Какво е ултразвук. Резюме: Ултразвук и неговото приложение. Нови тенденции в ултразвуковата диагностика

Ултразвук – еластични вълни с честоти от 20 kHzдо 1 GHz. Ултразвукът (УЗ) е разделен на три диапазона: Ултразвук с ниски честоти

(до 105 Hz), ултразвукови средни честоти (10 5 - 10 7) Hz, ултразвукови високи честоти (10 7 - 10 9) Hz. Всеки от тези диапазони се характеризира със своите специфични характеристики на генериране, приемане, разпространение и приложение. Дължината на вълната на високочестотния ултразвук във въздуха е (3,4 10 -5 - 3,4 10 -7) м, което е много по-малко от дължината на вълната на звуковите вълни. Поради малките дължини на вълните, ултразвукът, подобно на светлината, може да се разпространява под формата на строго насочени лъчи с висока интензивност.

Ултразвукът в газовете и по-специално във въздуха се разпространява с голямо затихване. Течностите и твърдите вещества (особено монокристалите) са добри проводници на ултразвук, затихването в тях е много по-малко. Във въздуха и газовете се използва само нискочестотен ултразвук, за който затихването е по-малко.

Устройствата за генериране на ултразвук се разделят на две групи - механични и електромеханични .

Механични ултразвукови излъчватели - въздух и течност свирки и сирени , те са прости по дизайн и работа, не изискват високочестотна електрическа енергия. Недостатъкът им е широк диапазон на излъчваните честоти и нестабилност на честотата и амплитудата, което не позволява използването им за контролно-измервателни цели; те се използват главно в индустриалната ултразвукова технология и отчасти като сигнални устройства.

Основните излъчватели на ултразвук са електромеханични системи, които преобразуват електрическите вибрации в механични, които използват главно две явления: пиезоелектричен ефект и магнитострикция.

Обратен пиезоелектричен ефект е появата на деформация под действието на електрическо поле. Може да се реализира в специално изрязана кварцова плоча или плоча от бариев титанат. Ако такава плоча се постави във високочестотно променливо електрическо поле, тогава могат да се предизвикат нейните принудителни трептения. За увеличаване на амплитудата на трептенията и мощността, излъчвана в средата, като правило се използват резонансни трептения на пиезоелектрични елементи (плочи) на тяхната собствена честота. Ограничаващите интензитети на ултразвуковото излъчване се определят от якостните свойства на емитерния материал. За получаване на много висок интензитет на ултразвук се използва фокусиране с параболоид.

Магнитострикция - това е появата на деформация във феромагнетиците под въздействието на магнитно поле. Във феромагнитен прът (никел, желязо и др.), поставен в бързо променящо се магнитно поле, се възбуждат механични трептения, чиято амплитуда е максимална при резонанс.

американски приемници.Поради обратимостта на пиезоелектричния ефект, пиезоелектричните преобразуватели се използват и за получаване на ултразвук. Ултразвуковите вибрации, действащи върху кварца, предизвикват еластични вибрации в него, в резултат на което върху противоположните повърхности на кварцовата плоча възникват електрически заряди, които се измерват с електроизмервателни уреди.

Приложение на ултразвук.Ултразвукът се използва широко в инженерството, например за насочена подводна сигнализация, откриване на подводни обекти и определяне на дълбочини (сонари, ехолот). Принцип на локализиране: изпраща се ултразвуков импулс и се записва времето Tдокато се върне след отражение от обекта, след това разстоянието Лкъм субекта се определя от израза:

Л = Vt/2.

Според измерването на ултразвуковата абсорбция е възможно да се контролира протичането на технологични процеси (контрол на състава на течности, концентрация на газове и др.). Използвайки отразяването на ултразвука на границата на различни среди, с помощта на ултразвукови устройства измервайте размерите на продуктите (ултразвукови дебеломери), определяйте нивата на течности в контейнери, които са недостъпни за директно измерване. Ултразвукът се използва при откриване на дефекти за безразрушителен контрол на продукти, изработени от твърди материали (релси, големи отливки, качество на валцувани продукти и др.). Отделно трябва да се отбележи, че с помощта на ултразвук се извършва звуково зрение: чрез преобразуване на ултразвукови вибрации в електрически, а последните в светлина, е възможно да се видят определени обекти в среда, непрозрачна за светлина (например ултразвук на коремната кухина, сърцето, очите и др.). Ултразвукът се използва за въздействие върху различни процеси (кристализация, дифузия, топло- и масообмен в металургията и др.), за въздействие върху биологични обекти, за изследване на физичните свойства на веществата (абсорбция, структура на веществото и др.). Ултразвукът намира широко приложение в медицината: ултразвукова хирургия, тъканен микромасаж, диагностика.

Контролни въпроси:

1. Как да обясним разпространението на трептенията в еластична среда? Какво е еластична вълна?

2. Какво се нарича напречна вълна? надлъжно? Кога възникват?

3. Какво е вълнов фронт? вълнова повърхност?

4. Какво се нарича дължина на вълната? Каква е връзката между дължина на вълната, скорост и период?

5. Коя вълна е пътуваща, хармонична, равнинна, какви са техните уравнения?

6. Какво е вълновото число, фазовата и груповата скорост?

7. Какъв е физическият смисъл на вектора на Умов?

8. Винаги ли се запазва енергията, когато се намесват две вълни?

9. Две кохерентни вълни, разпространяващи се една към друга

друг, се различават по амплитуда. Образуват ли стояща вълна?

10. По какво се различава стоящата вълна от пътуващата?

11. Какво е разстоянието между два съседни възела на стояща вълна? два съседни антинода? съседен антинод и възел?

12. Какво представляват звуковите вълни? Надлъжни или напречни са звуковите вълни във въздуха?

13. Може ли звукът да се разпространява във вакуум?

14. Какво представлява ефектът на Доплер? Каква ще бъде честотата на трептенията, възприемани от приемника в покой, ако източникът на трептения се отдалечи от него?

15. Как да определите честотата на звука, възприеман от приемника,

ако източникът на звук и приемникът се движат?

16. Какво представлява двойният ефект на Доплер?

Въведение…………………………………………………………………………3

Ултразвук…………………………………………………………………….4

Ултразвукът като еластични вълни………………………………………..4

Особености на ултразвука………………………………..5

Източници и приемници на ултразвук………………………………………..7

Механични излъчватели…………………………………………...7

Електроакустични преобразуватели…………………………….9

Ултразвукови приемници………………………………………………..11

Използването на ултразвук……………………………………………………...11

Ултразвуково почистване……………………………………………...11

Обработка на свръхтвърди и крехки

материали…………………………………………………………………13

Ултразвуково заваряване…………………………………………………….14

Ултразвуково запояване и калайдисване……………………………………14

Ускоряване на производствените процеси………………..…………15

Ултразвукова дефектоскопия…………………………..…………15

Ултразвукът в радиоелектрониката………………………..……………17

Ултразвукът в медицината…………………………………..……………..18

Литература…………………………………………………..………………….19

Двадесет и първи век е векът на атома, завладяването на космоса, радиоелектрониката и ултразвука. Науката за ултразвука е сравнително млада. Първата лабораторна работа по изследване на ултразвука е извършена от великия руски физик П. Н. Лебедев в края на 19 век, а след това много видни учени са се занимавали с ултразвук.

Ултразвукът е вълнообразно осцилаторно движение на средни частици. Ултразвукът има някои характеристики в сравнение със звуците от звуковия диапазон. В ултразвуковия диапазон е относително лесно да се получи насочено излъчване; той се поддава добре на фокусиране, в резултат на което интензитетът на ултразвуковите вибрации се увеличава. Когато се разпространява в газове, течности и твърди тела, ултразвукът генерира интересни явления, много от които са намерили практическо приложение в различни области на науката и технологиите.

През последните години ултразвукът започна да играе все по-важна роля в научните изследвания. Успешно са проведени теоретични и експериментални изследвания в областта на ултразвуковата кавитация и акустичните потоци, което направи възможно разработването на нови технологични процеси, които се случват под действието на ултразвук в течната фаза. В момента се формира нова посока в химията - ултразвукова химия, която позволява ускоряване на много химични и технологични процеси. Научните изследвания допринесоха за появата на нов раздел от акустиката - молекулярна акустика, която изучава молекулярното взаимодействие на звуковите вълни с материята. Появиха се нови области на приложение на ултразвука: интроскопия, холография, квантова акустика, ултразвуково фазово измерване, акустоелектроника.

Наред с теоретичните и експериментални изследвания в областта на ултразвука е извършена много практическа работа. Разработени са универсални и специални ултразвукови машини, инсталации, работещи при повишено статично налягане, ултразвукови механизирани инсталации за почистване на детайли, генератори с повишена честота и нова система за охлаждане, преобразуватели с равномерно разпределено поле. Създадени са и въведени в производство автоматични ултразвукови инсталации, които са включени в производствени линии, което позволява значително повишаване на производителността на труда.

ултразвук.

