Was sind die praktischen Anwendungen von Ultraschall? Beginnen Sie in der Wissenschaft. Die Verwendung von Ultraschall in der Funkelektronik

Wenn sich in einem kontinuierlichen Medium - Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen - herausstellt, dass die Partikel des Mediums aus der Gleichgewichtsposition entfernt werden, bringen die von anderen Partikeln auf sie einwirkenden elastischen Kräfte sie in die Gleichgewichtsposition zurück. In diesem Fall schwingen die Teilchen. Die Ausbreitung elastischer Schwingungen in einem kontinuierlichen Medium ist ein wellenartiger Vorgang.
Schwingungen mit einer Frequenz von Einheiten von Hertz (Hz) bis 20 Hertz werden genannt Infraschall, bei einer Frequenz von 20 Hz bis 16 ... 20 kHz, entstehen Schwingungen hörbare Geräusche. Ultraschallschwingungen entsprechen Frequenzen von 16 ... 20 kHz bis 10 8 Hz, wobei Schwingungen mit einer Frequenz von mehr als 10 8 Hz genannt werden Hyperschall. Abbildung 1.1 zeigt eine logarithmische Frequenzskala basierend auf dem Ausdruck log 2 f = 1, 2, 3 …, n, wo 1, 2, 3 ..., Anm sind Oktavzahlen.

Abbildung 1.1 - Bereiche elastischer Schwingungen in materiellen Medien

Die physikalische Natur elastischer Schwingungen ist über den gesamten Frequenzbereich gleich. Um die Natur elastischer Schwingungen zu verstehen, betrachten Sie ihre Eigenschaften.
Wellenform ist die Form der Wellenfront, d.h. Menge von Punkten, die die gleiche Phase haben. Die Schwingungen der Ebene erzeugen eine ebene Schallwelle, wenn sich ein Zylinder entlang der Richtung seines Radius periodisch zusammendrückt und ausdehnt, entsteht eine zylindrische Welle. Ein Punktstrahler oder eine pulsierende Kugel, deren Abmessungen klein sind im Vergleich zur Wellenlänge der ausgesandten Welle, erzeugt eine Kugelwelle.

Schallwellen werden klassifiziert nach Wellenart : Sie können längs, quer, gebogen, torsional sein - abhängig von den Anregungs- und Ausbreitungsbedingungen. In Flüssigkeiten und Gasen breiten sich nur Longitudinalwellen aus, in Festkörpern können auch Transversal- und andere der aufgeführten Wellenarten auftreten. Bei einer Longitudinalwelle fällt die Richtung der Teilchenschwingung mit der Ausbreitungsrichtung der Welle zusammen (Bild 1.2, a), breitet sich die Transversalwelle senkrecht zur Richtung der Teilchenschwingung aus (Abbildung 1.2, b) .

a) die Bewegung von Teilchen des Mediums während der Ausbreitung einer Longitudinalwelle; b) die Bewegung von Teilchen des Mediums während der Ausbreitung einer Transversalwelle.

Abbildung 1.2 - Bewegung von Teilchen während der Wellenausbreitung

Jede Welle kann als sich in Zeit und Raum ausbreitende Schwingung charakterisiert werden Frequenz , Wellenlänge und Amplitude (Figur 3) . Dabei steht die Wellenlänge λ in Beziehung zur Frequenz f durch die Geschwindigkeit der Wellenausbreitung in einem gegebenen Material c: λ = c/f.

Abbildung 1.3 - Eigenschaften des Oszillationsprozesses

1.6 Praktische Anwendung niederenergetischer Ultraschallschwingungen

Das Anwendungsgebiet von Ultraschallschwingungen geringer Intensität (bedingt bis 1 W/cm 2 ) ist sehr umfangreich und wir werden der Reihe nach mehrere Hauptanwendungen von Ultraschallschwingungen geringer Intensität betrachten.
1. Ultraschallgeräte zur Überwachung chemischer Eigenschaften verschiedene Materialien und Umgebungen. Alle basieren auf der Geschwindigkeitsänderung von Ultraschallschwingungen im Medium und ermöglichen:
- Bestimmung der Konzentration binärer Gemische;
- Dichte von Lösungen;
- Polymerisationsgrad von Polymeren;
- das Vorhandensein von Verunreinigungen, Gasblasen in Lösungen;
- die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen bestimmen;
- Fettgehalt von Milch, Sahne, Sauerrahm;
- Dispersion in heterogenen Systemen usw.
Die Auflösung moderner Ultraschallgeräte beträgt 0,05 %, die Genauigkeit der Ausan 1 m langen Proben beträgt 0,5 -1 m/s (Geschwindigkeit in Metall beträgt mehr als 5000 m/s). Nahezu alle Messungen werden im Vergleich zum Standard durchgeführt.
2. Instrumente zur Kontrolle physikalischer und chemischer Eigenschaften basierend auf Ultraschall-Dämpfungsmessungen. Solche Geräte ermöglichen die Messung der Viskosität, der Dichte, der Zusammensetzung, des Gehalts an Verunreinigungen, Gasen usw. Die verwendeten Methoden basieren auch auf den Vergleichsmethoden mit der Norm.
3. Ultraschall-Durchflussmesser für Flüssigkeiten in Rohrleitungen. Ihre Wirkung basiert auch auf der Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallschwingungen entlang der Flüssigkeitsströmung und gegen die Strömung. Durch den Vergleich zweier Geschwindigkeiten können Sie die Durchflussmenge und bei bekanntem Rohrleitungsabschnitt die Durchflussmenge ermitteln. Ein Beispiel für einen der Durchflussmesser (Nr. 15183 im staatlichen Register der Messgeräte) ist in Abbildung 1.4 dargestellt.

Bild 1.4 - Stationärer Ultraschall-Durchflussmesser „AKRON“

Ein solcher Durchflussmesser ermöglicht die Messung des Volumenstroms und des Gesamtvolumens (Menge) von Flüssigkeiten, die in Druckleitungen von Wasserversorgungs-, Abwasser- und Versorgungssystemen für Ölprodukte fließen, ohne Einbindung in eine bestehende Rohrleitung. Das Funktionsprinzip des Durchflussmessers besteht darin, die Differenz der Laufzeit einer Ultraschallwelle entlang der Strömung und gegen die Strömung der kontrollierten Flüssigkeit zu messen, sie in eine momentane Durchflussrate umzurechnen und dann zu integrieren.
Der Fehler des Geräts beträgt 2 % der oberen Messgrenze. Die oberen und unteren Messgrenzen werden vom Bediener festgelegt. Der Durchflussmesser umfasst eine Sensoreinheit (bestehend aus zwei Ultraschallsensoren und einer Vorrichtung zur Montage an einem Rohr) und eine elektronische Einheit, die durch ein bis zu 50 m langes Hochfrequenzkabel (Standard - 10 m) verbunden sind. Sensoren werden an einem geraden Abschnitt der Rohrleitung an der Außenfläche installiert und von Schmutz, Farbe und Rost gereinigt. Voraussetzung für die korrekte Installation der Sensoren ist das Vorhandensein eines geraden Rohrabschnitts von mindestens 10 Rohrdurchmessern - vor und 5 Durchmessern - nach den Sensoren.
4. Füllstandsanzeigen
Das Funktionsprinzip basiert auf der Ortung des Füllstands von Flüssigkeiten oder Schüttgütern durch Ultraschallimpulse, die das gasförmige Medium passieren, und auf dem Phänomen der Reflexion dieser Impulse an der Grenzfläche "Gas - kontrolliertes Medium". Maß für den Pegel ist dabei die Laufzeit von Schallschwingungen vom Sender zur kontrollierten Schnittstelle zwischen den Medien und zurück zum Empfänger. Das Messergebnis wird auf einem Personalcomputer angezeigt, auf dem alle Messungen gespeichert sind, mit der anschließenden Möglichkeit, sie anzuzeigen und zu analysieren sowie mit einem automatisierten Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem zu verbinden. Der Füllstandsmesser als Teil des Systems kann endliche Zustandsmaschinen, Pumpen und andere Vorrichtungen bei Füllständen über dem Höchst- und unter dem Mindestwert umfassen, was es ermöglicht, den technologischen Prozess zu automatisieren. Zusätzlich ist ein Stromausgang (0,5 mA, 0-20 mA) für selbstaufzeichnende Geräte ausgebildet.
Mit der Füllstandsanzeige können Sie die Temperatur des Mediums in den Tanks kontrollieren. Das Hauptausgabeformat ist der Abstand von der Oberseite des Tanks zur Oberfläche des darin enthaltenen Stoffes. Auf Wunsch des Kunden ist es möglich, bei Bereitstellung der erforderlichen Informationen das Gerät so zu verfeinern, dass es die Höhe, Masse oder das Volumen des Stoffes im Tank anzeigt.
5. Ultraschallanalysatoren der Gaszusammensetzung basieren auf der Nutzung der Abhängigkeit der Ultraschallgeschwindigkeit in einem Gasgemisch von den Geschwindigkeiten in jedem der konstituierenden Gase dieses Gemisches.
6. Sicherheits-Ultraschallgeräte basieren auf der Messung verschiedener Parameter von Ultraschallfeldern (Schwingungsamplituden bei blockiertem Raum zwischen Sender und Empfänger, Frequenzänderungen bei Reflexion an einem sich bewegenden Objekt usw.).
7. Gastemperaturmesser und Feuermelder basierend auf der Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur oder dem Auftreten von Rauch.
8. Geräte für die zerstörungsfreie Ultraschallprüfung. Die zerstörungsfreie Prüfung ist eine der wichtigsten technologischen Methoden zur Sicherung der Qualität von Materialien und Produkten. Kein Produkt sollte ohne Inspektion verwendet werden. Es ist möglich, eine Überprüfung durch Testen durchzuführen, aber auf diese Weise können 1-10 Produkte getestet werden, aber es ist unmöglich, 100% aller Produkte zu überprüfen, da check - es bedeutet, alle Produkte zu verderben. Daher ist es notwendig, zu prüfen, ohne zu zerstören.
Eines der billigsten, einfachsten und empfindlichsten ist das Ultraschallverfahren der zerstörungsfreien Prüfung. Die wesentlichen Vorteile gegenüber anderen zerstörungsfreien Prüfverfahren sind:

