового поширення в обмежених ділянках середовища. Істотну роль при цьому відіграє співвідношення між довжиною хвилі звуку л і геометричним розміром D-розміром джерела звуку або перешкоди на шляху хвилі, розміром неоднорідностей середовища. При D>> л поширення звуку поблизу перешкод відбувається в основному за законами геометричної акустики (можна користуватися законами відбиття і заломлення). Ступінь відхилення від геометричної картини поширення і необхідність обліку дифракційних явищ визначаються параметром, де r-відстань від точки спостереження до об'єкта, що викликає дифракцію.

Швидкість поширення УЗ-вих хвиль в необмеженому середовищі визначається характеристиками пружності і щільністю середовища. В обмежених середовищах на швидкість поширення хвиль впливає наявність і характер кордонів, що призводить до частотної залежності швидкості (дисперсія швидкості звуку).

Зменшення амплітуди та інтенсивності УЗ-вої хвилі в міру її поширення в заданому напрямку, тобто загасання звуку, викликається, як і для хвиль будь-якої частоти, розбіжністю фронту хвилі з віддаленням від джерела, розсіюванням і поглинанням звук.

На всіх частотах як чутного, так і нечутні діапазонів має місце так зване «класичне» поглинання, викликане зсувною в'язкістю (внутрішнім тертям) середовища. Крім того, існує додаткове (релаксаційні) поглинання, часто істотно перевершує «класичне» поглинання.

При значній інтенсивності звукових хвиль з'являються нелінійні ефекти:

* порушується принцип суперпозиції і виникає взаємодія хвиль, що приводить до появи тонів;

* змінюється форма хвилі, її спектр збагачується вищими гармоніками і відповідно зростає поглинання;

* при досягненні деякого критичного значення інтенсивності УЗ в рідині виникає кавітація (див. нижче).

Критерієм застосовності законів лінійної акустики і можливості зневаги нелінійними ефектами є: М>> 1, де М= v/c, v - коливальна швидкість часток у хвилі, с - швидкість поширення хвилі. Параметр М називається «число Маха».

Специфічні особливості ультразвуку.

Хоча фізична природа УЗ і визначають його поширення основні закони ті ж, що і для звукових хвиль будь-якого діапазону частот, він володіє рядом специфічних особливостей. Ці особливості обумовлені відносно високими частотами УЗ.

Малість довжини хвилі визначає променевої характер поширення УЗ-вих хвиль. Поблизу випромінювача хвилі поширюються у вигляді пучків, поперечний розмір яких зберігається близьким до розміру випромінювача. Потрапляючи на великі перешкоди такий пучок (УЗ промінь) відчуває віддзеркалення і заломлення. При попаданні променя на малі перешкоди виникає розсіяна хвиля, що дозволяє виявляти в середовищі малі неоднорідності (порядку десятих і сотих часток мм.). Віддзеркалення і розсіювання УЗ на неоднорідностях середовища дозволяють формувати в оптично непрозорих середовищах звукові зображення предметів, використовуючи звукові фокусують системи, подібно до того, як це робиться за допомогою світлових променів.

Фокусування УЗ дозволяє не тільки отримувати звукові зображення (системи звуковведення та акустичної голографії), але і концентрувати звукову енергію. За допомогою УЗ-вих фокусуючих систем можна формувати задані характеристики спрямованості випромінювачів і керувати ними. Періодичне зміна показника заломлення світлових хвиль, пов'язане із зміною щільності в УЗ- хвилі, викликає дифракцію світла на ультразвуку, спостережувану на частотах УЗ мегагерцевого-гігагерцевого діапазону. УЗ хвилю при цьому можна розглядати як дифракційну решітку.