Ултразвук (УЗ) - еластични вибрации и вълни, чиято честота надвишава 15 - 20 kHz. Долната граница на ултразвуковата честотна област, която я отделя от областта на звуковия звук, се определя от субективните свойства на човешкия слух и е условна, тъй като горната граница на слуховото възприятие е различна за всеки човек. Горната граница на ултразвуковите честоти се дължи на физическата природа на еластичните вълни, които могат да се разпространяват само в материална среда, т.е. при условие, че дължината на вълната е много по-голяма от средния свободен път на молекулите в газ или междуатомни разстояния в течности и твърди вещества. В газове при нормално налягане горната граница на ултразвуковите честоти е » 10 9 Hz; в течности и твърди вещества граничната честота достига 10 12 -10 13 Hz. В зависимост от дължината на вълната и честотата, ултразвукът има различни специфични характеристики на излъчване, приемане, разпространение и приложение, следователно областта на ултразвуковите честоти е разделена на три области:

· ниски ултразвукови честоти (1,5×10 4 - 10 5 Hz);

средна (10 5 - 10 7 Hz);

висока (10 7 - 10 9 Hz).

Еластичните вълни с честоти 10 9 - 10 13 Hz обикновено се наричат ​​хиперзвук.

Ултразвукът като еластични вълни.

Ултразвуковите вълни (нечуваем звук) по своята същност не се различават от еластичните вълни в звуковия диапазон. Размножава се само в газове и течности надлъжновълни, а в твърди тела - надлъжни и срязващис.

Разпространението на ултразвука се подчинява на основните закони, общи за акустичните вълни от всеки честотен диапазон. Основните закони на разпределението са закони за отражение на звука и пречупване на звука на границите на различни среди, дифракция на звука и разсейване на звукапри наличие на препятствия и нехомогенности в средата и неравности по границите, закони за вълноводно разпространениев ограничени области на околната среда. Важна роля играе съотношението между дължината на звуковата вълна l и геометричния размер D, т.е. размера на източника на звук или препятствие по пътя на вълната и размера на нееднородностите на средата. Когато D>>l разпространението на звука в близост до препятствия се извършва главно според законите на геометричната акустика (можете да използвате законите за отражение и пречупване). Степента на отклонение от геометричната схема на разпространение и необходимостта да се вземат предвид дифракционните явления се определят от параметъра , където r е разстоянието от точката на наблюдение до обекта, причиняващ дифракция.

Скоростта на разпространение на ултразвукови вълни в неограничена среда се определя от характеристиките на еластичността и плътността на средата. В ограничени среди скоростта на разпространение на вълната се влияе от наличието и природата на границите, което води до честотна зависимост на скоростта (дисперсия на скоростта на звука). Намаляването на амплитудата и интензитета на ултразвуковата вълна, докато се разпространява в дадена посока, тоест затихването на звука, се причинява, както при вълни с всякаква честота, от отклонението на фронта на вълната с разстоянието от източника, разсейване и поглъщане на звука. При всички честоти, както звукови, така и нечуваеми диапазони, възниква така наречената "класическа" абсорбция, причинена от вискозитета на срязване (вътрешното триене) на средата. Освен това има допълнителна (релаксационна) абсорбция, която често значително надвишава "класическата" абсорбция.

При значителна интензивност на звуковите вълни се появяват нелинейни ефекти:

принципът на суперпозиция е нарушен и възниква взаимодействие на вълни, което води до появата на тонове;

· формата на вълната се променя, спектърът й се обогатява с висши хармоници и съответно се увеличава поглъщането;

· когато се достигне определена прагова стойност на ултразвуковия интензитет, в течността възниква кавитация (виж по-долу).

Критерият за приложимостта на законите на линейната акустика и възможността за пренебрегване на нелинейните ефекти е: M<< 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Параметърът М се нарича "число на Мах".

Особености на ултразвука

Въпреки че физическата природа на ултразвука и основните закони, които определят неговото разпространение, са същите като при звуковите вълни от всеки честотен диапазон, той има редица специфични характеристики. Тези характеристики се дължат на относително високите честоти в САЩ.

Малката дължина на вълната определя лъчев характерразпространение на ултразвукови вълни. В близост до излъчвателя вълните се разпространяват под формата на лъчи, чийто напречен размер остава близък до размера на излъчвателя. Когато такъв лъч (американски лъч) попадне на големи препятствия, той претърпява отражение и пречупване. Когато лъчът попадне на малки препятствия, възниква разсеяна вълна, която позволява да се открият малки нехомогенности в средата (от порядъка на десети и стотни от мм.). Отражението и разсейването на ултразвук върху нехомогенностите на средата правят възможно формирането в оптично непрозрачни среди звукови изображенияобекти, използващи звукови системи за фокусиране, подобно на начина, по който се прави със светлинни лъчи.

Фокусиращият ултразвук позволява не само получаване на звукови изображения (системи за звуково изображение и акустична холография), но и концентратзвукова енергия. С помощта на ултразвукови системи за фокусиране е възможно да се формират предварително определени характеристики на насоченостизлъчватели и ги управлявайте.

Периодичната промяна в индекса на пречупване на светлинните вълни, свързана с промяна в плътността на ултразвуковата вълна, причинява дифракция на светлината от ултразвукнаблюдавани на американски честоти в диапазона мегахерц-гигахерц. В този случай ултразвуковата вълна може да се разглежда като дифракционна решетка.

Най-важният нелинеен ефект в ултразвуковото поле е кавитация- появата в течността на маса от пулсиращи мехурчета, пълни с пара, газ или смес от тях. Сложното движение на мехурчетата, тяхното срутване, сливане един с друг и т.н. генерират компресионни импулси (микрошокови вълни) и микропотоци в течността, предизвикват локално нагряване на средата, йонизация. Тези ефекти засягат веществото: настъпва разрушаване на твърдите вещества в течността ( кавитационна ерозия), настъпва смесване на течности, различни физични и химични процеси се инициират или ускоряват. Чрез промяна на условията на кавитация е възможно да се засилят или отслабят различни кавитационни ефекти, например с увеличаване на честотата на ултразвука, ролята на микропотоците се увеличава и кавитационната ерозия намалява, с увеличаване на налягането в течността, нараства ролята на микровъздействието. Увеличаването на честотата води до увеличаване на праговия интензитет, съответстващ на началото на кавитация, което зависи от вида на течността, нейното газово съдържание, температура и т.н. За вода при атмосферно налягане обикновено е 0,3–1,0 W/cm 2 . Кавитацията е сложен набор от явления. Ултразвуковите вълни, разпространяващи се в течна форма, редуват зони с високо и ниско налягане, създавайки зони на висока компресия и зони на разреждане. В разредена зона хидростатичното налягане намалява до такава степен, че силите, действащи върху молекулите на течността, стават по-големи от силите на междумолекулна кохезия. В резултат на рязка промяна на хидростатичното равновесие течността се "разбива", образувайки множество малки мехурчета от газове и пари. В следващия момент, когато в течността започне период на високо налягане, образуваните по-рано мехурчета се свиват. Процесът на свиване на мехурчета е придружен от образуването на ударни вълни с много високо локално моментно налягане, достигащо няколкостотин атмосфери.

Сточников и приемници на ултразвук.

В природата УЗ се среща както като компонент на много природни шумове (в шума на вятъра, водопада, дъжда, в шума на камъчетата, търкаляни от морския прибой, в звуците, съпровождащи разрядите на мълнии и др.), така и сред звуци от животинския свят. Някои животни използват ултразвукови вълни за откриване на препятствия, ориентация в пространството.

Ултразвуковите излъчватели могат да бъдат разделени на две големи групи. Първият включва излъчватели-генератори; трептенията в тях се възбуждат поради наличието на препятствия по пътя на постоянен поток - струя газ или течност. Втората група излъчватели са електроакустични преобразуватели; те преобразуват вече дадените колебания на електрическо напрежение или ток в механична вибрация на твърдо тяло, което излъчва акустични вълни в околната среда.

механични излъчватели.

В емитерите от първия тип (механични) трансформацията на кинетичната енергия на струя (течност или газ) в акустична енергия възниква в резултат на периодично прекъсване на струята (сирена), когато тя се влива в препятствия от различен тип ( газоструйни генератори, свирки).

Ултразвукова сирена - два диска с голям брой отвори, поставени в камерата (фиг. 1).

Постъпващият в камерата въздух под високо налягане излиза през отворите на двата диска. Когато дискът на ротора (3) се върти, неговите отвори ще съвпадат с отворите на неподвижния диск на статора (2) само в определени моменти от време. В резултат на това ще възникнат пулсации на въздуха. Колкото по-висока е скоростта на ротора, толкова по-висока е честотата на пулсациите на въздуха, която се определя по формулата:

където N е броят на отворите, равномерно разпределени около обиколката на ротора и статора; w е ъгловата скорост на ротора.

Налягането в камерата на сирената обикновено е от 0,1 до 5,0 kgf/cm 2 . Горната граница на честотата на ултразвука, излъчван от сирените, не надвишава 40¸50 kHz, но са известни конструкции с горна граница от 500 kHz. Ефективността на генераторите не надвишава 60%. Тъй като източникът на звука, излъчван от сирената, са импулсите на газ, изтичащ от отворите, честотният спектър на сирените се определя от формата на тези импулси. За получаване на синусоидални трептения се използват сирени с кръгли отвори, разстоянията между които са равни на диаметъра им. При правоъгълни дупки, раздалечени по ширината на дупката, формата на импулса е триъгълна. В случай на използване на няколко ротора (въртящи се с различна скорост) с отвори, разположени неравномерно и с различна форма, може да се получи шумов сигнал. Акустичната мощност на сирените може да достигне десетки kW. Ако в радиационното поле на мощна сирена се постави памучна вата, тя ще се запали, а стоманените стружки ще се нажежат до червено.