- Erkennung tief im Material befindlicher Defekte, die durch verbessertes Eindringvermögen möglich wurden. Die Ultraschalluntersuchung wird bis zu einer Tiefe von mehreren Metern durchgeführt. Verschiedene Produkte unterliegen der Kontrolle, zum Beispiel: Langstahlstangen, Rotationsschmiedestücke usw.;
- hohe Empfindlichkeit bei der Erkennung extrem kleiner Defekte von wenigen Millimetern Länge;
- genaue Bestimmung des Ortes innerer Defekte, Bewertung ihrer Größe, Charakterisierung von Richtung, Form und Art;
- ausreichender Zugang zu nur einer Seite des Produkts;
- Steuerung des Prozesses durch elektronische Mittel, die eine fast sofortige Erkennung von Fehlern ermöglicht;
- volumetrisches Scannen, mit dem Sie das Volumen des Materials untersuchen können;
- fehlende Anforderungen an gesundheitsbezogene Vorsichtsmaßnahmen;
- Tragbarkeit der Ausrüstung.

1.7 Praktische Anwendung hochintensiver Ultraschallschwingungen

Bisher werden die Hauptprozesse, die mit Hilfe hochenergetischer Ultraschallschwingungen durchgeführt und intensiviert werden, normalerweise in drei große Untergruppen unterteilt, je nach Art der Umgebung, in der sie durchgeführt werden (Abbildung 1.5).

Abbildung 1.5 - Die Verwendung von hochenergetischen Ultraschallschwingungen

Abhängig von der Art der Umgebung werden Prozesse bedingt in Prozesse unterteilt in flüssigen, festen und thermoplastischen Stoffen und gasförmigen (Luft) Medien. In den folgenden Abschnitten werden Verfahren und Vorrichtungen zur Intensivierung von Prozessen in flüssigen, festen und thermoplastischen Stoffen, gasförmigen Medien näher betrachtet.
Als nächstes betrachten wir Beispiele der wichtigsten Technologien, die unter Verwendung von hochenergetischen Ultraschallschwingungen implementiert werden.
1. Dimensionsverarbeitung.

Ultraschallschwingungen werden verwendet, um spröde und extra harte Materialien und Metalle zu bearbeiten.
Die wichtigsten technologischen Prozesse, die durch Ultraschallschwingungen intensiviert werden, sind Bohren, Senken, Gewindeschneiden, Drahtziehen, Polieren, Schleifen, Bohren von Löchern mit komplexen Formen. Die Intensivierung dieser technologischen Prozesse erfolgt durch das Aufbringen von Ultraschallschwingungen auf das Werkzeug.
2. Ultraschallreinigung.
Heutzutage gibt es viele Möglichkeiten, Oberflächen von verschiedenen Verunreinigungen zu reinigen. Die Ultraschallreinigung ist schneller, bietet eine hohe Qualität und reinigt schwer zugängliche Stellen. Dadurch wird sichergestellt, dass hochgiftige, brennbare und teure Lösungsmittel durch gewöhnliches Wasser ersetzt werden.
Mittels hochfrequenter Ultraschallschwingungen werden Autovergaser und Injektoren in wenigen Minuten gereinigt.
Grund für die Beschleunigung der Reinigung ist die Kavitation, ein besonderes Phänomen, bei dem sich in der Flüssigkeit winzige Gasbläschen bilden. Diese Blasen platzen (explodieren) und erzeugen starke Hydroströmungen, die den gesamten Schmutz wegspülen. Heute existieren Waschmaschinen und Kleinwaschanlagen nach diesem Prinzip. Merkmale der Durchführung des Kavitationsprozesses und seiner Möglichkeiten werden gesondert betrachtet. Ultraschall reinigt Metalle von Polierpasten, gewalztes Metall von Zunder, Edelsteine ​​von Polierplätzen. Reinigen von Druckplatten, Waschen von Stoffen, Waschen von Ampullen. Reinigung von Rohrleitungen mit komplexer Form. Neben der Reinigung ist Ultraschall in der Lage, kleine Grate zu entfernen und zu polieren.
Ultraschalleinwirkung in flüssigen Medien zerstört Mikroorganismen und wird daher in der Medizin und Mikrobiologie vielfach eingesetzt.
Eine andere Implementierung der Ultraschallreinigung ist ebenfalls möglich.
- Reinigung von Rauch von festen Partikeln in der Luft. Dabei kommen auch Ultraschalleffekte auf Nebel und Rauch zum Einsatz. Partikel im Ultraschallfeld beginnen sich aktiv zu bewegen, kollidieren und haften aneinander, lagern sich an den Wänden ab. Dieses Phänomen nennt sich Ultraschallkoagulation und wird zur Bekämpfung von Nebel auf Flugplätzen, Straßen und Seehäfen eingesetzt.
3. Ultraschallschweißen.
Gegenwärtig werden mit Hilfe von Ultraschallschwingungen hoher Intensität polymere thermoplastische Materialien geschweißt. Das Schweißen von Polyethylenrohren, Kisten und Gläsern bietet eine hervorragende Dichtigkeit. Im Gegensatz zu anderen Methoden ist es möglich, kontaminierte Kunststoffe, Schläuche mit Flüssigkeit usw. mit Hilfe von Ultraschall auszukochen. In diesem Fall wird der Inhalt sterilisiert.
Mit Hilfe des Ultraschallschweißens wird dünnste Folie oder Draht auf ein Metallteil geschweißt. Außerdem ist das Ultraschallschweißen ein Kaltschweißen, da die Naht bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes gebildet wird. So werden Aluminium, Tantal, Zirkonium, Niob, Molybdän usw. durch Schweißen verbunden.
Derzeit hat das Ultraschallschweißen seine größte Anwendung für Hochgesund die Herstellung von Polymerverpackungsmaterialien gefunden.
4. Löten und Verzinnen
Aluminium wird mit hochfrequenten Ultraschallschwingungen gelötet. Mit Hilfe von Ultraschall können Sie Keramik und Glas verzinnen und anschließend löten, was bisher unmöglich war. Ferrite, das Auflöten von Halbleiterkristallen auf vergoldete Gehäuse, werden heute mit Ultraschalltechnik realisiert.
5. Ultraschall in der modernen Chemie
Gegenwärtig hat sich, wie aus der Literatur hervorgeht, eine neue Richtung in der Chemie herausgebildet - die Ultraschallchemie. Bei der Untersuchung der chemischen Umwandlungen, die unter der Einwirkung von Ultraschall stattfinden, haben Wissenschaftler herausgefunden, dass Ultraschall nicht nur die Oxidation beschleunigt, sondern in einigen Fällen auch eine reduzierende Wirkung hat. So wird Eisen aus Oxiden und Salzen reduziert.
Gute positive Ergebnisse wurden bei der Ultraschallverstärkung folgender chemisch-technologischer Prozesse erzielt:
- Elektroabscheidung, Polymerisation, Depolymerisation, Oxidation, Reduktion, Dispergierung, Emulgierung, Aerosolkoagulation, Homogenisierung, Imprägnierung, Auflösung, Sprühen, Trocknen, Verbrennen, Gerben usw.
Elektroabscheidung - das abgeschiedene Metall erhält eine feinkörnige Struktur, die Porosität nimmt ab. So werden Verkupferung, Verzinnung, Versilberung durchgeführt. Der Prozess ist schneller und die Qualität der Beschichtung höher als bei herkömmlichen Technologien.
Gewinnung von Emulsionen: Wasser und Fett, Wasser und ätherische Öle, Wasser und Quecksilber. Die Unmischbarkeitsbarriere wird von US überwunden.
Polymerisation (Verbindung von Molekülen zu einem) - Der Polymerisationsgrad wird durch die Ultraschallfrequenz reguliert.
Dispersion - Gewinnung ultrafeiner Pigmente zur Gewinnung von Farbstoffen.
Trocknen - ohne Erhitzen biologisch aktiver Substanzen. In der Lebensmittel-, Pharmaindustrie.
Versprühen von Flüssigkeiten und Schmelzen. Intensivierung von Prozessen in Sprühtrocknern. Gewinnung von Metallpulver aus Schmelzen. Diese Sprühgeräte eliminieren rotierende und reibende Teile.
Ultraschall erhöht die Verbrennungseffizienz von flüssigen und festen Brennstoffen um das 20-fache.
Imprägnierung. Die Flüssigkeit passiert hundertmal schneller die Kapillaren des imprägnierten Materials. Es wird bei der Herstellung von Dachmaterialien, Schwellen, Zementplatten, Textolith, Getinaken, Holzimprägnierung mit modifizierten Harzen verwendet
6. Ultraschall in der Metallurgie.
- Es ist bekannt, dass Metalle beim Schmelzen Gase von Aluminium und seinen Legierungen absorbieren. 80 % aller Gase in der Metallschmelze sind H2. Dies führt zu einer Verschlechterung der Qualität des Metalls. Gase können mit Hilfe von Ultraschall entfernt werden, was es in unserem Land ermöglichte, einen speziellen technologischen Kreislauf zu schaffen und ihn in großem Umfang bei der Herstellung von Metallen einzusetzen.
- Ultraschall fördert die Härtung von Metallen
- In der Pulvermetallurgie fördert Ultraschall die Haftung von Partikeln des herzustellenden Materials. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer Hochdruckabdichtung.
7. Ultraschall im Bergbau.
Der Einsatz von Ultraschall ermöglicht die Umsetzung folgender Technologien:
- Entfernung von Paraffin von den Wänden von Ölquellen;
- Ausschluss von Methanexplosionen in Bergwerken aufgrund seiner Ausbreitung;
- Ultraschallkonzentration von Erzen (Flotationsverfahren unter Verwendung von Ultraschall).
8. KM in der Landwirtschaft.
Ultraschallschwingungen wirken sich positiv auf Samen und Körner aus, bevor sie gepflanzt werden. So erhöht die Verarbeitung von Tomatensamen vor dem Pflanzen die Anzahl der Früchte, verkürzt die Reifezeit und erhöht die Menge an Vitaminen.
Die Ultraschallbehandlung von Melonen- und Maissamen führt zu einer Ertragssteigerung von 40 %.
Bei der Verarbeitung von Ultraschallsamen ist es möglich, eine Desinfektion vorzunehmen und die erforderlichen Mikroelemente aus der Flüssigkeit einzubringen
9. Lebensmittelindustrie.
In der Praxis werden bereits heute folgende Technologien eingesetzt:
- Behandlung von Milch zur Homogenisierung Sterilisation;
- Verarbeitung zur Erhöhung der Haltbarkeit und Qualität von gefrorener Milch
- Gewinnung von hochwertigem Milchpulver;
- Gewinnung von Emulsionen zum Backen;
- Die Behandlung von Hefe um 15% erhöht ihre Gärkraft;
- Gewinnung von Aromastoffen, Püree, Extraktion von Fett aus der Leber;
- Isolierung von Zahnstein;
- Gewinnung pflanzlicher und tierischer Rohstoffe;
- Produktion von Parfums (6...8 Stunden statt einem Jahr).
10. Ultraschall in der Biologie.
- Große Ultraschalldosen töten Mikroorganismen ab (Staphylokokken, Streptokokken, Viren);
- Niedrige Intensität des Ultraschalleinflusses fördert das Wachstum von Kolonien von Mikroorganismen;
11. Einfluss auf eine Person.
Ultraschallbestrahlung mit einer Intensität von bis zu 0,1 ... 0,4 W / cm hat eine therapeutische Wirkung. In Amerika gilt eine Behandlung als Effekt mit einer Intensität von bis zu 0,8 W/cm
12. In der Medizin.
Ultraschallskalpelle, Geräte zur externen und internen Fettabsaugung, laparoskopische Instrumente, Inhalatoren, Massagegeräte sind weit verbreitet und ermöglichen die Behandlung verschiedener Krankheiten.
Die folgende Vorlesung dient dem vorläufigen Kennenlernen von Studenten, Doktoranden, Ingenieuren und Technologen verschiedener Branchen mit den Grundlagen der Ultraschalltechnologien und soll grundlegende Kenntnisse über die Theorie der Entstehung von Ultraschallschwingungen und die Praxis der Anwendung von Hochschall vermitteln -Intensität Ultraschallschwingungen.