Найважливішим нелінійним ефектом в УЗ-вом поле є кавітація - виникнення в рідині маси пульсуючих бульбашок, заповнених пором, газом або їх сумішшю. Складний рух бульбашок, їх схлопування, злиття один з одним і т.д. породжують в рідині імпульси стиснення (мікроударні хвилі) і мікропотоки, викликають локальне нагрівання середовища, іонізацію. Ці ефекти впливають на речовину: відбувається руйнування знаходяться в рідині твердих тіл (кавітаційна ерозія), виникає перемішування рідини, ініціюються або прискорюються різні фізичні та хімічні процеси. Змінюючи умови протікання кавітації, можна підсилювати або послаблювати різні кавітаційні ефекти, наприклад із зростанням частоти УЗ збільшується роль мікропотоків і зменшується кавітаційна ерозія, із збільшенням тиску в рідині зростає роль мікроударних впливів. Збільшення частоти приводить до підвищення порогового значення інтенсивності, відповідної початку кавітації, яке залежить від роду рідини, її газозбереження, температури і т.д. . Для води при атмосферному тиску воно зазвичай становить 0,3-1,0 Вт/см². Кавітація - складний комплекс явищ. УЗ-ші хвилі, що поширюються в рідині, утворюють чергуються області високих і низьких тисків, що створюють зони високих стиснень і зони розріджень. У розрідженій зоні гідростатичний тиск знижується до такого ступеня, що сили, що діють на молекули рідини, стають більше сил міжмолекулярної зчеплення. У результаті різкої зміни гідростатичного рівноваги рідина «розривається», утворюючи численні дрібні бульбашки газів і парів. У наступний момент, коли в рідині настає період високого тиску, що утворилися раніше бульбашки схлопуются. Процес схлопування бульбашок супроводжується утворенням ударних хвиль з дуже великим місцевим миттєвим тиском, що досягає декількох сотень атмосфер.

1.2 Джерела й приймачі ультразвуку

У природі УЗ зустрічається як в якості компоненти багатьох природних шумів (в шумі вітру, водоспаду, дощу, в шумі гальки, перекочується морським прибоєм, в звуках, супроводжуючих грозові розряди, і т.д.), так і серед звуків тваринного світу. Деякі тварини користуються УЗ-вими хвилями для виявлення перешкод, орієнтування в просторі.

Випромінювачі ультразвуку можна поділити на дві великі групи. До першої належать випромінювачі-генератори; коливання в них порушуються через наявність перешкод на шляху постійного потоку-струменя газу або рідини. Друга група випромінювачів - електроакустичні перетворювачі: вони перетворюють вже задані коливання електричної напруги або струму в механічне коливання твердого тіла, яке і випромінює в навколишнє середовище акустичні хвилі.

1.3 Механічні випромінювачі

У випромінювачах першого типу (механічних) перетворення кінетичної енергії струменя (рідини або газу) в акустичну виникає в результаті періодичного переривання струменя (сирена), при потраплянні її на перешкоди різного виду (газоструйні генератори, свистки).

УЗ сирена - два диски з великою кількістю отворів, поміщені в камеру (рис. 1).

Рис. 1. Ультразвукова механічна сирена: 1 - корпус; 2 - нерухомий диск; 3 - обертовий диск

Вступник під великим тиском в камеру повітря виходить через отвори обох дисків. При обертанні диска-ротора (3) його отвори будуть збігатися з отворами нерухомого диска-статора (2) тільки в певні моменти часу. У результаті виникнуть пульсації повітря . Чим більше швидкість обертання ротора , тим більше частота пульсації повітря, яка визначається за формулою:

,

де N - число отворів, рівнорозподілених по колу ротора і статора; щ - кутова швидкість ротора.

Тиск в камері сирен звичайно становить від 0,1 до 5,0 кгс/см². Верхня межа частоти УЗ, випромінюваного сиренами не перевищує 40-50 кГц, однак відомі конструкції з верхньою межею 500 кГц. ККД генераторів не перевищує 60%. Так як джерелом випромінюваного сиреною звуку є імпульси газу, що випливає з отворів, частотний спектр сирен визначається формою цих імпульсів. Для отримання синусоїдальних коливань використовують сирени з круглими отворами, відстані між якими рівні їх діаметру. При отворах прямокутної форми, віддалених один від одного на ширину отвору, форма імпульсу трикутна. У разі застосування декількох роторів (що обертаються з різною швидкістю) з отворами розташованими нерівномірно і різної форми, можна отримати шумовий сигнал. Акустична потужність сирен може досягати десятків кВт . Якщо в полі випромінювання потужної сирени помістити вату, то вона запалиться, а сталеві стружки нагріваються до червоного.