Принципът на работа на генератора за ултразвукови свирки е почти същият като обикновената полицейска свирка, но размерите му са много по-големи. Въздушният поток се разбива с висока скорост срещу острия ръб на вътрешната кухина на генератора, причинявайки трептения с честота, равна на собствената честота на резонатора. С помощта на такъв генератор е възможно да се създават трептения с честота до 100 kHz при относително ниска мощност. За получаване на висока мощност се използват газоструйни генератори, при които скоростта на изтичане на газ е по-висока. Генераторите на течности се използват за излъчване на ултразвук в течност. В течните генератори (фиг. 2) двустранен връх служи като резонансна система, в която се възбуждат огъващи вибрации.

Струя течност, излизаща от дюзата с висока скорост, се разбива върху острия ръб на плочата, от двете страни на която възникват турбуленции, причиняващи промени в налягането с висока честота.

За работата на течен (хидродинамичен) генератор е необходимо излишно налягане на течността от 5 kg / cm 2. честотата на трептене на такъв генератор се определя от съотношението:

където v е скоростта на течността, изтичаща от дюзата; d е разстоянието между върха и дюзата.

Хидродинамичните излъчватели в течност осигуряват относително евтина ултразвукова енергия при честоти до 30-40 kHz с интензитет в непосредствена близост до излъчвателя до няколко W/cm 2 .

Механичните излъчватели се използват в нискочестотния диапазон на ултразвука и в диапазона на звуковите вълни. Те са сравнително прости по дизайн и работа, производството им не е скъпо, но не могат да създават монохроматично излъчване и освен това излъчват сигнали със строго определена форма. Такива радиатори се характеризират с нестабилност на честотата и амплитудата, но когато излъчват в газообразна среда, те имат относително висока ефективност и мощност на излъчване: тяхната ефективност варира от няколко% до 50%, мощност от няколко вата до десетки kW.

Електроакустични преобразуватели.

Излъчвателите от втория тип се основават на различни физически ефекти на електромеханична трансформация. По правило те са линейни, т.е. възпроизвеждат възбуждащия електрически сигнал по форма. В нискочестотния ултразвуков диапазон, електродинамиченизлъчватели и излъчватели магнитострикционенконвертори и пиезоелектриченконвертори. Най-широко използваните излъчватели са магнитострикционни и пиезоелектрични.

През 1847 г. Джаул забелязва, че феромагнитните материали, поставени в магнитно поле, променят размерите си. Това явление е наречено магнитострикционенефект. Ако променлив ток премине през намотка, насложена върху феромагнитен прът, тогава под въздействието на променящо се магнитно поле прътът ще се деформира. Никеловите сърцевини, за разлика от железните, се скъсяват в магнитно поле. Когато променлив ток преминава през намотката на излъчвателя, неговият прът се деформира в една посока за всяка посока на магнитното поле. Следователно честотата на механичните трептения ще бъде два пъти по-голяма от честотата на променливия ток.

За да може честотата на трептене на емитера да съответства на честотата на възбуждащия ток, към намотката на емитера се прилага постоянно поляризационно напрежение. Поляризираният излъчвател увеличава амплитудата на променливата магнитна индукция, което води до увеличаване на деформацията на сърцевината и увеличаване на мощността.

Магнитострикционният ефект се използва при производството на ултразвукови магнитострикционни преобразуватели (фиг. 3).

Тези преобразуватели се отличават с големи относителни деформации, повишена механична якост и ниска чувствителност към температурни ефекти. Магнитострикционните преобразуватели имат ниски стойности на електрическо съпротивление, в резултат на което не са необходими високи напрежения за получаване на висока мощност.

Най-често се използват никелови конвертори (висока устойчивост на корозия, ниска цена). Магнитострикционните сърцевини също могат да бъдат направени от ферити. Феритите имат високо съпротивление, в резултат на което загубите от вихрови токове в тях са незначителни. Феритът обаче е крехък материал, което създава опасност от претоварване при висока мощност. Ефективността на магнитострикционните преобразуватели при излъчване в течности и твърди тела е 50–90% Интензитетът на излъчване достига няколко десетки W/cm 2 .

През 1880 г. братята Жак и Пиер Кюри отварят врати пиезоелектриченефект - ако кварцова плоча се деформира, тогава върху нейните лица се появяват електрически заряди, противоположни по знак. Наблюдава се и обратното явление - ако към електродите на кварцова плоча се приведе електрически заряд, тогава нейните размери ще намалят или ще се увеличат в зависимост от полярността на подавания заряд. Когато знаците на приложеното напрежение се променят, кварцовата плоча или ще се свие, или ще се разшири, т.е. ще осцилира във времето с промените в знаците на приложеното напрежение. Промяната в дебелината на плочата е пропорционална на приложеното напрежение.

Принципът на пиезоелектричния ефект се използва при производството на излъчватели на ултразвукови вибрации, които преобразуват електрическите вибрации в механични. Като пиезоелектрически материали се използват кварц, бариев титанат, амониев фосфат.

Ефективността на пиезоелектричните преобразуватели достига 90%, интензитетът на излъчване е няколко десетки W/cm 2 . За увеличаване на интензитета и амплитудата на вибрациите, ултразвукови концентратори.В диапазона на средните ултразвукови честоти концентраторът представлява фокусираща система, най-често под формата на вдлъбнат пиезоелектричен преобразувател, който излъчва конвергентна вълна. Във фокуса на такива концентратори се постига интензитет от 10 5 -10 6 W/cm 2.

Ултразвукови приемници.

Като ултразвукови приемници на ниски и средни честоти най-често се използват електроакустични преобразуватели от пиезоелектричен тип. Такива приемници позволяват да се възпроизведе формата на звуковия сигнал, тоест зависимостта на звуковото налягане от времето. В зависимост от условията на използване, приемниците се правят резонансни или широколентови. За да се получат осреднени във времето характеристики на звуковото поле, се използват термични звукови приемници под формата на термодвойки или термистори, покрити със звукопоглъщащо вещество. Интензитетът и звуковото налягане могат да бъдат оценени и чрез оптични методи, например чрез дифракция на светлината от ултразвук.

Приложение на ултразвук.

Разнообразните приложения на ултразвука, в които се използват различните му характеристики, могат условно да се разделят на три области. Първият е свързан с получаване на информация чрез ултразвукови вълни, вторият - с активно въздействие върху веществото, а третият - с обработката и предаването на сигнали. За всяко конкретно приложение се използва ултразвук с определен честотен диапазон (Таблица 1). Нека просто да поговорим за някои от многото области, в които САЩ са намерили приложение.

Ултразвуково почистване.

Качеството на ултразвуковото почистване е несравнимо с други методи. Например, при изплакване на части до 80% от замърсителите остават на повърхността им, при вибрационно почистване - около 55%, при ръчно почистване - около 20%, а при ултразвуково почистване - не повече от 0,5%. В допълнение, части, които имат сложна форма, труднодостъпни места, могат да бъдат почистени добре само с помощта на ултразвук. Специално предимство на ултразвуковото почистване е неговата висока производителност с нисък физически труд, възможността за замяна на запалими или скъпи органични разтворители с безопасни и евтини водни разтвори на основи, течен фреон и др.

Ултразвуковото почистване е сложен процес, съчетаващ локална кавитация с действието на високи ускорения в почистващата течност, което води до унищожаване на замърсителите. Ако е поставена замърсена част

маса 1

Приложения			Честота в херца
			10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 10 11
Получаване на информацията	Научно изследване	в газове, течности
		в твърди вещества	gggggggggggggggg
	За свойствата и състава на веществата; относно технологичните процеси
		в течности
		в твърди вещества
	сонар
	ултразвукова дефектоскопия
	контрол на размера
	Медицинска диагностика
Въздействие върху веществото	Аерозолна коагулация
	Въздействие върху горенето
	Въздействие върху химичните процеси
	емулгиране
	дисперсия
	пръскане
	Кристализация
	Метализация, запояване
	Механична реставрация
	Пластична деформация
	хирургия
Лечение сигнали	линии на забавяне
	Акустооптични устройства
	Преобразуватели на сигнали в акустоелектрониката

течност и облъчване с ултразвук, след което под действието на ударна вълна от кавитационни мехурчета повърхността на детайла се почиства от мръсотия.

Сериозен проблем е борбата със замърсяването на въздуха с прах, дим, сажди, метални оксиди и др. Ултразвуковият метод за почистване на газ и въздух може да се използва в съществуващи газови изходи, независимо от температурата и влажността на околната среда. Ако поставите ултразвуков излъчвател в камера за утаяване на прах, тогава неговата ефективност се увеличава стотици пъти. Каква е същността на ултразвуковото пречистване на въздуха? Праховите частици, които се движат произволно във въздуха, под въздействието на ултразвукови вибрации, се удрят по-често и по-силно. В същото време те се сливат и размерът им се увеличава. Процесът на уголемяване на частиците се нарича коагулация. Увеличените и претеглени частици се улавят от специални филтри.

Обработка на свръхтвърдост

и крехки материали.

Ако между работната повърхност на ултразвуковия инструмент и детайла се въведе абразивен материал, тогава по време на работа на излъчвателя частиците на абразива ще засегнат повърхността на детайла. Материалът се разрушава и отстранява при обработката под действието на голям брой насочени микроудари (фиг. 4).