Ultraschall – was ist das?

Theorie und Praxis.

Bei aller Komplexität der Ultraschalltheorie ist es nicht so schwierig, die Prinzipien der Ultraschallreinigung von Oberflächen zu verstehen. Dieser Artikel richtet sich an diejenigen, die sich ein Bild von den Hauptphänomenen machen möchten, die bei akustischen Reinigungstechnologien verwendet werden, und vor allem - um zu verstehen, "wie dieses Ding funktioniert", welche Kriterien bei der Auswahl von Geräten, Waschmedien und Verarbeitungsmodi befolgt werden können.
Reinigungstechnologien werden ständig verbessert. Das in Russland weit verbreitete Alkohol-Benzin-Gemisch zur Reinigung von Leiterplatten von Flussmittelrückständen und Prozessverunreinigungen verliert mit abnehmender Größe der Bauteile an Wirksamkeit. In den abnehmenden Nebenhöhlen und Lücken gibt es keinen notwendigen Lösungsaustausch, um die technologische Verschmutzung von dort auszuwaschen.
Der Wunsch, die Reinigung durch Verlängerung der Zeit zu verbessern, führt zum Auswaschen des Bindemittels und zur Bildung eines weißlichen Belags auf der Oberfläche der Platten. Die im Ausland praktizierte Kondensationsreinigung mit chlorierten und fluorierten Kohlenwasserstoffen schadet der Ökologie unseres Planeten und wird in Zukunft verschwinden. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Reinigungsqualität stetig.

Sauberkeit ist in vielen Branchen zu einem relevanten Qualitätsfaktor geworden, wie es in der Vergangenheit nicht der Fall war. In der Elektronikindustrie, wo Sauberkeit schon immer wichtig war, ist sie zu einem noch wichtigeren Faktor geworden, wenn es darum geht, die Lebensfähigkeit der Hochtechnologie zu gewährleisten.
Es scheint, dass jede Verbesserung in der Technologie immer mehr Aufmerksamkeit für die Sauberkeit erfordert, um sie umzusetzen. Infolgedessen wurden Reinigungstechnologien in den letzten Jahren kritisch überprüft. Viele davon basieren heute auf der Verwendung von Ultraschall-Reinigungsverfahren.
Unabhängig davon, welche effektiven Reinigungslösungen verwendet werden, ist es ohne die Hinzufügung von Schallenergie von Ultraschall nicht möglich, ein bestimmtes Reinigungsniveau bereitzustellen.

Was ist Ultraschall?
Ultraschall (US) - elastische Schwingungen und Wellen, deren Frequenz höher als 15.. .20 kHz ist. Die untere Grenze des Ultraschallfrequenzbereichs, die ihn vom Bereich des hörbaren Schalls trennt, wird durch die subjektiven Eigenschaften des menschlichen Gehörs bestimmt und ist bedingt. Die Obergrenze ergibt sich aus der physikalischen Natur elastischer Wellen, die sich nur in einem materiellen Medium ausbreiten können, das heißt, vorausgesetzt, die Wellenlänge ist viel größer als die mittlere freie Weglänge von Molekülen in Gasen oder die interatomaren Abstände in Flüssigkeiten und Festkörpern. Daher wird in Gasen die Obergrenze der Ultraschallfrequenzen aus der Bedingung der ungefähren Gleichheit der Schallwellenlänge und der mittleren freien Weglänge der Moleküle bestimmt. Bei Normaldruck sind es 109 Hz. In Flüssigkeiten und Feststoffen ist der entscheidende Faktor die Gleichheit der Wellenlänge mit den Atomabständen, und die Grenzfrequenz erreicht 1012-1013 Hz. Je nach Wellenlänge und Frequenz hat Ultraschall spezifische Eigenschaften in Bezug auf Strahlung, Empfang, Ausbreitung und Anwendung, daher ist es zweckmäßig, den Ultraschallfrequenzbereich in drei Unterbereiche zu unterteilen: niedrig - 1,5-10. ..105Hz; mittel - 105 ... 107 Hz; hoch - 1O7 ... 1O9 Hz.