Принцип дії УЗ генератора-свистка майже такий же, як і звичайного міліцейського свистка, але розміри його значно більше. Потік повітря з великою швидкістю розбивається об гострий край внутрішньої порожнини генератора, викликаючи коливання з частотою, що дорівнює власній частоті резонатора. За допомогою такого генератора можна створювати коливання з частотою до 100 Кгц при відносно невеликої потужності. Для отримання великих потужностей застосовують газоструминні генератори, у яких швидкість витікання газу вище. Рідинні генератори застосовують для випромінювання УЗ на рідину. У рідинних генераторах (рис.2) як резонансної системи служить двостороннє вістрі, в якому порушуються коливання.

Рис. 2. Принцип дії рідинного генератора

Струмінь рідини, виходячи з сопла з великою швидкістю, розбивається об гострий край пластинки, по обидві сторони якої виникають завихрення, що викликають зміни тиску з великою частотою.

Для роботи рідинного (гідродинамічного) генератора необхідно надлишковий тиск рідини 5 кг/см². частота коливань такого генератора визначається співвідношенням:

,

де v - швидкість рідини, яка витікає з сопла; d - відстань між вістрям і соплом.

Гідродинамічні випромінювачі в рідині дають відносно дешеву УЗ-ву енергію на частотах до 30-40 кГц при інтенсивності в безпосередній близькості від випромінювача до декількох Вт/см². Механічні випромінювачі використовуються в низькочастотному діапазоні УЗ і в діапазоні звукових хвиль. Вони відносно прості за конструкцією і в експлуатації, їх виготовлення не дорого, але вони не можуть створювати монохроматичне випромінювання і тим більше випромінювати сигнали строго заданої форми. Такі випромінювачі відрізняються нестабільністю частоти і амплітуди, однак при випромінюванні в газових середовищах вони мають відносно високу ефективність і потужність випромінювання: їх ккд становить від декількох до 50 %, потужність від декількох ватів до десятків кВт.

1.4 Електроакустичні перетворювачі

Випромінювачі другого типу грунтуються на різних фізичних ефектах електромеханічного перетворення. Як правило, вони лінійні, тобто відтворюють за формою збудливий електричний сигнал. У низькочастотному УЗ-вом діапазоні застосовуються електродинамічні випромінювачі та випромінювальні магнитострикционні перетворювачі і п'єзоелектричні перетворювачі. Найбільш широкого поширення набули випромінювачі магнітострикційного і п'єзоелектричного типів.

У 1847 р. Джоуль зауважив, що феромагнітні матеріали, вміщені в магнітне поле, змінюють свої розміри. Це явище назвали магнітострикційним ефектом. Якщо по обмотці, накладеної на феромагнітний стержень, пропустити змінний струм, то під впливом мінливого магнітного поля стрижень буде деформуватися. Нікелеві сердечники, у відмінності від залізних, в магнітному полі коротшають. При пропущенні змінного струму по обмотці випромінювача його стрижень деформується в одному напрямку при будь-якому напрямку магнітного поля. Тому частота механічних коливань буде вдвічі більше частоти змінного струму.

Щоб частота коливань випромінювача відповідала частоті збуджуючого струму, в обмотку випромінювача підводять постійна напруга поляризації. У поляризованого випромінювача збільшується амплітуда змінної магнітної індукції, що призводить до збільшення деформації сердечника і підвищенню потужності.

Магнітострикційний ефект використовується при виготовленні УЗ-вих магнітострикційних перетворювачів (рис. 3).

Рис. 3. Магнітострикційний перетворювач

Ці перетворювачі відрізняються великими відносними деформаціями, підвищеною механічною міцністю, малою чутливістю до температурних впливів. Магнітострикційні перетворювачі мають невеликі значення електричного опору, внаслідок чого для отримання великої потужності не вимагаються високі напруги.

Найчастіше застосовують перетворювачі з нікелю (висока стійкість проти корозії, низька ціна). Магнітострикційні сердечники можуть бути виготовлені і з феритів. У феритів високий питомий опір, в результаті чого втрати на вихрові струми в них мізерно малі. Однак ферит-крихкий матеріал, що викликає небезпеку їх перевантаження при великій потужності. ККД магнітострикційних перетворювачів при випромінюванні в рідину і тверде тіло складає 50-90%. Інтенсивність випромінювання досягає декількох десятків Вт/см².