Кинематиката на ултразвуковата обработка се състои от основното движение - рязане, т.е. надлъжни вибрации на инструмента и спомагателно движение - движението на подаването. Надлъжните вибрации са източник на енергия на абразивните зърна, които предизвикват разрушаване на обработвания материал. Спомагателното движение - движението на подаването - може да бъде надлъжно, напречно и кръгово. Ултразвуковата обработка осигурява по-голяма точност - от 50 до 1 микрон, в зависимост от зърнистостта на абразива. Използвайки инструменти с различни форми, можете да правите не само дупки, но и сложни разфасовки. Освен това можете да режете извити оси, да правите матрици, да шлифовате, гравирате и дори да пробивате диамант. Като абразив се използват диамант, корунд, кремък, кварцов пясък.

ултразвуково заваряване.

От съществуващите методи нито един не е подходящ за заваряване на различни метали или когато трябва да се заваряват тънки плочи към дебели части. В този случай ултразвуковото заваряване е незаменимо. Понякога се нарича студено, защото частите са свързани в студено състояние. Няма окончателна представа за механизма на образуване на фуги по време на ултразвуково заваряване. В процеса на заваряване, след въвеждане на ултразвукови вибрации, между заваряваните плочи се образува слой от силно пластичен метал, който много лесно се върти около вертикалната ос под всякакъв ъгъл. Но веднага щом ултразвуковото излъчване бъде спряно, настъпва мигновено "изземване" на плочите.

Ултразвуковото заваряване се извършва при температура, много по-ниска от точката на топене, така че частите се съединяват в твърдо състояние. С помощта на ултразвук е възможно да се заваряват много метали и сплави (мед, молибден, тантал, титан, много стомани). Най-добри резултати се получават при заваряване на тънки листове от разнородни метали и заваряване на тънки листове към дебели части. При ултразвуково заваряване свойствата на метала в зоната на заваряване се променят минимално. Изискванията за качество на подготовката на повърхността са много по-ниски, отколкото при другите методи за заваряване. Ултразвуковото заваряване се поддава добре на неметални материали (пластмаси, полимери)

Ултразвуково запояване и калайдисване.

В индустрията ултразвуковото запояване и калайдисване на алуминий, неръждаема стомана и други материали става все по-важно. Трудността при запояване на алуминий е, че повърхността му винаги е покрита с огнеупорен филм от алуминиев оксид, който се образува почти моментално, когато металът влезе в контакт с атмосферния кислород. Този филм предотвратява контакта на разтопената спойка с алуминиевата повърхност.

В момента един от най-ефективните методи за запояване на алуминий е ултразвукът, запояването с помощта на ултразвук се извършва без поток. Въвеждането на механични вибрации с ултразвукова честота в разтопения припой по време на процеса на запояване допринася за механичното разрушаване на оксидния филм и улеснява намокрянето на повърхността с припой.

Принципът на ултразвуково запояване на алуминий е следният. Между поялника и частта се създава слой течна разтопена спойка. Под действието на ултразвукови вибрации в спойката възниква кавитация, която разрушава оксидния филм. Преди запояване частите се нагряват до температура над точката на топене на спойката. Голямото предимство на метода е, че може успешно да се използва за запояване на керамика и стъкло.

Ускоряване на производствените процеси

с помощта на ултразвук.

¾ Използването на ултразвук може значително да ускори смесването на различни течности и да получи стабилни емулсии (дори такива като вода и живак).

¾ Въздействайки върху течности на ултразвукови вибрации с висок интензитет, е възможно да се получат фино диспергирани аерозоли с висока плътност.

¾ Сравнително наскоро САЩ започнаха да се използват за импрегниране на продукти за електрически намотки. Използването на US позволява да се намали времето за импрегниране 3-5 пъти и да се замени 2-3-кратното еднократно импрегниране.

¾ Под действието на ултразвук процесът на галванично отлагане на метали и сплави се ускорява значително.

¾ Ако в разтопения метал се въведат ултразвукови вибрации, зърното се смачква забележимо и порьозността намалява.

¾ Ултразвукът се използва при обработката на метали и сплави в твърдо състояние, което води до „разхлабване“ на структурата и до изкуственото им състаряване.

¾ US при пресоване на метални прахове осигурява производството на пресовани продукти с по-висока плътност и стабилност на размерите.

Ултразвукова дефектоскопия.

Ултразвуковата дефектоскопия е един от методите за безразрушителен контрол. Свойството на ултразвуковото разпространение в хомогенна среда насочено и без значително затихване и почти напълно отразено на границата между две среди (например метал - въздух) направи възможно използването на ултразвукови вибрации за откриване на дефекти (кухини, пукнатини, разслоения, и др.) в метални части, без да ги разрушавате.

С помощта на ултразвук е възможно да се проверят големи части, тъй като дълбочината на проникване на ултразвук в метала достига 8¸10 м. В допълнение, много малки дефекти (до 10 -6 mm) могат да бъдат открити чрез ултразвук.

Ултразвуковите дефектоскопи позволяват да се открият не само образуваните дефекти, но и да се определи моментът на повишена умора на метала.

Има няколко метода за ултразвукова дефектоскопия, основните от които са сянка, импулс, резонанс, структурен анализ, ултразвукова визуализация.

Методът на сянка се основава на затихването на предаваните ултразвукови вълни при наличие на дефекти вътре в детайла, които създават ултразвукова сянка. Този метод използва два конвертора. Единият от тях излъчва ултразвукови вибрации, другият ги приема (фиг. 5). Методът на сянка е нечувствителен, дефектът може да бъде открит, ако промяната на сигнала, която причинява, е поне 15–20%. Съществен недостатък на сенчестия метод е, че той не позволява да се определи на каква дълбочина е дефектът.

Импулсният метод за ултразвукова дефектоскопия се основава на явлението отражение на ултразвукови вълни. Принципът на работа на импулсен дефектоскоп е показан на фиг. 6. Високочестотният генератор генерира краткотрайни импулси. Импулсът, изпратен от излъчвателя, отразен, се връща обратно към конвертора, който по това време работи за приемане. От преобразувателя сигналът се подава към усилвателя и след това към отклоняващите пластини на катодната тръба. Осигурен е генератор за почистване, за да се получи изображение на сондиращите и отразените импулси върху екрана на тръбата. Работата на високочестотния генератор се управлява от синхронизатор, който генерира високочестотни импулси с определена честота. Честотата на изпращане на импулси може да се променя, така че отразеният импулс да пристигне в преобразувателя, преди да бъде изпратен следващият импулс.

Импулсният метод ви позволява да изследвате продукти с едностранен достъп до тях. Методът е с повишена чувствителност, ще се забележи отразяването дори на 1% от ултразвуковата енергия. Предимството на импулсния метод също е, че ви позволява да определите на каква дълбочина се намира дефектът.

Ултразвук в радиоелектрониката.

В радиоелектрониката често се налага забавяне на един електрически сигнал спрямо друг. Учените са намерили успешно решение, като предлагат ултразвукови линии за забавяне (LZ). Тяхното действие се основава на превръщането на електрически импулси в импулси на ултразвукови механични трептения, чиято скорост на разпространение е много по-малка от скоростта на разпространение на електромагнитните трептения. След обратната трансформация на механичните вибрации в електрически импулси, напрежението на изхода на линията ще се забави спрямо входния импулс.

За преобразуване на електрическите вибрации в механични и обратно се използват магнитострикционни и пиезоелектрични преобразуватели. Съответно LZ се подразделят на магнитострикционни и пиезоелектрични.

Магнитострикционната LZ се състои от входни и изходни преобразуватели, магнити, акустичен канал и абсорбери.

Входният преобразувател се състои от намотка, през която протича токът на входния сигнал, участък от звуков канал, изработен от магнитострикционен материал, в който възникват механични вибрации на ултразвуковата честота, и магнит, който създава постоянно намагнитване на зоната на преобразуване. . Изходният преобразувател на устройството почти не се различава от входния.

Звуководът е пръчка, изработена от магнитострикционен материал, в която се възбуждат ултразвукови вибрации, разпространяващи се със скорост около 5000 m/s. за забавяне на импулса, например, със 100 µs, дължината на звуковия канал трябва да бъде около 43 см. Магнитът е необходим, за да създаде първоначалната магнитна индукция и да наклони зоната на преобразуване.

Принципът на действие на магнитострикционния DL се основава на промяната в размера на феромагнитните материали под въздействието на магнитно поле. Механичното смущение, причинено от магнитното поле на намотката на входния преобразувател, се предава през линията за повикване и, достигайки намотката на изходния преобразувател, индуцира електродвижеща сила в него.

Пиезоелектричните LZ са подредени по следния начин. На пътя на електрическия сигнал е поставен пиезоелектричен преобразувател (кварцова плоча), който е твърдо свързан с метален прът (звукопровод). Към втория край на пръта е прикрепен втори пиезоелектричен преобразувател. Сигналът, приближавайки се до входния преобразувател, предизвиква механични вибрации на ултразвуковата честота, които след това се разпространяват в звуковия канал. Достигайки втория преобразувател, ултразвуковите вибрации отново се преобразуват в електрически. Но тъй като скоростта на разпространение на ултразвука в звуковия канал е много по-малка от скоростта на разпространение на електрическия сигнал, сигналът, по пътя на който е разположен звуковият канал, изостава от другия с количество, равно на разликата в скоростта на разпространение на ултразвукови и електромагнитни сигнали в определена област.

Ултразвукът в медицината.