Theorie der Schallwellen.
Ultraschall als elastische Wellen.
Ultraschallwellen unterscheiden sich naturgemäß nicht von elastischen Wellen im hörbaren Bereich sowie von Infraschallwellen. Die Ausbreitung von Ultraschall gehorcht den Grundgesetzen, die akustischen Wellen aller Frequenzbereiche gemeinsam sind, die üblicherweise als Schallwellen bezeichnet werden. Zu den Hauptgesetzen ihrer Ausbreitung gehören die Gesetze der Reflexion und Brechung des Schalls an den Grenzen verschiedener Medien, die Beugung und Streuung des Schalls bei Vorhandensein von Hindernissen und Inhomogenitäten im Medium und Unregelmäßigkeiten an den Grenzen, die Gesetze der Wellenleiterausbreitung in begrenzte Bereiche des Mediums.

Besonderheiten des Ultraschalls.
Obwohl die physikalische Natur des Ultraschalls und die Grundgesetze seiner Ausbreitung die gleichen sind wie bei Schallwellen aller Frequenzbereiche, weist er doch einige Besonderheiten auf, die seine Bedeutung in Wissenschaft und Technik bestimmen. Sie zeichnen sich durch relativ hohe Frequenzen und dementsprechend kleine Wellenlängen aus. Für den niederfrequenten Bereich von Ultraschallwellenlängen überschreiten sie in den meisten Fällen einige Zentimeter nicht, und nur nahe der unteren Grenze des Bereichs erreichen sie mehrere zehn Zentimeter in Festkörpern. UKWs klingen viel schneller ab als niederfrequente Wellen, da der Schallabsorptionsgrad (pro Entfernungseinheit) proportional zum Quadrat der Frequenz ist.

Ein weiteres sehr wichtiges Merkmal des Ultraschalls ist die Möglichkeit, bei relativ kleinen Amplituden der Schwingungsverschiebung hohe Intensitätswerte zu erhalten, da die Intensität bei einer bestimmten Amplitude direkt proportional zum Quadrat der Frequenz ist. Die Amplitude der Schwingungsverschiebung ist in der Praxis durch die Stärke der akustischen Emitter begrenzt. Der wichtigste nichtlineare Effekt in einem Ultraschallfeld ist die Kavitation – das Auftreten einer Masse pulsierender Blasen, die mit Dampf, Gas oder deren Mischung gefüllt sind, in einer Flüssigkeit. Die komplexe Bewegung von Blasen, ihr Kollabieren, Verschmelzen usw. erzeugen Kompressionsimpulse (Mikroschockwellen) und Mikroströmungen in der Flüssigkeit, bewirken eine lokale Erwärmung des Mediums, Ionisation. Diese Effekte wirken sich auf den Stoff aus: Es kommt zur Zerstörung von Feststoffen in der Flüssigkeit (Kavitationserosion), verschiedene physikalische und chemische Prozesse werden in Gang gesetzt oder beschleunigt.

Durch Ändern der Kavitationsbedingungen ist es möglich, verschiedene Kavitationseffekte zu verstärken oder abzuschwächen. Beispielsweise nimmt mit zunehmender Ultraschallfrequenz die Rolle der Mikroströmungen zu und die Kavitationserosion ab; mit zunehmendem hydrostatischen Druck in einer Flüssigkeit nimmt die Rolle der Mikroschocks zu. Eine Erhöhung der Frequenz führt in der Regel zu einer Erhöhung der Schwellenintensität entsprechend dem Beginn der Kavitation, die von der Art der Flüssigkeit, ihrem Gasgehalt, ihrer Temperatur usw. abhängt. Für Wasser im niederfrequenten Ultraschallbereich bei Atmosphärendruck ist es beträgt normalerweise 0,3-1 W/cm3.

Ultraschallquellen
In der Natur ist Ultraschall in vielen natürlichen Geräuschen zu finden (im Geräusch von Wind, Wasserfällen, Regen, im Geräusch von Kieselsteinen, die von der Meeresbrandung gerollt werden, in den Geräuschen, die Blitzentladungen begleiten usw.), sowie in der Welt der Tiere verwenden es zur Echoortung und Kommunikation. Technische Ultraschallsender zur Untersuchung von Ultraschallwellen und ihre technischen Anwendungen können in zwei Gruppen eingeteilt werden.

Die erste umfasst Emitter-Generatoren (Pfeifen). Schwingungen in ihnen werden durch das Vorhandensein von Hindernissen auf dem Weg eines konstanten Stroms eines Gas- oder Flüssigkeitsstrahls angeregt.

Die zweite Gruppe von Strahlern sind elektroakustische Wandler: Sie wandeln bereits gegebene elektrische Schwingungen in mechanische Schwingungen eines Festkörpers um, der Schallwellen in die Umgebung abstrahlt.

Die Verwendung von Ultraschall.
Die vielfältigen Anwendungen des Ultraschalls, bei denen seine vielfältigen Eigenschaften zum Einsatz kommen, lassen sich bedingt in drei Bereiche einteilen.
Die erste ist mit der Informationsgewinnung mittels Ultraschallwellen verbunden, die zweite - mit aktiver Beeinflussung der Substanz und die dritte - mit der Verarbeitung und Übertragung von Signalen (die Richtungen sind in der Reihenfolge ihrer historischen Entwicklung aufgeführt ).

Prinzipien der Ultraschallreinigung.
Kavitation spielt die Hauptrolle bei der Einwirkung von Ultraschall auf Stoffe und Prozesse in Flüssigkeiten. Kavitation ist die Grundlage für das am weitesten verbreitete technologische Ultraschallverfahren - die Reinigung der Oberflächen von Festkörpern. Je nach Art der Verschmutzung können verschiedene Erscheinungsformen der Kavitation wie Mikroschlag, Mikroströmungen und Erwärmung von mehr oder weniger großer Bedeutung sein. Durch die Wahl der Parameter des Schallfeldes, der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Waschflüssigkeit, ihres Gasgehaltes, äußerer Faktoren (Druck, Temperatur) lässt sich der Reinigungsprozess in weiten Bereichen steuern und je nach Art optimieren Verschmutzung und Art der zu reinigenden Teile.

Eine Art der Reinigung ist das Ätzen im Ultraschallfeld, bei dem die Einwirkung von Ultraschall mit der Einwirkung starker chemischer Reagenzien kombiniert wird. Die Ultraschallmetallisierung und das Löten basieren eigentlich auf einer Ultraschallreinigung (einschließlich des Oxidfilms) der zu verbindenden oder zu metallisierenden Oberflächen. Die Reinigung während des Lötens erfolgt durch Kavitation im geschmolzenen Metall. Dabei ist der Reinigungsgrad so hoch, dass Verbindungen von unter normalen Bedingungen nicht lötbaren Materialien entstehen, beispielsweise Aluminium mit anderen Metallen, verschiedene Metalle mit Glas, Keramiken und Kunststoffen. Bei den Prozessen der Reinigung und Metallisierung ist auch der Schallkapillareffekt wesentlich, der für das Eindringen der Waschlauge oder Schmelze in kleinste Ritzen und Poren sorgt.

Mechanismen zum Reinigen und Waschen.
Die Reinigung erfordert in den meisten Fällen, dass die Verunreinigungen gelöst (im Falle von Salzen gelöst), abgekratzt (im Falle von unlöslichen Salzen) oder sowohl gelöst als auch abgekratzt werden (wie im Falle von unlöslichen Partikeln, die in einer Fettfilmschicht fixiert sind ). Die mechanischen Wirkungen von Ultraschallenergie können sowohl beim Beschleunigen der Auflösung als auch beim Trennen von Partikeln von der zu reinigenden Oberfläche nützlich sein.
Auch beim Spülvorgang kann Ultraschall effektiv eingesetzt werden. Reste von Chemikalien in Reinigungsmedien können durch Ultraschallspülung schnell entfernt werden. Beim Entfernen von Verunreinigungen durch Auflösen muss das Lösungsmittel mit dem Verunreinigungenfilm in Kontakt kommen und diesen zerstören.

Wenn das Lösungsmittel die Verunreinigung auflöst, wird eine gesättigte Lösung der Verunreinigung in dem Lösungsmittel an der Lösungsmittel-Verunreinigungs-Grenzfläche erzeugt und die Auflösung stoppt, weil keine frische Lösung an die Oberfläche der Verunreinigung abgegeben wird. Die Einwirkung von Ultraschall zerstört die Schicht aus gesättigtem Lösungsmittel und sorgt für die Abgabe einer frischen Lösung an die Oberfläche der Kontamination. Dies ist besonders effektiv in Fällen, in denen "falsche" Oberflächen mit einem Labyrinth aus Vertiefungen und Oberflächenreliefs gereinigt werden, wie z. B. Leiterplatten und elektronische Module. Einige Verunreinigungen sind eine Schicht aus unlöslichen Partikeln, die durch Ionenbindung und Adhäsionskräfte fest an der Oberfläche haften. Diese Partikel müssen nur von der Oberfläche getrennt werden, um die Anziehungskräfte zu brechen und sie zur späteren Entfernung in das Volumen des Waschmediums zu übertragen. Kavitations- und Schallströmungen reißen Verunreinigungen wie Staub von der Oberfläche ab, waschen sie ab und entfernen sie.