У 1880 році брати Жак і П'єр Кюрі відкрили п'єзоелектричний ефект - якщо деформувати платівку кварцу, то на її гранях з'являються протилежні за знаком електричні заряди. Спостерігається і зворотне явище-якщо до електродів кварцовою платівки підвести електричний заряд, то її розміри зменшаться або збільшаться в залежності від полярності підводиться заряду. При зміні знаків прикладеної напруги кварцова пластинка буде те стискатися, то розтискати, тобто вона буде коливатися в такт із змінами знаків прикладеної напруги. Зміна товщини пластинки пропорційно прикладеній напрузі.

Принцип п'єзоелектричного ефекту використовується при виготовленні випромінювачів УЗ-вих коливань, які перетворюють електричні коливання в механічні. В якості п'єзоелектричних матеріалів застосовують кварц, титанат барію, фосфат амонію.

ККД п'єзоелектричних перетворювачів досягає 90%, інтенсивність випромінювання-кілька десятків Вт/см². Для збільшення інтенсивності і амплітуди коливань використовують УЗ-ші концентратори. У діапазоні середніх УЗ-вих частот концентратор являє собою фокусуючу систему, найчастіше у вигляді п'єзоелектричного перетворювача увігнутої форми, випромінюючого східну хвилю. У фокусі подібних концентраторів досягається інтенсивність 105-106 Вт/см².

1.5 Приймачі ультразвуку

Як приймачі ультразвуку на низьких і середніх частотах найчастіше застосовують електроакустичні перетворювачі п'єзоелектричного типу. Такі приймачі дозволяють відтворювати форму акустичного сигналу, тобто тимчасову залежність звукового тиску. Залежно від умов застосування приймачі роблять або резонансними , або широкосмуговими . Для отримання усереднених за часом характеристик звукового поля використовують термічними приймачами звуку у вигляді покритих звукопоглинальним речовиною термопар або термісторів. Інтенсивність і звуковий тиск можна оцінювати і оптичними методами, наприклад по дифракції світла на УЗ.

Розділ 2. Застосування ультразвуку

Різноманітні застосування УЗ, при яких використовуються різні його особливості, можна умовно розбити на три напрямки. Перша пов'язана з отриманням інформації за допомогою УЗ-вих хвиль, другий - з активним впливом на речовину і третє-з обробкою і передачею сигналів. При кожному конкретному застосуванні використовується УЗ певного частотного діапазону (табл. 1). Розповімо лише про деякі з численних областей, де знайшов застосування УЗ.

2.1 Ультразвукове очищення

Якість УЗ очищення незрівнянно з іншими способами. Наприклад, при полосканні деталей на їх поверхні залишається до 80% забруднень, при вібраційної очищенні - близько 55%, при ручний-близько 20%, а при ультразвукової-не більше 0,5%. Крім того, деталі, що мають складну форму, важкодоступні місця, добре можна очистити тільки за допомогою ультразвуку. Особлива перевага УЗ-вої очищення полягає в її високій продуктивності при малій витраті фізичної праці, можливості заміни вогненебезпечних або дорогих органічних розчинників безпечними і дешевими водними розчинами лугів, рідким фреоном та ін.

Ультразвукове очищення-складний процес, який поєднує місцеву кавітацію з дією великих прискорень в очищає рідини, що призводить до руйнування забруднень. Якщо забруднену деталь помістити в рідину і опромінити ультразвуком, то під дією ударної хвилі кавітаційних бульбашок поверхню деталі очищається від бруду.

Серйозною проблемою є боротьба з забрудненням повітря пилом, димом, кіптявою, оксидами металів і т.д. Ультразвуковий метод очищення газу і повітря може застосовуватися в існуючих газовідводу незалежно від температури і вологості середовища. Якщо помістити УЗ-вої випромінювач в пилеосадну камеру, то ефективність її дії зростає в сотні разів. У чому сутність УЗ-вої очищення повітря? Порошинки, які безладно рухаються в повітрі, під дією ультразвукових коливань частіше і сильніше вдаряються один про одного. При цьому вони зливаються і розмір їх збільшується. Процес укрупнення частинок називається коагуляцією. Уловлюються укрупнені і обтяжені частинки спеціальними фільтрами.