Използването на ултразвук за активно въздействие върху живия организъм в медицината се основава на ефектите, които възникват в биологичните тъкани, когато ултразвуковите вълни преминават през тях. Флуктуациите на частиците на средата във вълната причиняват вид микромасаж на тъканите, абсорбцията на ултразвук - локално нагряване от тях. В същото време под действието на ултразвук се извършват физикохимични трансформации в биологични среди. При умерен интензитет на звука тези явления не причиняват необратими щети, а само подобряват метаболизма и следователно допринасят за жизнената дейност на тялото. Тези явления намират приложение в ултразвука терапия(ултразвуков интензитет до 1 W/cm2) . При висок интензитет силното нагряване и кавитацията причиняват разрушаване на тъканите. Този ефект намира приложение в ултразвуковия вой операция. За хирургични операции се използва фокусиран ултразвук, който позволява локална деструкция в дълбоки структури, като мозъка, без да се увреждат околните тъкани (интензивността на ултразвука достига стотици и дори хиляди W/cm2). В хирургията се използват и ултразвукови инструменти, чийто работен край прилича на скалпел, пила, игла и др. Налагането на ултразвукови вибрации върху такива инструменти, обичайни за хирургията, им придава нови качества, значително намалявайки необходимото усилие и, следователно, травматизма на операцията; освен това се проявява хемостатичен и аналгетичен ефект. За унищожаване на някои неоплазми се използва контактно действие с тъп ултразвуков инструмент.

Въздействието на мощен ултразвук върху биологичните тъкани се използва за унищожаване на микроорганизми при стерилизация на медицински инструменти и лекарствени вещества.

Ултразвукът е намерил приложение в денталната практика за отстраняване на зъбен камък. Позволява ви безболезнено, безкръвно, бързо да премахнете зъбния камък и плаката от зъбите. В същото време устната лигавица не се наранява и "джобовете" на кухината се дезинфекцират, а пациентът изпитва усещане за топлина вместо болка.

Литература.

1. И.П. Голямина. Ултразвук. - М.: Съветска енциклопедия, 1979 г.

2. И.Г. Хорбенко. В света на недоловимите звуци. - М .: Машиностроене, 1971.

3. В.П. Северденко, В.В. Клубович. Използването на ултразвук в промишлеността. - Минск: Наука и техника, 1967.

Акустична релаксация - вътрешни процеси на възстановяване на термодинамичното равновесие на средата, нарушено от компресия и разреждане в ултразвуковата вълна. Съгласно термодинамичния принцип на равномерното разпределение на енергията по степени на свобода, енергията на транслационното движение в звукова вълна преминава към вътрешни степени на свобода, възбуждайки ги, в резултат на което енергията, приписвана на транслационното движение, намалява. Следователно релаксацията винаги е придружена от звукопоглъщане, както и от дисперсия на скоростта на звука.

В монохроматична вълна промяната на осцилиращата стойност W във времето се извършва съгласно синусоидалния или косинусния закон и се описва във всяка точка с формулата: .

Има два вида магнитострикция: линейна, при която геометричните размери на тялото се променят по посока на приложеното поле, и обемна, при която геометричните размери на тялото се променят във всички посоки. Линейна магнитострикция се наблюдава при много по-ниски напрежения на полето от обемната магнитострикция. Следователно линейната магнитострикция се използва практически в магнитострикционни преобразуватели.

Термисторът е резистор, чието съпротивление зависи от температурата. Термодвойка е два проводника от различни метали, свързани заедно. В краищата на проводниците възниква емф пропорционално на температурата.

Ултразвукса звукови вълни, които имат честота, която не се възприема от човешкото ухо, обикновено над 20 000 херца.

В естествената среда ултразвукът може да се генерира в различни естествени шумове (водопад, вятър, дъжд). Много представители на фауната използват ултразвук за ориентация в космоса (прилепи, делфини, китове)

Източниците на ултразвук могат да бъдат разделени на две големи групи.

1. Радиатори-генератори - трептенията в тях се възбуждат поради наличието на препятствия по пътя на постоянен поток - струя газ или течност.
2. електроакустични преобразуватели; те преобразуват вече дадените колебания на електрическо напрежение или ток в механична вибрация на твърдо тяло, което излъчва акустични вълни в околната среда.

Науката за ултразвука е сравнително млада. В края на 19 век руският учен-физиолог П.Н.Лебедев за първи път провежда изследване с ултразвук.

В момента използването на ултразвук е доста широко. Тъй като ултразвукът е доста лесен за насочване в концентриран "лъч", той се използва в различни области: приложението се основава на различни свойства на ултразвука.

Обикновено има три области на използване на ултразвука:

1. Предаване и обработка на сигнали
2. Получаване на различна информация с помощта на ултразвукови вълни
3. Ефектът на ултразвука върху материята.

В тази статия ще се докоснем само до малка част от възможностите за използване на ултразвук.

1. Лекарството. Ултразвукът намира приложение както в стоматологията, така и в хирургията, използва се и за ехографски изследвания на вътрешни органи.
2. Почистване с ултразвук. Това е особено ясно демонстрирано от примера на центъра за ултразвуково оборудване PSB-Hals. По-специално можете да обмислите използването на ултразвукови вани http://www.psb-gals.ru/catalog/usc.html, които се използват за почистване, смесване, смесване, смилане, дегазиране на течности, ускоряване на химични реакции, извличане на суровини материали, получаване на стабилни емулсии и др.
3. Обработка на крехки или супер твърди материали. Трансформацията на материалите става чрез много микроудари

Това е само най-малката част от използването на ултразвукови вълни. Ако се интересувате - оставете коментари и ние ще разкрием темата по-подробно.

Ултразвукът се нарича еластични вълни (вълни, разпространяващи се в течни, твърди и газообразни среди поради действието на еластични сили), чиято честота е извън обхвата, чуваем за хората - от приблизително 20 kHz и повече.

Полезни свойства на ултразвуковите вълни

И въпреки че физически ултразвукът има същата природа като звуковия звук, като се различава само условно (по-висока честота), именно поради по-високата честота ултразвукът е приложим в редица полезни области. Така че при измерване на скоростта на ултразвук в твърдо, течно или газообразно вещество се получават много малки грешки при наблюдение на бързи процеси, при определяне на специфичния топлинен капацитет (газ), при измерване на еластичните константи на твърдите тела.

Високата честота при малки амплитуди прави възможно постигането на повишени плътности на енергийния поток, тъй като енергията на еластичната вълна е пропорционална на квадрата на нейната честота. В допълнение, ултразвуковите вълни, използвани по правилния начин, ви позволяват да получите редица много специални акустични ефекти и явления.

Едно от тези необичайни явления е акустичната кавитация, която възниква, когато мощна ултразвукова вълна се насочи към течност. В течност, в полето на действие на ултразвука, малки мехурчета пара или газ (субмикроскопични размери) започват да растат до фракции милиметри в диаметър, докато пулсират с честотата на вълната и се свиват в положителната фаза на налягането.

Свиващият се балон генерира локален импулс с високо налягане, измерен в хиляди атмосфери, превръщайки се в източник на ударни сферични вълни. Акустичните микропотоци, генерирани в близост до такива пулсиращи мехурчета, са били полезни за направата на емулсии, почистване на части и т.н.

Чрез фокусиране на ултразвук се получават звукови образи в акустичната холография, а в системите за звуково зрение звуковата енергия се концентрира, за да се образува насочено излъчване със зададени и контролирани насочени характеристики.

Използвайки ултразвукова вълна като дифракционна решетка за светлина, е възможно да се променят индексите на пречупване на светлината за различни цели, тъй като плътността в ултразвукова вълна, както и в еластична вълна, по принцип се променя периодично.

И накрая, характеристиките, свързани със скоростта на разпространение на ултразвука. В неорганичните среди ултразвукът се разпространява със скорост, която зависи от еластичността и плътността на средата.

Що се отнася до органичните среди, тук границите и тяхната природа влияят върху скоростта, т.е. фазовата скорост зависи от честотата (дисперсията). Ултразвукът отслабва с отстраняването на фронта на вълната от източника - фронтът се разминава, ултразвукът се разсейва, абсорбира.

Вътрешното триене на средата (вискозитет на срязване) води до класическо поглъщане на ултразвук; в допълнение, релаксационното поглъщане на ултразвук надвишава класическото. В газ ултразвукът отслабва по-силно, в твърди вещества и течности - много по-слабо. Във вода, например, той се разпада 1000 пъти по-бавно, отколкото във въздуха. По този начин индустриалните области на приложение на ултразвука са почти изцяло свързани с твърди и течни тела.

Ултразвук в ехолокация и сонар (храна, отбрана, минно дело)

Първият прототип на сонара е създаден за предотвратяване на сблъсъци на кораби с ледени късове и айсберги от руския инженер Шиловски заедно с френския физик Ланжевен през 1912 г.

Устройството използва принципа на отразяване и приемане на звукова вълна. Сигналът беше изпратен до определена точка и чрез забавянето на сигнала за отговор (ехо), знаейки скоростта на звука, беше възможно да се прецени разстоянието до препятствието, което отразява звука.

Шиловски и Ланжевин започват да изучават задълбочено хидроакустиката и скоро създават устройство, способно да открива вражески подводници в Средиземно море на разстояние до 2 километра. Всички съвременни сонари, включително военните, са потомци на едно и също устройство.