Verschmutzung ist in der Regel mehrkomponentig und kann lösliche und unlösliche Komponenten in Kombination enthalten. Die Wirkung des Ultraschalls besteht darin, dass er beliebige Bestandteile emulgiert, also in ein Waschmedium überführt und zusammen mit diesem von der Oberfläche der Produkte entfernt. Um Ultraschallenergie in das Reinigungssystem einzubringen, sind ein Ultraschallgenerator, ein Wandler der elektrischen Energie des Generators in Ultraschallstrahlung und ein Schallleistungsmesser erforderlich.
Ein elektrischer Ultraschallgenerator wandelt die elektrische Energie des Netzes in elektrische Energie mit einer Ultraschallfrequenz um. Dies erfolgt auf bekannte Weise und weist keine Besonderheiten auf. Es ist jedoch vorzuziehen, eine digitale Erzeugungstechnologie zu verwenden, wenn die Ausgabe rechteckige Impulse wechselnder Polarität sind. Der Wirkungsgrad solcher Generatoren liegt bei nahezu 100 %, wodurch das Problem der Energieintensität des Prozesses gelöst werden kann. Die Verwendung eines Rechteckwellensignals führt zu einer akustischen Emission, die reich an Oberwellen ist. Die Vorteile eines Mehrfrequenz-Reinigungssystems liegen darin, dass es keine "toten" Zonen in den Störknoten im Volumen des Waschmediums gibt. Die Multifrequenz-Ultraschallbestrahlung ermöglicht es daher, das Behandlungsobjekt in nahezu jeder Zone des Ultraschallbades zu platzieren.

Eine andere Möglichkeit, "tote" Zonen loszuwerden, ist die Verwendung eines Frequenz-Sweep-Generators. Dabei bewegen sich die Knoten und Bäuche des Störfeldes an unterschiedliche Stellen des Reinigungssystems, ohne dass Bereiche zur Reinigung ohne Bestrahlung übrig bleiben. Der Wirkungsgrad solcher Generatoren ist jedoch relativ gering.

Konverter.
Es gibt zwei allgemeine Arten von Ultraschallwandlern: magnetostriktive und piezoelektrische. Beide erfüllen die gleiche Aufgabe, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Magnetostriktive Wandler nutzen den Effekt der Magnetostriktion, bei der einige Materialien ihre linearen Abmessungen in einem magnetischen Wechselfeld ändern. Die elektrische Energie des Ultraschallgenerators wird zunächst durch die Magnetostriktorwicklung in ein magnetisches Wechselfeld umgewandelt. Das magnetische Wechselfeld wiederum erzeugt aufgrund der Verformung des magnetischen Kreises im Takt der Frequenz des magnetischen Feldes mechanische Schwingungen der Ultraschallfrequenz. Da sich magnetostriktive Materialien wie Elektromagnete verhalten, ist die Frequenz ihrer Verformungsschwingungen doppelt so hoch wie die Frequenz des magnetischen und damit des elektrischen Feldes.
Elektromagnetische Wandler sind gekennzeichnet durch eine Zunahme der Energieverluste durch Wirbelströme und Ummagnetisierung mit zunehmender Frequenz. Daher werden leistungsstarke magnetostriktive Wandler selten bei Frequenzen über 20 kHz verwendet.

Piezowandler hingegen können gut im Megahertz-Bereich strahlen. Magnetostriktive Wandler sind im Allgemeinen weniger effizient als ihre piezoelektrischen Gegenstücke. Dies liegt vor allem daran, dass der magnetostriktive Wandler eine doppelte Energiewandlung erfordert: von elektrisch nach magnetisch und dann von magnetisch nach mechanisch. Bei jeder Wandlung entstehen Energieverluste. Dies verringert die Effizienz der Magnetostriktoren.
Piezoelektrische Wandler wandeln elektrische Energie direkt in mechanische Energie um, indem sie den piezoelektrischen Effekt nutzen, bei dem bestimmte Materialien (Piezoelektrika) ihre linearen Abmessungen ändern, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird.
Früher wurden piezoelektrische Materialien wie natürliche Quarzkristalle und synthetisiertes Bariumtitanat für piezoelektrische Emitter verwendet, die zerbrechlich und instabil und daher unzuverlässig waren.
Moderne Wandler verwenden stärkere und stabilere keramische piezoelektrische Materialien. Die überwiegende Mehrheit der heutigen Ultraschall-Reinigungssysteme nutzt den piezoelektrischen Effekt.

Ultraschall-Reinigungsgeräte.
Die Palette der eingesetzten Ultraschall-Reinigungsgeräte ist sehr breit, von kleinen Tischgeräten in der Zahnmedizin, Juweliergeschäften, der Elektroindustrie bis hin zu riesigen Anlagen mit Volumina von mehreren tausend Litern in einer Reihe von industriellen Anwendungen. Die Wahl der richtigen Ausrüstung ist für den Erfolg einer Ultraschallreinigungsanwendung von größter Bedeutung. Die einfachste Anwendung der Ultraschallreinigung erfordert möglicherweise nur eine erhitzte Waschflüssigkeit. Komplexere Reinigungssysteme erfordern eine große Anzahl von Bädern, von denen das letzte mit destilliertem oder deionisiertem Wasser gefüllt werden muss.
Die größten Systeme verwenden Tauch-Ultraschallwandler, deren Kombination Bäder nahezu jeder Größe bestrahlen kann. Sie bieten maximale Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit sowie Wartungsfreundlichkeit. Ultraschallbäder mit erhitzter Reinigungslösung werden am häufigsten in Labors, Medizin und Schmuck verwendet.
In der Großserienfertigung eingesetzte Ultraschall-Reinigungslinien vereinen elektrische Ultraschallgeneratoren, Ultraschallwandler, ein Transportsystem zum Bewegen von Reinigungsobjekten durch Bäder und eine Steuerung in einem Gebäude. Ultraschallbäder können in die Linie der chemisch-galvanischen Metallisierung mit modularen Tauch-Ultraschallwandlern aufgenommen werden.

Ultraschall-Reinigungssysteme
Bei der Auswahl eines Reinigungssystems ist es besonders wichtig, auf die Eigenschaften zu achten, die es Ihnen ermöglichen, es am effizientesten einzusetzen. Zunächst ist es wichtig, die Intensitätsfaktoren der Ultraschallkavitation in der Waschflüssigkeit zu bestimmen. Die Temperatur der Flüssigkeit ist der wichtigste Faktor, der die Intensität der Kavitation sicherstellt. Temperaturänderungen führen zu Änderungen der Viskosität, der Löslichkeit eines Gases in einer Flüssigkeit, der Diffusionsgeschwindigkeit gelöster Gase in einer Flüssigkeit und des Dampfdrucks.
Sie alle beeinflussen die Intensität der Kavitation. Viskose Flüssigkeiten sind träge und können nicht schnell genug reagieren, um Kavitationsblasen und starke akustische Strömungen zu bilden. Für eine möglichst effektive Kavitation sollte die Reinigungsflüssigkeit so wenig gelöstes Gas wie möglich enthalten.
Das in der Flüssigkeit gelöste Gas entweicht während der Blasenphase des Kavitationswachstums und schwächt deren Sprengwirkung, die für die zu erwartende Wirkung der Ultraschallbehandlung notwendig ist. Die Menge an gelöstem Gas in einer Flüssigkeit nimmt mit steigender Temperatur ab.
Auch die Diffusionsgeschwindigkeit von gelösten Gasen in einer Flüssigkeit nimmt bei höheren Temperaturen zu. Daher wird die Reinigung in erhitzten Waschmittellösungen bevorzugt.
Die Dampfkavitation, bei der die Kavitationsblasen mit Flüssigkeitsdampf gefüllt sind, ist am effizientesten. Die Intensität der Kavitation steht in direktem Zusammenhang mit der Leistung der Ultraschalleinstrahlung. Üblicherweise wird sie oberhalb der Kavitationsschwelle eingestellt. Die Intensität der Kavitation ist umgekehrt proportional zur Ultraschallfrequenz: Mit zunehmender Ultraschallfrequenz nimmt die Größe der Kavitationsblasen und deren resultierende Wirkung auf die zu reinigende Oberfläche ab. Die Abnahme der Intensität der Ultraschalleinwirkung mit zunehmender Frequenz zu kompensieren, ist nur durch eine Erhöhung der Bestrahlungsleistung möglich.