2.2 Механічна обробка надтвердих і крихких матеріалів

Якщо між робочою поверхнею УЗ-вого інструменту та оброблюваної деталлю ввести абразивний матеріал, то при роботі випромінювача частки абразиву будуть впливати на поверхню деталі. Матеріал руйнується і віддаляється при обробці під дією великого числа спрямованих мікроударів (рис. 4).

Кінематика ультразвукової обробки складається з головного руху-різання, тобто поздовжніх коливань інструменту, і допоміжного руху-руху подачі. Поздовжні коливання є джерелом енергії абразивних зерен, які і виробляють руйнування оброблюваного матеріалу. Допоміжне рух-рух подачі-може бути поздовжнім, поперечним і круговим. Ультразвукова обробка забезпечує більшу точність-від 50 до 1 мк залежно від зернистості абразиву. Застосовуючи інструменти різної форми можна виконувати не тільки отвори, але й складні вирізи. Крім того, можна вирізати криволінійні осі, виготовляти матриці, шліфувати, гравірувати і навіть свердлити алмаз. Матеріали, використовувані як абразив-алмаз, корунд, кремінь, кварцовий пісок.

2.3 Ультразвукове зварювання

З існуючих методів жоден не підходить для зварювання різнорідних металів або якщо до товстим деталям потрібно приварити тонкі пластини. У цьому випадку УЗ-вая зварювання незамінна. Її іноді називають холодною , тому що деталі з'єднуються в холодному стані. Остаточного уявлення про механізм утворення з'єднань при УЗ-вої зварюванні немає. У процесі зварювання після введення ультразвукових коливань між зварюються пластинами утворюється шар високопластичного металу, при цьому пластини дуже легко повертаються навколо вертикальної осі на будь-який кут. Але як тільки ультразвукове випромінювання припиняють, відбувається миттєве «схоплювання» пластин.

Ультразвукове зварювання відбувається при температурі значно меншою температури плавлення, тому з'єднання деталей відбувається в твердому стані. За допомогою УЗ можна зварювати багато метали і сплави (мідь, молібден, тантал, титан, багато сталі).

Найкращі результати виходять при зварюванні тонколистових різнорідних металів і приварок до товстих деталей тонких листів. При УЗ-вої зварюванні мінімально змінюються властивості металу в зоні зварювання. Вимоги до якості підготовки поверхні значно нижче, ніж при інших методах зварювання. УЗ зварюванні добре піддаються і неметалеві матеріали (пластмаса, полімери).

2.4 Ультразвукова пайка і лудіння

У промисловості все більшого значення набуває УЗ-вая пайка і лудіння алюмінію, нержавіючої сталі та інших матеріалів. Труднощі пайки алюмінію полягає в тому, що його поверхня завжди покрита тугоплавкої плівкою окису алюмінію, яка утворюється практично миттєво при зіткненні металу з киснем повітря. Ця плівка перешкоджає зіткненню розплавленого припою з поверхнею алюмінію. В даний час одним з ефективних методів пайки алюмінію є ультразвуковий, пайка із застосуванням УЗ проводиться без флюсу. Введення механічних коливань ультразвукової частоти в розплавлений припой в процесі пайки сприяє механічного руйнування окисної плівки і полегшує змочування припоєм поверхні.

Принцип УЗ-вої пайки алюмінію полягає в наступному. Між паяльником і деталлю створюється шар рідкого розплавленого припою.

Під дією УЗ-вих коливань у припої виникає кавітація , що руйнує оксидну плівку. Перед паянням деталі нагрівають до температури, що перевищує температуру плавлення припою. Великою перевагою методу є те, що його можна з успіхом застосовувати для пайки кераміки і скла.

2.5 Прискорення виробничих процесів за допомогою ультразвуку

* Застосування ультразвуку дозволяє значно прискорити змішування різних рідин і отримати стійкі емульсії (навіть таких як вода і ртуть).