Съвременните ехолоти за изследване на релефа на дъното се състоят от четири блока: предавател, приемник, преобразувател и екран. Функцията на предавателя е да изпраща ултразвукови импулси (50 kHz, 192 kHz или 200 kHz) дълбоко във водата, които се разпространяват във водата със скорост 1,5 km/s, където се отразяват от риби, камъни, други предмети и дъното, тогава ехото достига до приемника, обработва се конвертор и резултатът се показва на дисплея във форма, удобна за визуално възприятие.

Ултразвукът в електрониката и електроенергетиката

Много области на съвременната физика не могат без ултразвук. Физиката на твърдите тела и полупроводниците, както и акустоелектрониката, в много отношения са тясно свързани с ултразвуковите методи на изследване - с ефекти при честота от 20 kHz и по-висока. Акустоелектрониката заема специално място тук, където ултразвуковите вълни взаимодействат с електрическите полета и електроните в твърдите тела.

Обемните ултразвукови вълни се използват на линии за забавяне и в кварцови резонатори за стабилизиране на честотата в съвременните радиоелектронни системи за обработка и предаване на информация. Повърхностните акустични вълни заемат специално място в лентовите филтри за телевизия, в честотните синтезатори, в устройствата за пренос на заряд на акустичната вълна, в паметта и устройствата за четене на изображения. И накрая, корелаторите и конволверите използват напречния акустоелектричен ефект в своята работа.

Радиоелектроника и ултразвук

За забавяне на един електрически сигнал спрямо друг са полезни ултразвуковите линии за забавяне. Електрическият импулс се преобразува в импулсна механична вибрация с ултразвукова честота, която се разпространява многократно по-бавно от електромагнитния импулс; след това механичната вибрация се преобразува обратно в електрически импулс и се получава сигнал, който е забавен спрямо първоначално подадения.

За такова преобразуване обикновено се използват пиезоелектрични или магнитострикционни преобразуватели, поради което линиите на забавяне се наричат ​​пиезоелектрични или магнитострикционни.

В пиезоелектрическа линия за забавяне електрически сигнал се прилага към кварцова плоча (пиезоелектричен преобразувател), свързана неподвижно към метален прът.

Втори пиезоелектричен преобразувател е прикрепен към другия край на пръта. Входният преобразувател приема сигнал, създава механични вибрации, разпространяващи се по пръта, и когато вибрациите достигнат до пръта на втория преобразувател, отново се получава електрически сигнал.

Скоростта на разпространение на вибрациите по пръта е много по-малка от тази на просто електрически сигнал, така че сигналът, преминал през пръта, се забавя спрямо входа с количество, свързано с разликата в скоростите на електромагнитните и ултразвуковите вибрации.

Магнитострикционната линия на забавяне съдържа входния преобразувател, магнити, звуков канал, изходен преобразувател и абсорбери. Входният сигнал се прилага към първата бобина, ултразвукови честотни колебания - механични колебания - започват в звуковия канал на пръта, изработен от магнитострикционен материал - магнитът създава тук постоянно отклонение в зоната на преобразуване и първоначалната магнитна индукция.

Ултразвук в производствената промишленост (рязане и заваряване)

Между ултразвуковия източник и детайла се поставя абразивен материал (кварцов пясък, диамант, камък и др.). Ултразвукът действа върху абразивни частици, които от своя страна удрят детайла с честотата на ултразвук. Материалът на частта се разрушава под въздействието на огромен брой малки удари на абразивни зърна - така се извършва обработката.

Рязането се добавя към движението на подаване, докато надлъжните трептения на рязане са основните. Точността на ултразвуковата обработка зависи от размера на зърното на абразива и достига 1 микрон. По този начин се правят сложни разрези, които са необходими при производството на метални части, шлайфане, гравиране и пробиване.

Ако е необходимо да заварявате различни метали (или дори полимери) или да комбинирате дебела част с тънка плоча, ултразвукът отново идва на помощ. Това е т.нар. Под действието на ултразвук в зоната на заваряване металът става много пластичен, частите могат много лесно да се въртят по време на връзката под всякакъв ъгъл. И си струва да изключите ултразвука - частите незабавно ще се свържат, ще се хванат.

Особено забележително е, че заваряването се извършва при температура под точката на топене на частите и тяхното свързване се осъществява всъщност в твърдо състояние. Но така се заваряват стомана, титан и дори молибден. Тънките листове са най-лесни за заваряване. Този метод на заваряване не включва специална подготовка на повърхността на частите, това важи и за метали и полимери.

Ултразвук в металургията (ултразвукова дефектоскопия)

Ултразвуковата дефектоскопия е един от най-ефективните методи за контрол на качеството на метални части без разрушаване. В хомогенни среди ултразвукът се разпространява насочено без бързо затихване и отражението е характерно за него на границата на средата. Така металните части се проверяват за наличие на кухини и пукнатини вътре в тях (интерфейс въздух-метал) и се открива повишена умора на метала.

Ултразвукът е в състояние да проникне в детайл на дълбочина до 10 метра, а размерите на откритите дефекти са от порядъка на 5 mm. Има: сенчест, импулсен, резонансен, структурен анализ, визуализация - пет метода за ултразвукова дефектоскопия.

Най-простият метод е ултразвукова дефектоскопия в сянка, този метод се основава на затихването на ултразвуковата вълна, когато срещне дефект при преминаване през детайла, тъй като дефектът създава ултразвукова сянка. Работят два конвертора: първият излъчва вълна, вторият - приема.

Този метод е нечувствителен, дефектът се открива само ако влиянието му промени сигнала с най-малко 15%, а също така е невъзможно да се определи дълбочината, където се намира дефектът в частта. По-точни резултати дава импулсният ултразвуков метод, той също показва дълбочината.

Ултразвукът се нарича еластични вибрации и вълни, честотите на които надвишават честотите на звука, възприемани от човешкото ухо. Това определение се е развило исторически, но долната граница на ултразвука, свързана със субективните усещания на човек, не може да бъде ясна, тъй като някои хора не могат да чуят звуци с честоти от 10 kHz, но има хора, които възприемат честоти от 25 kHz. За да се изясни дефиницията на долната граница на ултразвука от 1983 г., е установено, че тя се счита за равна на 11,12 kHz (GOST 12.1.001–83).

Горната граница на ултразвука се дължи на физическата природа на еластичните вълни, които могат да се разпространяват в среда само ако дължината на вълната е по-голяма от средния свободен път на молекули в газове или междуатомни разстояния в течности и твърди вещества. Следователно в газовете горната граница на ултразвуковите вълни (US) се определя от приблизителното равенство на дължината на звуковата вълна и средния свободен път на газовите молекули (~10 –6 m), което дава честота от порядъка на 1 GHz (109 Hz). Разстоянието между атомите и молекулите в кристалната решетка на твърдото тяло е приблизително 10–10 м. Ако приемем, че дължината на вълната на ултразвука е от същия порядък, получаваме честота от 10–13 Hz. Нар. еластични вълни с честоти над 1 GHz хиперзвуков.

Ултразвуковите вълни по своята природа не се различават от вълните на звуковия диапазон или инфразвука, а разпространението на ултразвука се подчинява на законите, общи за всички акустични вълни (закони на отражение, пречупване, разсейване и др.). Скоростите на разпространение на ултразвуковите вълни са приблизително същите като скоростите на звуковия звук (вижте таблица 4) и следователно дължините на вълните на ултразвуковите вълни са много по-къси. Така че, когато се размножава във вода ( с= 1500 m / s) ултразвук с честота 1 MHz дължина на вълната l = 1500/10 6 \u003d 1,5 10 -3 m \u003d 1,5 mm. Поради късата дължина на вълната, дифракцията на ултразвука възниква върху обекти, по-малки от тези на чуваемия звук. Следователно в много случаи законите на геометричната оптика могат да бъдат приложени към ултразвука и могат да бъдат произведени ултразвукови фокусиращи системи: изпъкнали и вдлъбнати огледала и лещи, които се използват за получаване на звукови изображения в системи за звукозапис и акустична холография. В допълнение, фокусиращият ултразвук ви позволява да концентрирате звуковата енергия, като същевременно получавате високи интензитети.

Поглъщането на ултразвук в дадено вещество, дори във въздуха, е много значително поради неговата къса дължина на вълната. Въпреки това, както при обикновения звук, затихването на ултразвука се определя не само от неговото поглъщане, но и от отражение в интерфейсите на медии, които се различават по своята акустична устойчивост. Този фактор е от голямо значение при разпространението на ултразвук в живи организми, чиито тъкани имат голямо разнообразие от акустични съпротивления (например на границите мускул - надкостница - кост, по повърхностите на кухи органи и др.). Тъй като акустичното съпротивление на биологичните тъкани е средно стотици пъти по-високо от акустичното съпротивление на въздуха, почти пълното отражение на ултразвука възниква на границата въздух-тъкан. Това създава определени трудности при ултразвуковата терапия, тъй като въздушният слой от само 0,01 mm между вибратора и кожата е непреодолима пречка за ултразвука. Тъй като е невъзможно да се избегнат въздушни слоеве между кожата и излъчвателя, за запълване на неравностите между тях се използват специални контактни вещества, които трябва да отговарят на определени изисквания: да имат акустично съпротивление, близко до акустичното съпротивление на кожата и излъчвателя, да имат нисък коефициент на поглъщане на ултразвук, имат значителен вискозитет и намокрят кожата, не са токсични за тялото. Като контактни вещества обикновено се използват вазелиново масло, глицерин, ланолин и дори вода.