Gewährleistet maximale Reinigungswirkung
Die richtige Wahl der Reinigungsmedien ist der Schlüssel zum Erfolg im Ultraschall-Reinigungsprozess. Zunächst einmal muss die gewählte Zusammensetzung mit den Materialien der zu reinigenden Oberflächen verträglich sein. Am besten eignen sich hierfür wässrige Lösungen technischer Reinigungsmittel. In der Regel handelt es sich dabei um übliche oberflächenaktive Substanzen (Tenside). Das Entgasen von Reinigungslösungen ist äußerst wichtig, um zufriedenstellende Reinigungsergebnisse zu erzielen. Frische oder am Vortag gekühlte Lösungen müssen vor dem Reinigungsvorgang entgast werden. Die Entgasung erfolgt durch Erhitzen der Flüssigkeit und Vorbeschallung des Bades mit Ultraschall. Die eingestellte Zeit zum Entgasen der Flüssigkeit reicht von wenigen Minuten für kleine Bäder bis zu einer Stunde oder mehr für einen großen Tank. Ein unbeheizter Tank kann mehrere Stunden ausgasen. Ein Zeichen für eine abgeschlossene Entgasung ist das Fehlen von sichtbaren Gasblasen, die sich zur Oberfläche der Flüssigkeit bewegen, und das Fehlen von sichtbaren Blasenpulsationen. Die Leistung der Ultraschallbestrahlung sollte mit dem Volumen des Bades verglichen werden. Das Reinigen von Objekten, die massiv sind oder ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Masse aufweisen, kann zusätzliche Ultraschallleistung erfordern. Übermäßige Leistung kann Kavitationserosion oder einen „Brand“-Effekt auf weichen Oberflächen verursachen. Bei der Reinigung von Gegenständen mit heterogenen Oberflächen empfiehlt es sich, die Bestrahlungsstärke entsprechend der weniger haltbaren Komponente einzustellen.
Es ist wichtig, die zu reinigenden Gegenstände richtig in das Bad zu legen. Tauchgeräte dürfen keine Gegenstände vor Ultraschalleinwirkung abschirmen.
Harte Materialien haben in der Regel eine gute Schallleitfähigkeit und schirmen das zu reinigende Objekt nicht ab. Reinigungsobjekte müssen jedoch während der Reinigung ständig ausgerichtet oder gedreht werden, um die inneren Nebenhöhlen und Sacklöcher vollständig zu reinigen.

Richtig eingesetzte Ultraschalltechnologie gewährleistet eine schnelle und qualitativ hochwertige Oberflächenreinigung.
Der Verzicht auf die Verwendung von Lösungsmitteln durch die Verwendung von wässrigen Medien reduziert die Kosten des Verfahrens und löst Umweltprobleme am effektivsten.
Ultraschall ist nicht die Technologie der Zukunft, sondern die Technologie von heute.

Arkadi Medwedew.

Ultraschall …………………………………………………………………….4

Ultraschall als elastische Wellen…………………………………………..4

Besonderheiten des Ultraschalls………………………………..5

Quellen und Empfänger von Ultraschall …………………………………………..7

Mechanische Strahler……………………………………………...7

Elektroakustische Wandler …………………………….9

Ultraschallempfänger………………………………………………..11

Die Verwendung von Ultraschall …………………………………………………...11

Ultraschallreinigung………………………………………………...11

Bearbeitung von superhart und spröde

Materialien …………………………………………………………………13

Ultraschallschweißen …………………………………………………….14

Ultraschalllöten und Verzinnen……………………………………14

Beschleunigung von Produktionsprozessen………………..…………15

Ultraschall-Fehlererkennung…………………………..…………15

Ultraschall in der Funkelektronik………………………..……………17

Ultraschall in der Medizin………………………………..……………..18

Literatur …………………………………………………..……………….19

Dirigieren.

Das 21. Jahrhundert ist das Jahrhundert des Atoms, der Eroberung des Weltraums, der Funkelektronik und des Ultraschalls. Die Wissenschaft des Ultraschalls ist relativ jung. Die ersten Laborarbeiten zur Untersuchung des Ultraschalls wurden Ende des 19. Jahrhunderts vom großen russischen Physiker P. N. Lebedev durchgeführt, und dann beschäftigten sich viele prominente Wissenschaftler mit Ultraschall.

Ultraschall ist eine wellenartige Schwingungsbewegung mittlerer Teilchen. Ultraschall hat einige Besonderheiten im Vergleich zu den Tönen des hörbaren Bereichs. Im Ultraschallbereich ist es relativ einfach, gerichtete Strahlung zu erhalten; es eignet sich gut zum Fokussieren, wodurch die Intensität der Ultraschallschwingungen zunimmt. Bei der Ausbreitung in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern erzeugt Ultraschall interessante Phänomene, von denen viele in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technik praktische Anwendung gefunden haben.

In den letzten Jahren hat Ultraschall begonnen, eine immer wichtigere Rolle in der wissenschaftlichen Forschung zu spielen. Theoretische und experimentelle Studien auf dem Gebiet der Ultraschallkavitation und der akustischen Strömungen wurden erfolgreich durchgeführt, wodurch neue technologische Prozesse entwickelt werden konnten, die unter Einwirkung von Ultraschall in der flüssigen Phase ablaufen. Derzeit bildet sich eine neue Richtung in der Chemie heraus - die Ultraschallchemie, die es ermöglicht, viele chemische und technologische Prozesse zu beschleunigen. Die wissenschaftliche Forschung hat zur Entstehung eines neuen Bereichs der Akustik beigetragen - der Molekularakustik, die die molekulare Wechselwirkung von Schallwellen mit Materie untersucht. Neue Anwendungsgebiete des Ultraschalls sind entstanden: Introskopie, Holographie, Quantenakustik, Ultraschall-Phasenmessung, Akustoelektronik.

Neben theoretischer und experimenteller Forschung auf dem Gebiet des Ultraschalls wurde viel praktische Arbeit geleistet. Universelle und spezielle Ultraschallmaschinen, Anlagen, die unter erhöhtem statischen Druck arbeiten, mechanisierte Ultraschallanlagen zur Reinigung von Teilen, Generatoren mit erhöhter Frequenz und einem neuen Kühlsystem, Wandler mit einem gleichmäßig verteilten Feld wurden entwickelt. Es wurden automatische Ultraschallanlagen geschaffen und in die Produktion eingeführt, die in Produktionslinien integriert sind und eine deutliche Steigerung der Arbeitsproduktivität ermöglichen.

Ultraschall.

Ultraschall (US) - elastische Schwingungen und Wellen, deren Frequenz 15 - 20 kHz überschreitet. Die untere Grenze des Ultraschallfrequenzbereichs, die ihn vom Bereich des hörbaren Schalls trennt, wird durch die subjektiven Eigenschaften des menschlichen Gehörs bestimmt und ist bedingt, da die obere Grenze der Hörwahrnehmung bei jedem Menschen unterschiedlich ist. Die Obergrenze der Ultraschallfrequenzen ergibt sich aus der physikalischen Natur elastischer Wellen, die sich nur in einem materiellen Medium ausbreiten können, d.h. vorausgesetzt, dass die Wellenlänge viel größer ist als die mittlere freie Weglänge von Molekülen in einem Gas oder die interatomaren Abstände in Flüssigkeiten und Festkörpern. In Gasen bei Normaldruck liegt die obere Grenze der Ultraschallfrequenzen bei » 10 9 Hz, in Flüssigkeiten und Feststoffen erreicht die Grenzfrequenz 10 12 -10 13 Hz. Ultraschall hat je nach Wellenlänge und Frequenz verschiedene spezifische Eigenschaften der Abstrahlung, des Empfangs, der Ausbreitung und der Anwendung, daher wird der Bereich der Ultraschallfrequenzen in drei Bereiche unterteilt:

· niedrige Ultraschallfrequenzen (1,5 × 10 4 – 10 5 Hz);

mittel (10 5 - 10 7 Hz);

hoch (10 7 - 10 9 Hz).

Elastische Wellen mit Frequenzen von 10 9 - 10 13 Hz werden üblicherweise als Hyperschall bezeichnet.

Ultraschall als elastische Wellen.

Ultraschallwellen (unhörbarer Schall) unterscheiden sich naturgemäß nicht von elastischen Wellen im hörbaren Bereich. Vermehrt sich nur in Gasen und Flüssigkeiten längs Wellen und in Festkörpern - Längs- und Scherung s.