* Впливаючи УЗ-вимі коливаннями великої інтенсивності на рідини, можна отримувати тонкодисперсні аерозолі високої щільності.

* Порівняно недавно почали застосовувати УЗ для просочення електротехнічних намотувальних виробів. Застосування УЗ дозволяє скоротити час просочення в 3-5 разів і замінити 2-3 кратну просочення одноразовою.

* Під дією УЗ значно прискорюється процес гальванічного осадження металів і сплавів.

* Якщо в розплавлений метал вводити УЗ-ші коливання, помітно подрібнюється зерно, зменшується пористість.

* Ультразвук застосовується при обробці металів і сплавів у твердому стані, що призводить до «розпушуванню» структури і до штучного їх старіння.

* УЗ при пресуванні металевих порошків забезпечує одержання пресованих виробів більш високої щільності і стабільності розмірів.

2.6 Ультразвукова дефектоскопія

Рис. 6. Принцип дії УЗ дефектоскопа, заснований на імпульсному методі

Ультразвукова дефектоскопія - один з методів неруйнівного контролю. Властивість УЗ поширюватися в однорідному середовищі направлено і без істотних затухань, а на межі розділу двох середовищ (наприклад, метал-повітря) майже повністю відбиватися дозволило застосувати УЗ-ві коливання для виявлення дефектів (раковини, тріщини, розшарування тощо) в металевих деталях без їх руйнування.

За допомогою УЗ можна перевіряти деталі великих розмірів , так як глибина проникнення УЗ в металі досягає 8-10 м. Крім того, ультразвуком можна виявити дуже дрібні дефекти (до 10-6 мм).

УЗ-ві дефектоскопи дозволяють виявляти не тільки утворилися дефекти, але і визначати момент підвищеної втоми металу.

Існує кілька методів ультразвукової дефектоскопії , основними з яких є тіньовий, імпульсний, резонансний, метод структурного аналізу, ультразвукової візуалізації.

Тіньовий метод заснований на ослабленні УЗ-вих хвиль що проходять при наявності всередині деталі дефектів, що створюють УЗ-ву тінь. При цьому методі використовується два перетворювача. Один з них випромінює ультразвукові коливання, другий приймає їх (рис. 5). Тіньовий метод малочуттєвий, дефект можна виявити якщо викликається їм зміну сигналу становить не менше 15-20 %. Істотний недолік тіньового методу в тому, що він не дозволяє визначити на якій глибині знаходиться дефект.

Імпульсний метод УЗ-вої дефектоскопії заснований на явищі відображення ультразвукових хвиль. Принцип дії імпульсного дефектоскопа показаний на рис. 6. Високочастотний генератор виробляє короткочасні імпульси. Посланий випромінювачем імпульс, відбившись, повертається назад до перетворювача, який в цей час працює на прийом. З перетворювача сигнал надходить на підсилювач, а потім на відхиляють електронно променевої трубки. Для отримання на екрані трубки зображення зондуючих і відбитих імпульсів передбачений генератор розгортки. Роботою високочастотного генератора управляє синхронізатор, який з певною частотою формує високочастотні імпульси. Частота посилки імпульсів може змінюватися з таким розрахунком, щоб відбитий імпульс приходив до перетворювача раніше посилки наступного імпульсу. Імпульсний метод дозволяє досліджувати вироби при односторонньому доступі до них. Метод має підвищену чутливість, відображення навіть 1% УЗ-вої енергії буде помічено. Перевага імпульсного методу полягає ще й у тому, що він дозволяє визначити на якій глибині знаходиться дефект.

2.7 Ультразвук в радіоелектроніці

У радіоелектроніки часто виникає необхідність затримати один електричний сигнал щодо іншого. Вдале рішення знайшли вчені, запропонувавши ультразвукові лінії затримки (ЛЗ). Дія їх заснована на перетворенні електричних імпульсів в імпульси УЗ-вих механічних коливань, швидкість поширення яких значно менше швидкості поширення електромагнітних коливань. Після зворотного перетворення механічних коливань в електричні імпульс напруги на виході лінії буде затриманий щодо вхідного імпульсу.