ПОЛУЧАВАНЕ И РЕГИСТРАЦИЯ НА ЕХОГРАФИЯ

За получаване на ултразвук се използват механични и електромеханични генератори.

Механичните генератори включват газови емитери и сирени. В газоструйните излъчватели (свирки и мембранни генератори) източникът на ултразвукова енергия е кинетичната енергия на газовата струя. Първият ултразвуков генератор е свирката на Галтон - къса, затворена в единия край тръба с остри ръбове, към която се насочва въздушна струя от пръстеновидна дюза. Счупванията на струята в острите краища на тръбата предизвикват въздушни трептения, чиято честота се определя от дължината на тръбата. Свирките Galton ви позволяват да получавате ултразвук с честота до 50 kHz. Интересно е, че бракониерите са използвали подобни свирки през миналия век, призовавайки ловните кучета със сигнали, които не се чуват от хората.

Сирените ви позволяват да получавате ултразвук с честота до 500 kHz. Газоструйните радиатори и сирените са почти единствените източници на мощни акустични трептения в газови среди, в които поради ниското акустично съпротивление радиаторите с твърда осцилираща повърхност не могат да предават ултразвук с висока интензивност. Недостатъкът на механичните генератори е широкият диапазон на излъчваните от тях честоти, което ограничава обхвата им в биологията.

Електромеханичните източници на ултразвук преобразуват подадената към тях електрическа енергия в енергия на акустични вибрации. Най-разпространени са пиезоелектричните и магнитострикционните излъчватели.

През 1880 г. френските учени Пиер и Жак Кюри откриват феномен, т.нар. пиезоелектричен ефект(гр. пиезо- натискам). Ако е изрязан по определен начин от кристали на определени вещества (кварц, рошелска сол); плоча и я компресирайте, тогава върху лицата й ще се появят противоположни електрически заряди. Когато компресията се замени с напрежение, знаците на зарядите се променят. Пиезоелектричният ефект е обратим. Това означава, че ако кристалът се постави в електрическо поле, той ще се разтегне или свие в зависимост от посоката на вектора на напрегнатост на електрическото поле. В променливо електрическо поле кристалът ще се деформира във времето с промени в посоките на вектора на интензитета и ще действа върху околната субстанция като бутало, създавайки компресия и разреждане, т.е. надлъжна акустична вълна.

Директният пиезоелектричен ефект се използва в ултразвукови приемници, в които акустичните вибрации се преобразуват в електрически. Но ако към такъв приемник се приложи променливо напрежение със съответната честота, то се преобразува в ултразвукови вибрации и приемникът работи като радиатор. Следователно, един и същ кристал може да служи едновременно като приемник и излъчвател на ултразвук. Такова устройство се нарича ултразвуков акустичен преобразувател (фиг.). Поради факта, че използването на ултразвук в различни области на науката, технологиите, медицината и ветеринарната медицина се увеличава всяка година, се изисква все по-голям брой ултразвукови преобразуватели, но запасите от естествен кварц не могат да задоволят нарастващото търсене за него. Най-подходящият заместител на кварца се оказва бариевият титанат, който е аморфна смес от две минерални вещества – бариев карбонат и титанов диоксид. За да му се придадат желаните свойства, аморфната маса се нагрява до висока температура, при която се размеква, и се поставя в електрическо поле. В този случай се получава поляризация на диполни молекули. След като веществото се охлади в електрическо поле, молекулите се фиксират в позиция на ориентация и веществото придобива определен електрически диполен момент. Бариевият титанат има пиезоелектричен ефект 50 пъти по-силен от кварца и цената му е ниска.

Други видове преобразуватели се основават на явлението магнитострикция(лат. strictura - свиване). Това явление се дължи на факта, че по време на намагнитване феромагнитната пръчка се компресира или разтяга в зависимост от посоката на намагнитване. Ако пръчката се постави в променливо магнитно поле, тогава нейната дължина ще се променя във времето с промените в електрическия ток, който създава магнитното поле. Деформацията на пръта създава акустична вълна в околната среда.

За производството на магнитострикционни преобразуватели се използват пермендур, никел, желязо-алуминиеви сплави - алсифери. Те имат големи стойности на относителни деформации, висока механична плътност и по-малка чувствителност към температурни ефекти.

И двата вида преобразуватели се използват в съвременното ултразвуково оборудване. Пиезоелектричните се използват за получаване на ултразвук с висока честота (над 100 kHz), магнитострикционните - за получаване на ултразвук с по-ниска честота. За медицински и ветеринарни цели обикновено се използват генератори с малка мощност (10–20 W) (фиг.).

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НА УЛТРАЗВУК С ВЕЩЕСТВО

Нека разгледаме с какви параметри на осцилаторното движение трябва да се справим, когато ултразвукът се разпространява в вещество. Нека излъчвателят създаде вълна с интензитет аз\u003d 10 5 W / m 2 и честота 10 5 Hz. аз= 0,5rcA 2 w 2 = 2cA 2 rp 2 н 2. Оттук

Замествайки във формулата стойностите на количествата, включени в нея, получаваме, че амплитудата на изместване на водните частици при дадените условия И= 0,6 цт. Стойността на амплитудата на ускорението на водните частици a m = ах 2 \u003d 2 4 10 5 m / s 2, което е 24 000 пъти по-голямо от ускорението на гравитацията. Пикова стойност на акустичното налягане Ра = rcAw\u003d 5,6 10 5 Pa при 6 atm. При фокусиране на ултразвук се получават още по-високи налягания.

Когато ултразвуковата вълна се разпространява в течност по време на полупериодите на разреждане, възникват сили на опън, които могат да доведат до разкъсване на течността на дадено място и образуване на мехурчета, пълни с парите на тази течност. Това явление се нарича кавитация(лат. cavum - празнота). Кавитационните мехурчета се образуват, когато напрежението на опън в течност стане по-голямо от някаква критична стойност, наречена праг на кавитация. За чиста вода, теоретичната стойност на прага на кавитация r към\u003d 1,5 10 8 Pa \u003d 1500 atm. Реалните течности са по-малко издръжливи поради факта, че винаги съдържат кавитационни ядра - микроскопични газови мехурчета, твърди частици с пукнатини, запълнени с газ и др. На повърхността на мехурчетата често се появяват електрически заряди. Разпадането на кавитационните мехурчета е придружено от силно нагряване на съдържанието им, както и отделяне на газове, съдържащи атомни и йонизирани компоненти. В резултат на това веществото в областта на кавитацията е подложено на интензивни влияния. Това се проявява в кавитационна ерозия, т.е. в разрушаване на повърхността на твърдите тела. Дори такива силни вещества като стомана и кварц се разрушават под действието на микроударни хидродинамични вълни, възникващи от срутването на мехурчета, да не говорим за биологични обекти в течността, като микроорганизми. Използва се за почистване на повърхността на металите от котлен камък, мастни филми, както и за диспергиране на твърди вещества и получаване на емулсии от несмесващи се течности.

Когато интензитетът на ултразвука е по-малък от 0,3-10 4 W/m 2 кавитация в тъканите не възниква, а ултразвукът предизвиква редица други ефекти. Така в течност възникват акустични потоци или „звуков вятър“, чиято скорост достига десетки сантиметри в секунда. Акустичните потоци смесват облъчените течности и променят физическите свойства на суспензиите. Ако в течността има частици с противоположни електрически заряди и различни маси, тогава в ултразвуковата вълна тези частици ще се отклоняват от равновесното положение на различни разстояния и във вълновото поле възниква променлива потенциална разлика (ефектът на Дебай). Такова явление се случва например в разтвор на готварска сол, съдържащ H + йони и 35 пъти по-тежки C1 - йони. При големи разлики в масите потенциалът на Дебай може да достигне десетки и стотици mV.

Поглъщането на ултразвук от дадено вещество се придружава от прехода на механична енергия в топлинна енергия. Топлината се генерира в зони, съседни на интерфейса между две среди с различни акустични импеданси. Когато ултразвукът се отразява, интензитетът на вълната в близост до границата се увеличава и съответно количеството на погълнатата енергия се увеличава. Лесно е да проверите това, като притиснете излъчвателя към мокра ръка. Скоро се появява усещане за болка от противоположната страна на ръката, подобно на болката от изгаряне, причинено от ултразвук, отразен на повърхността кожа-въздух. Въпреки това, топлинният ефект на ултразвука при интензитетите, използвани в терапията, е много малък.

В ултразвуково поле могат да възникнат както окислителни, така и редукционни реакции и дори такива, които не са осъществими при нормални условия. Една от характерните реакции е разделянето на водна молекула на H + и OH - радикали, последвано от образуването на водороден пероксид H 2 O 2 и някои мастни киселини. Ултразвукът има значителен ефект върху някои биохимични съединения: аминокиселинните молекули се откъсват от протеиновите молекули, протеините се денатурират и т.н. Всички тези реакции се стимулират, очевидно, от колосалните налягания, които възникват при ударни кавитационни вълни, но в момента има все още не съществува пълна теория за звуковите химични реакции.