Die Ausbreitung von Ultraschall gehorcht den Grundgesetzen, die akustischen Wellen aller Frequenzbereiche gemeinsam sind. Die Grundgesetze der Verteilung sind Gesetze der Schallreflexion und Schallbrechung an den Grenzen verschiedener Medien, Schallbeugung und Schallstreuung bei Vorhandensein von Hindernissen und Inhomogenitäten im Medium und Unregelmäßigkeiten an den Rändern, Gesetze der Wellenleiterausbreitung in begrenzten Bereichen der Umgebung. Eine wichtige Rolle spielt das Verhältnis der Schallwellenlänge l zur geometrischen Abmessung D, also der Größe der Schallquelle bzw. des Hindernisses im Wellenweg, und der Größe der Inhomogenitäten des Mediums. Bei D>>l erfolgt die Schallausbreitung in der Nähe von Hindernissen hauptsächlich nach den Gesetzen der geometrischen Akustik (Sie können die Gesetze der Reflexion und der Brechung verwenden). Der Grad der Abweichung vom geometrischen Ausbreitungsmuster und die Notwendigkeit, Beugungserscheinungen zu berücksichtigen, werden durch den Parameter bestimmt

, wobei r der Abstand vom Beobachtungspunkt zum Beugungsobjekt ist.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen in einem unbegrenzten Medium wird durch die Eigenschaften der Elastizität und Dichte des Mediums bestimmt. In begrenzten Medien wird die Wdurch das Vorhandensein und die Beschaffenheit der Grenzen beeinflusst, was zu einer Frequenzabhängigkeit der Geschwindigkeit führt (Streuung der Schallgeschwindigkeit). Die Abnahme der Amplitude und Intensität der Ultraschallwelle bei ihrer Ausbreitung in eine bestimmte Richtung, d. h. die Schalldämpfung, wird wie bei Wellen jeder Frequenz durch die Divergenz der Wellenfront mit der Entfernung von der Quelle verursacht. Streuung und Absorption von Schall. Bei allen Frequenzen, sowohl im hörbaren als auch im nicht hörbaren Bereich, tritt die sogenannte „klassische“ Absorption auf, verursacht durch die Scherviskosität (innere Reibung) des Mediums. Hinzu kommt eine zusätzliche (Entspannungs-)Absorption, die die „klassische“ Absorption oft deutlich übertrifft.

Bei einer erheblichen Intensität von Schallwellen treten nichtlineare Effekte auf:

das Prinzip der Überlagerung wird verletzt und es kommt zu einer Wechselwirkung von Wellen, was zum Auftreten von Tönen führt;

· die Wellenform ändert sich, ihr Spektrum wird mit höheren Harmonischen angereichert und dementsprechend nimmt die Absorption zu;

· bei Erreichen eines bestimmten Schwellwertes der Ultraschallintensität kommt es in der Flüssigkeit zu Kavitation (siehe unten).

Das Kriterium für die Anwendbarkeit der Gesetze der linearen Akustik und die Möglichkeit der Vernachlässigung nichtlinearer Effekte ist: M<< 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Der Parameter M wird als "Machzahl" bezeichnet.

Besonderheiten des Ultraschalls

Obwohl die physikalische Natur des Ultraschalls und die Grundgesetze, die seine Ausbreitung bestimmen, die gleichen sind wie bei Schallwellen aller Frequenzbereiche, weist er eine Reihe spezifischer Merkmale auf. Diese Merkmale sind auf relativ hohe US-Frequenzen zurückzuführen.

Die Kleinheit der Wellenlänge bestimmt Strahlencharakter Ausbreitung von Ultraschallwellen. In der Nähe des Emitters breiten sich die Wellen in Form von Strahlen aus, deren transversale Größe nahe der Größe des Emitters bleibt. Wenn ein solcher Strahl (US-Strahl) auf große Hindernisse trifft, wird er reflektiert und gebrochen. Beim Auftreffen des Strahls auf kleine Hindernisse entsteht eine Streuwelle, die es ermöglicht, kleine Inhomogenitäten im Medium (in der Größenordnung von Zehntel und Hundertstel mm) zu erkennen. Reflexion und Streuung von Ultraschall an Inhomogenitäten des Mediums ermöglichen die Formgebung in optisch undurchsichtigen Medien Klangbilder Objekte mit Tonfokussiersystemen, ähnlich wie es mit Lichtstrahlen gemacht wird.

Durch die Fokussierung von Ultraschall können nicht nur Schallbilder (Sound Imaging und Acoustic Holography Systems) erhalten werden, sondern auch konzentrieren Schall Energie. Mit Hilfe von Ultraschall-Fokussiersystemen ist es möglich, vorgegeben zu formen Richtcharakteristik Emitter und verwalten sie.

Eine periodische Änderung des Brechungsindex von Lichtwellen, verbunden mit einer Dichteänderung in der Ultraschallwelle, bewirkt Lichtbeugung durch Ultraschall beobachtet bei US-Frequenzen im Megahertz-Gigahertz-Bereich. In diesem Fall kann die Ultraschallwelle als Beugungsgitter betrachtet werden.

Der wichtigste nichtlineare Effekt im Ultraschallfeld ist Hohlraumbildung- das Auftreten einer Masse pulsierender Blasen in der Flüssigkeit, die mit Dampf, Gas oder einer Mischung davon gefüllt sind. Die komplexe Bewegung von Blasen, ihr Zusammenbruch, ihre Verschmelzung usw. erzeugen Kompressionspulse (Mikroschockwellen) und Mikroströmungen in der Flüssigkeit, verursachen lokale Erwärmung des Mediums, Ionisation. Diese Effekte wirken sich auf den Stoff aus: Es kommt zur Zerstörung von Feststoffen in der Flüssigkeit ( Kavitationserosion) kommt es zu Fluidvermischungen, verschiedene physikalische und chemische Prozesse werden initiiert oder beschleunigt. Durch die Änderung der Kavitationsbedingungen ist es möglich, verschiedene Kavitationseffekte zu verstärken oder abzuschwächen, z. B. mit einer Erhöhung der Ultraschallfrequenz nimmt die Rolle der Mikroströmungen zu und die Kavitationserosion nimmt mit einer Druckerhöhung in der Flüssigkeit ab Rolle von Mikroimpakten nimmt zu. Eine Erhöhung der Frequenz führt zu einer Erhöhung der Schwellenintensität entsprechend dem Beginn der Kavitation, die von der Art der Flüssigkeit, ihrem Gasgehalt, ihrer Temperatur usw. abhängt. Für Wasser bei atmosphärischem Druck beträgt sie normalerweise 0,3–1,0 W/cm 2 . Kavitation ist ein komplexes Phänomen. Ultraschallwellen, die sich in einer Flüssigkeit ausbreiten, bilden abwechselnd Bereiche mit hohem und niedrigem Druck, wodurch Zonen mit hoher Kompression und Verdünnungszonen entstehen. In einer verdünnten Zone nimmt der hydrostatische Druck so weit ab, dass die auf die Moleküle der Flüssigkeit wirkenden Kräfte größer werden als die Kräfte der intermolekularen Kohäsion. Infolge einer starken Änderung des hydrostatischen Gleichgewichts "bricht" die Flüssigkeit und bildet zahlreiche winzige Blasen aus Gasen und Dämpfen. Im nächsten Moment, wenn in der Flüssigkeit eine Periode hohen Drucks beginnt, kollabieren die zuvor gebildeten Blasen. Der Prozess des Blasenkollaps wird von der Bildung von Schockwellen mit einem sehr hohen lokalen Momentandruck begleitet, der mehrere hundert Atmosphären erreicht.

Mit der Entwicklung der Akustik Ende des 19. Jahrhunderts wurde der Ultraschall entdeckt, gleichzeitig begannen die ersten Untersuchungen des Ultraschalls, die Grundlagen für seine Anwendung wurden jedoch erst im ersten Drittel des 20. Jahrhunderts gelegt.

Ultraschall und seine Eigenschaften

In der Natur findet sich Ultraschall als Bestandteil vieler natürlicher Geräusche: im Rauschen von Wind, Wasserfall, Regen, von der Brandung gerollten Meereskieseln, in Blitzentladungen. Viele Säugetiere wie Katzen und Hunde haben die Fähigkeit, Ultraschall mit einer Frequenz von bis zu 100 kHz wahrzunehmen, und die Ortungsfähigkeiten von Fledermäusen, nachtaktiven Insekten und Meerestieren sind jedem wohlbekannt.

Ultraschall- mechanische Schwingungen oberhalb des für das menschliche Ohr hörbaren Frequenzbereichs (typischerweise 20 kHz). Ultraschallschwingungen breiten sich in einer Wellenform aus, ähnlich der Ausbreitung von Licht. Im Gegensatz zu Lichtwellen, die sich im Vakuum ausbreiten können, benötigt Ultraschall jedoch ein elastisches Medium wie ein Gas, eine Flüssigkeit oder einen Feststoff.