Для перетворення електричних коливань в механічні і назад використовують магнітострикційні і п'єзоелектричні перетворювачі. Відповідно цьому ЛЗ підрозділяються на магнітострикційні і п'єзоелектричні.

Магнітострикційна ЛЗ складається з вхідного і вихідного перетворювачів, магнітів, звукопровідники і поглиначів.

Вхідний перетворювач складається з котушки, по якій протікає струм вхідного сигналу, ділянки звукопровода з магнітострикційного матеріалу, в якому виникають механічні коливання УЗ-вої частоти, і магніту, що створює постійне підмагнічування зони перетворення. Вихідний перетворювач з влаштування майже не відрізняється від вхідного.

Звукопровідник являє собою стрижень з магнітострикційного матеріалу, в якому порушуються УЗ-ві коливання, що поширюються зі швидкістю приблизно 5000 м/с. для затримки імпульсу, наприклад, на 100 мкс довжина звукопровідник повинна бути близько 43 см. Магніт потрібний для створення початкової магнітної індукції і підмагнічування зони перетворення.

Поглиначі для зменшення рівня паразитних відбитих сигналів розташовуються на обох кінцях звукопровідника.

Принцип дії магнітострикційного ЛЗ заснований на зміні розмірів феромагнітних матеріалів під впливом магнітного поля. Механічне обурення, викликане магнітним полем котушки вхідного перетворювача , передається по звокопровіднику і, дійшовши до котушки вихідного перетворювача, наводить у ній електрорушійну силу.

П'єзоелектричні ЛЗ влаштовані таким чином. На шляху електричного сигналу ставлять п'єзоелектричний перетворювач (пластинку кварцу), який жорстко з'єднаний з металевим стрижнем (звукопровід). До другого кінця стрижня прикріплений другу п'єзоелектричний перетворювач. Сигнал, підійшовши до вхідного перетворювача , викликає механічні коливання УЗ-вої частоти, які потім поширюються в звукопровіднику. Досягнувши другого перетворювача, УЗ-ві коливання знову перетворюються в електричні. Але так як швидкість поширення УЗ в звукопровіднику значно менше швидкості менше швидкості поширення електричного сигналу, сигнал, на шляху якого був звукопровід, відстає від іншого на величину, рівну різниці швидкості розповсюдження УЗ і електромагнітних сигналів на певній ділянці.

2.8 Ультразвук в медицині

Застосування УЗ для активного впливу на живий організм в медицині ґрунтується на ефектах, що виникають в біологічних тканинах при проходженні через них УЗ-вих хвиль. Коливання частинок середовища у хвилі викликають своєрідний мікромасаж тканин, поглинання УЗ-локальне нагрівання їх. Одночасно під дією УЗ відбуваються фізико-хімічні перетворення в біологічних середовищах. При помірної інтенсивності звуку ці явища не викликають незворотних ушкоджень, а лише покращують обмін речовин і, отже, сприяють життєдіяльності організму. Ці явища знаходять застосування в УЗ-вої терапії (інтенсивність УЗ до 1 Вт/см²). При великій інтенсивності сильне нагрівання і кавітація викликають руйнування тканин. Цей ефект знаходить застосування в УЗ-вої хірургії. Для хірургічних операцій використовують сфокусований УЗ, який дозволяє проводити локальні руйнування в глибинних структурах, наприклад мозку, без пошкодження навколишніх тканин (інтенсивність УЗ досягає сотень і навіть тисяч Вт/см²). У хірургії застосовують також УЗ-ві інструменти, робочий кінець яких має вигляд скальпеля, пилки, голки і т.п. Накладення УЗ-вих коливань на такі, звичайні для хірургії, інструменти надає їм нові якості, істотно знижуючи необхідне зусилля і, отже, травматизм операції; крім того, проявляється кровоспинний і знеболюючий ефект. Контактна вплив тупим УЗ-вим інструментом застосовується для руйнування деяких новоутворень.

Вплив потужного УЗ на біологічні тканини застосовується для руйнування мікроорганізмів у процесах стерилізації медичних інструментів і лікарських речовин.

УЗ знайшов застосування в стоматологічній практиці для зняття зубного каменю. Він дозволяє безболісно, безкровно, швидко видаляти зубний камінь і наліт із зубів. При цьому не травмується слизова порожнину рота і знезаражуються «кишені» порожнини, а пацієнт замість болю відчуває відчуття теплоти.