Ултразвукът причинява светене на вода и някои други течности (американска луминесценция). Това сияние е много слабо и обикновено се записва от фотоумножители. Причината за светенето е главно, че когато кавитационните мехурчета се срутят, възниква силно адиабатно нагряване на парите, затворени в тях. Температурата вътре в мехурчетата може да достигне 10 4 K, което води до възбуждане на газови атоми и излъчване на светлинни кванти от тях. Интензитетът на ултразвуковата луминесценция зависи от количеството газ в мехурчето, от свойствата на течността и от интензитета на ултразвука. Това явление носи информация за същността и кинетиката на процесите, протичащи при облъчване на течност с ултразвук. Както беше показано от В. Б. Акопян и А. И. Журавлев, при някои ултразвукови заболявания се променя луминесценцията на редица биологични течности, което може да бъде основата за диагностика на тези заболявания.

ДЕЙСТВИЕ НА УЛТРАЗВУК ВЪРХУ БИОЛОГИЧНИ ОБЕКТИ

Ултразвукът, подобно на други физически фактори, има смущаващ ефект върху живите организми, което води до адаптивни реакции на тялото. Механизмът на смущаващото действие на ултразвука все още не е достатъчно проучен, но може да се твърди, че той се определя от комбинация от механични, топлинни и физикохимични въздействия. Ефективността на тези фактори зависи от честотата и интензивността на ултразвука. По-горе бяха изчислени амплитудните стойности на акустичното налягане и ускорението на частиците на средата в ултразвуковата вълна, които се оказаха много големи, но те не дават представа за механичните сили на клетка. Изчисляването на силите, действащи върху клетка в ултразвуково поле, е извършено от В. Б. Акопян, който показа, че ако ултразвук с честота 1 MHz и интензитет 10 4 W/m 2 действа върху клетка от 5 10 - 5 m, тогава максималната разлика между силите на опън и натиск в противоположните краища на клетката не надвишава 10–13 N. Такива сили не могат да имат забележим ефект върху клетката, да не говорим за нейното унищожаване. Следователно силите на опън и натиск, действащи върху клетката в ултразвукова вълна, трудно могат да доведат до осезаеми биологични последици.

Очевидно акустичните потоци, водещи до пренос на материя и смесване на течността, са по-ефективни. Вътре в клетка със сложна вътрешна структура микропотоците могат да променят взаимното разположение на клетъчните органели, да смесват цитоплазмата и да променят нейния вискозитет, да отделят биологични макромолекули (ензими, хормони, антигени) от клетъчните мембрани, да променят повърхностния заряд, мембраните и техните пропускливост, засягаща жизнеспособността на клетките. Ако мембраните не са повредени, след известно време макромолекулите, преминали в извънклетъчната среда или в цитоплазмата, се връщат обратно на повърхността на мембраните, въпреки че не е известно дали попадат точно на местата, от които са били откъснати. и ако не, дали това води до какво или смущения в клетъчната физиология.

Разрушаването на мембраната настъпва при достатъчно висок интензитет на ултразвук, но различните клетки имат различна устойчивост: някои клетки вече са унищожени при интензивност от порядъка на 0,1 10 4 W / m 2, докато други издържат на интензивност до 25 10 4 W / m 2 и по-високо. По правило клетките на животинските тъкани са по-чувствителни, а растителните клетки, защитени от силна мембрана, са по-малко чувствителни. Различната ултразвукова устойчивост на еритроцитите беше обсъдена в глава I. Ултразвуковото облъчване с интензитет над 0,3·10 4 W / m 2 (т.е. над прага на кавитация) се използва за унищожаване на бактерии и вируси, присъстващи в течността. Така се унищожават тифни и туберкулозни бацили, стрептококи и др.. Трябва да се отбележи, че облъчването с ултразвук с интензитет, по-малък от прага на кавитация, може да доведе до повишаване на жизнената активност на клетките и увеличаване на броя на тези микроорганизми, които вместо положителен ефект ще доведат до отрицателен. Ултразвукът, използван в терапията и диагностиката, не предизвиква кавитация в тъканите. Това се дължи или на умишлено ниски интензитети (от 0,05 до 0,1 W / cm 2), или на използването на интензивни (до 1 kW / cm 2), но кратки импулси (от 1 до 10 μs) за ехолокация на вътрешните органи. Осредненият за времето интензитет на ултразвука също в този случай не е по-висок от 0,1-10 4 W/m 2 , което е недостатъчно за възникване на кавитация.

Нагряването на тъканите по време на облъчването им с терапевтичен ултразвук е много незначително. Така, когато отделни органи на крави се облъчват на мястото на експозиция на ултразвук, температурата на кожата се повишава с не повече от 1 °C при интензитет от 10 4 W/m 2 . При облъчване с ултразвук топлината се отделя главно не в обема на тъканта, а на границите между тъкани с различно акустично съпротивление или в една и съща тъкан при нехомогенностите на нейната структура. Възможно е това да обяснява факта, че тъканите със сложна структура (белите дробове) са по-чувствителни към ултразвук от хомогенните тъкани (черен дроб и др.). Относително много топлина се отделя на границата между меките тъкани и костта.

Не по-малко значими могат да бъдат ефектите, свързани с потенциала на Дебай. Диагностичните ултразвукови импулси могат да предизвикат потенциал на Дебай до стотици mV в тъканите, който е сравним по големина с потенциала на клетъчните мембрани, и това може да причини деполяризация на мембраната и да увеличи пропускливостта им по отношение на йони, участващи в клетъчния метаболизъм. трябва да бъде отбелязано че промяната в пропускливостта на клетъчните мембрани е универсален отговор на ултразвуковото излагане, независимо кой от ултразвуковите фактори, действащи върху клетките, преобладава в един или друг случай.

По този начин биологичното действие на ултразвука се дължи на много взаимосвързани процеси, някои от които не са достатъчно проучени досега и чието описание не е включено в задачата на учебника. Според V.B. Акопян, ултразвукът предизвиква следната верига от трансформации в биологични обекти: ултразвуково действие ® микропотоци в клетката ® увеличаване на пропускливостта на клетъчните мембрани ® промяна в състава на вътреклетъчната среда ® нарушаване на оптималните условия за ензимни процеси ® потискане на ензимните реакции в клетката ® синтез на нови ензими в клетката и т.н. Прагът на биологичния ефект на ултразвука ще бъде такава стойност на неговия интензитет, при която няма нарушение на пропускливостта на клетъчните мембрани, т.е. интензитетът не е по-висок от 0,01·10 4 W/m 2 .

Ултразвукът, който има силно биологично свойство, може да се използва в селското стопанство. Експериментите от последните години показаха обещанието за въздействието на нискочестотния ултразвук върху семената на зърнени и градински култури, фуражни и декоративни растения.

УЛТРАЗВУК В ЖИВОТИНСКИЯ СВЯТ

Някои нощни птици използват звуците от звуковия диапазон за ехолокация (нощници, салангани бързолети). Nightjars, например, правят резки, стакато разговори с честота от 7 kHz. След всяко обаждане птицата улавя звука, отразен от препятствието, и разпознава местоположението на това препятствие в посоката, от която идва ехото. Познавайки скоростта на разпространение на звука и времето, изминало от излъчването му до приемането, е възможно да се изчисли разстоянието до препятствието. Разбира се, птицата не прави подобни изчисления, но по някакъв начин мозъкът й позволява да се ориентира добре в пространството.

Ултразвуковите органи за ехолокация са достигнали най-голямо съвършенство при прилепите. Тъй като насекомите служат като храна за тях, т.е. обекти с малък размер, за да се намали дифракцията върху такива обекти, е необходимо да се използват трептения с малка дължина на вълната. Наистина, ако приемем, че размерът на насекомото е 3 mm, тогава дифракцията върху него ще бъде незначителна при дължина на вълната от същия порядък и за това честотата на трептене трябва да бъде поне равна на н = ° С/л= 340/3 10 –3 » 10 5 Hz = 100 kHz. Това предполага необходимостта от използване на ултразвук за ехолокация и наистина прилепите излъчват сигнали с честоти от порядъка на 100 kHz. Процесът на ехолокация е както следва. Животното излъчва сигнал с продължителност 1-2 ms, като през това време чувствителните му уши са затворени от специални мускули. Тогава сигналът спира, ушите се отварят и прилепът чува отразения сигнал. По време на лов сигналите следват един след друг до 250 пъти в секунда.

Чувствителността на ехолокационния апарат на прилепите е много висока. Така например Грифин опъна в тъмна стая решетка от метални жици с диаметър 0,12 mm с разстояние между жиците 30 cm, което само малко надвишава размаха на крилата на прилепите. Въпреки това животните летяха свободно из стаята, без да докосват жиците. Мощността на възприетия от тях сигнал, отразен от жицата, беше около 10–17 W. Удивителна е и способността на прилепите да изолират желания сигнал от хаоса от звуци. По време на лов всеки прилеп възприема само онези ултразвукови сигнали, които излъчва сам. Очевидно органите на тези животни имат строга резонансна настройка на сигнали с определена честота и не реагират на сигнали, които се различават от техните собствени само с част от херца. Досега никое локационно устройство, създадено от човека, не притежава такава селективност и чувствителност. Делфините широко използват ултразвукова локация. Чувствителността на техния локатор е толкова голяма, че те могат да открият топка, пусната във водата на разстояние 20-30 m. Честотният диапазон, излъчван от делфините, варира от няколко десетки херца до 250 kHz, но интензитетът е максимален при 20–60 kHz. За вътрешновидова комуникация делфините използват звуци в диапазона, чуваем за хората, до около 400 Hz.