Загальні висновки

Ультразвуком називають механічні коливання пружного середовища з частотою, що перевищує верхню границю чутливості 20кГц. Ультразвук має єдину природу зі звуком та однакові фізико-гігієнічні характеристики, а відтак оцінюється за частотою коливань та інтенсивністю. Специфіка ультразвуку полягає в тому, що він поширюється спрямованими пучками, через велику частоту та малу довжину хвиль, створює великий ультразвуковий тиск. Одиницею вимірювання інтенсивності ультразвуку є ватт на квадратний сантиметр (Вт/см²). У гігієнічній практиці інтенсивність ультразвуку (рівень ультразвукового тиску) оцінюється у відносних одиницях - дБ. Ультразвук підпорядковується тим же закономірностям, що й звукові хвилі, але через свою високу частоту він має деякі особливості: мала довжина хвилі (менше 1,5 см) дає можливість отримувати скерований сфокусований пучок великої енергії; ультразвукові хвилі здатні створювати чітку акустичну тінь, бо розміри екранів завжди будуть їм відповідати або більшими за довжину хвиль; проходячи через межу розділу двох середовищ, ультразвукові хвилі можуть відбиватись, переломлюватись або поглинатись; високочастотний ультразвук практично не розповсюджується у повітрі, бо звукова хвиля розповсюджуючись у середовищі, втрачає енергію пропорційну квадрату частоти коливань.

У твердих і рідких середовищах ультразвук викликає ряд механічних і хімічних ефектів. До них відносять явище кавітації, що виникає у змішаному середовищі - рідина-газ.

У зоні розриву рідини внаслідок періодичного стиснення і розтягу утворюються бульбашки, наповненні парою рідини або газу. Розрив бульбашок супроводжується виділенням великої кількості енергії. Ефект посилюється зі збільшенням швидкості ультразвуку. Дія ультразвуку на тверду або газоподібну речовину викликає вібрацію її часток з ультразвуковою частотою.

Широко застосовується ультразвук для приготування однорідних сумішей (гомогенізації). Ще в 1927 році американські вчені Лімус і Вуд виявили, що якщо дві незмішувані рідини (наприклад, масло і воду) злити в одну мензурку і піддати опроміненню ультразвуком, то в мензурки утворюється емульсія, тобто дрібна суспензія масла у воді. Подібні емульсії відіграють велику роль в промисловості: це лаки, фарби, фармацевтичні вироби, косметика. Широке впровадження такого методу приготування емульсій в промисловість почалося після винаходу рідинного свистка.

Здатність ультразвука розривати оболонки клітин знайшла застосування в біологічних дослідженнях, наприклад, при необхідності відокремити клітину від ферментів. Ультразвук використовується також для руйнування таких внутрішньоклітинних структур, як мітохондрії і хлоропласти з метою вивчення взаємозв'язку між їх структурою і функціями (аналітична цитологія). Інше застосування ультразвуку в біології пов'язане з його здатністю викликати мутації. Дослідження, проведені в Оксфорді, показали, що ультразвук навіть малої інтенсивності може пошкодити молекулу ДНК. Штучне цілеспрямоване створення мутацій грає велику роль в селекції рослин. Головна перевага ультразвуку перед іншими мутагенами (рентгенівські промені, ультрафіолетові промені) полягає в тому, що з ним надзвичайно легко працювати.

Література

1. И.П. Голямина. Ультразвук. - М.: Советская энциклопедия, 1979.

2. И.Г. Хорбенко. В мире неслышных звуков. - М.: Машиностроение, 1971.

3. В.П. Северденко, В.В. Клубович. Применение ультразвука в промышленности. - Минск: Наука и техника, 1967.

4. Е.А. Воробьев. Теория ультразвуковых колебаний, как основа построения и пременения технических средств получения информации. - Санкт-Петербург: Учебное пособие, 2002.

5. Викторов И.А., Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике, М., 1966.

6. http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%B2%D1%83%D0%BA. 7. http://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B5%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF%D1%96%D1%8F.

Размещено на Allbest.ru