Die Hauptparameter einer Welle sind Wellenlänge, Frequenz und Periode. Ultraschallwellen unterscheiden sich naturgemäß nicht von den Wellen des hörbaren Bereichs und gehorchen denselben physikalischen Gesetzen. Ultraschall hat jedoch spezifische Eigenschaften, die seine weit verbreitete Verwendung in Wissenschaft und Technologie bestimmt haben. Hier sind die wichtigsten:

• 1. Kurze Wellenlänge. Für den niedrigsten Ultraschallbereich überschreitet die Wellenlänge in den meisten Medien einige Zentimeter nicht. Die kurze Wellenlänge bestimmt die Strahlennatur der Ausbreitung von Ultraschallwellen. In der Nähe des Emitters breitet sich Ultraschall in Form von Strahlen aus, deren Größe annähernd der Größe des Emitters entspricht. Ein Ultraschallstrahl verhält sich beim Auftreffen auf Inhomogenitäten in einem Medium wie ein Lichtstrahl, erfährt Reflexion, Brechung und Streuung, wodurch durch rein optische Effekte (Fokussierung, Beugung etc.) Schallbilder in optisch undurchsichtigen Medien erzeugt werden können.
• 2. Eine kurze Schwingungsdauer, die es ermöglicht, Ultraschall in Form von Impulsen auszusenden und eine genaue zeitliche Selektion von sich im Medium ausbreitenden Signalen vorzunehmen.

Die Möglichkeit, hohe Schwingungsenergiewerte bei kleiner Amplitude zu erhalten, weil die Energie der Schwingungen ist proportional zum Quadrat der Frequenz. Dadurch ist es möglich, Ultraschallstrahlen und -felder mit einem hohen Energieniveau zu erzeugen, ohne dass große Geräte erforderlich sind.

Im Ultraschallfeld entwickeln sich erhebliche Schallströme. Daher erzeugt die Wirkung von Ultraschall auf die Umgebung spezifische Wirkungen: physikalische, chemische, biologische und medizinische. Wie Kavitation, Schallkapillarwirkung, Dispergierung, Emulgierung, Entgasung, Desinfektion, lokale Erwärmung und viele andere mehr.

Die Bedürfnisse der Marine der führenden Mächte England und Frankreich, die Tiefen des Meeres zu untersuchen, weckten das Interesse vieler Wissenschaftler auf dem Gebiet der Akustik, weil. Dies ist der einzige Signaltyp, der sich im Wasser weit ausbreiten kann. So bestimmte der französische Wissenschaftler Colladon 1826 die Schallgeschwindigkeit im Wasser. 1838 wurde in den Vereinigten Staaten erstmals Schall verwendet, um das Profil des Meeresbodens zu bestimmen, um ein Telegrafenkabel zu verlegen. Die Ergebnisse des Experiments waren enttäuschend. Der Klang der Glocke gab ein zu schwaches Echo, fast unhörbar unter anderen Geräuschen des Meeres. Es war notwendig, in den Bereich höherer Frequenzen vorzudringen, um gerichtete Schallstrahlen zu erzeugen.

Der erste Ultraschallgenerator wurde 1883 von dem Engländer Francis Galton hergestellt. Ultraschall wurde wie ein Pfiff auf der Schneide eines Messers erzeugt, wenn man darauf pustet. Die Rolle eines solchen Punktes in Galtons Pfeife spielte ein Zylinder mit scharfen Kanten. Durch eine Ringdüse mit gleichem Durchmesser wie der Rand des Zylinders strömte unter Druck austretende Luft oder ein anderes Gas gegen den Rand, wobei hochfrequente Schwingungen auftraten. Beim Pfeifen mit Wasserstoff konnten Schwingungen bis 170 kHz erreicht werden.

1880 machten Pierre und Jacques Curie eine entscheidende Entdeckung für die Ultraschalltechnologie. Die Curie-Brüder bemerkten, dass bei Druck auf Quarzkristalle eine elektrische Ladung erzeugt wird, die direkt proportional zu der auf den Kristall ausgeübten Kraft ist. Dieses Phänomen wird „Piezoelektrizität“ genannt, abgeleitet vom griechischen Wort für „drücken“. Darüber hinaus demonstrierten sie einen inversen piezoelektrischen Effekt, der auftritt, wenn ein sich schnell änderndes elektrisches Potential an einen Kristall angelegt wird und ihn zum Schwingen bringt. Von nun an wurde es technisch möglich, kleine Sender und Empfänger von Ultraschall herzustellen.

Der Tod der Titanic durch eine Kollision mit einem Eisberg, die Notwendigkeit, eine neue Waffe zu bekämpfen - U-Boote erforderten die rasche Entwicklung der Ultraschall-Hydroakustik. 1914 entwickelte der französische Physiker Paul Langevin zusammen mit einem talentierten russischen Emigrantenwissenschaftler, Konstantin Vasilievich Shilovsky, erstmals ein Sonar, das aus einem Ultraschallsender und einem Hydrophon bestand - einem Empfänger von Ultraschallschwingungen, der auf dem piezoelektrischen Effekt basiert. Sonar Langevin - Shilovsky, war das erste Ultraschallgerät in der Praxis angewendet. Gleichzeitig entwickelte der russische Wissenschaftler S.Ya.Sokolov die Grundlagen der Ultraschall-Fehlerprüfung in der Industrie. 1937 verwendete der deutsche Psychiater Karl Dussik zusammen mit seinem Bruder Friedrich, einem Physiker, erstmals Ultraschall zur Erkennung von Hirntumoren, aber die Ergebnisse, die sie erhielten, waren unzuverlässig. In der medizinischen Praxis wurde Ultraschall erstmals erst in den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts in den USA eingesetzt.

Ultraschall ist ein Gebiet der Physik und Technik, das mit hochfrequenten Schallwellen arbeitet. Die Hauptbedingung ist, dass die Schwingungsfrequenz über 20 kHz liegt, dh 20.000 Schwingungen pro Sekunde. Das menschliche Gehör kann Schwingungen bis maximal 18 kHz wahrnehmen, Ultraschallwellen sind für uns also nicht hörbar. Ultraschallwellen haben eine Vielzahl von medizinischen und industriellen Anwendungen. Sie werden in Werkzeugen zum Schneiden, Reinigen, Mischen, Prüfen und Löten eingesetzt.

Ultraschallwellen können auf drei Arten erzeugt werden: durch Anlegen eines Wechselstroms durch einen Quarzkristall; mechanisch - mit einer speziellen Sirene (Hupe); durch Anlegen eines Magnetfelds an einen hohlen Metallstab.

Bereits 1890 entdeckte Pierre Curie die erste Möglichkeit, Ultraschallschwingungen zu erzeugen. Während des Zweiten Weltkriegs fand Ultraschall seine erste Anwendung - um U-Boote unter Wasser mit akustischem Sonar zu orten. Heute haben Ultraschallwellen viele wichtige Anwendungen gefunden.

In der Medizin hat Ultraschall eine sehr breite Anwendung gefunden. Ultraschalluntersuchung oder Ultraschall ist eine Methode zur Untersuchung der inneren Organe eines Patienten ohne Operation und Röntgenbestrahlung. Ultraschall beinhaltet eine Untersuchung mit einer speziellen Sonde, die auf der Hautoberfläche platziert wird und niederenergetische Ultraschallwellen in den Körper aussendet. Von verschiedenen Geweben reflektiert, kehren die Wellen zur Sonde zurück, wo sie in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, das dann auf dem Monitor angezeigt wird. Ultraschall kann verwendet werden, um Tumore zu erkennen, Erkrankungen der Gallenblase, der Nieren, der Leber und einiger anderer Organe zu diagnostizieren. Darüber hinaus wird Ultraschall verwendet, um den Entwicklungsstand des Babys während der Schwangerschaft zu diagnostizieren.

Ultraschallenergie mit höherer Leistung kann verwendet werden, um Gewebe im Inneren des Körpers zu erwärmen. Diese Methode kann zur Behandlung von Arthritis, Schleimbeutelentzündung, Muskeldystrophie und anderen Geweben eingesetzt werden. In der Zahnmedizin wird Ultraschall verwendet, um Zähne von Zahnstein zu reinigen.

Eine weitere wichtige Eigenschaft von Ultraschall, die Fähigkeit, Millionen kleiner Bläschen in einer Flüssigkeit zu erzeugen, macht ihn für die Reinigung von Teilen nützlich. Dieser Vorgang wird als Kavitation bezeichnet. Es wird zur Reinigung von Schiffspropellerblättern, chirurgischen Instrumenten und anderen Gegenständen verwendet, bei denen ein hoher Reinigungsgrad erforderlich ist.

Eine der Kavitation ähnliche Technik ermöglicht den Einsatz von Ultraschall für die Bearbeitung verschiedener harter Materialien, sogar von Stahl und Diamanten. Flüssiges und abrasives Material wird durch Ultraschall in einen kontinuierlichen Strom umgewandelt, der Materialien durchtrennen kann. Diese Technologie wird sogar beim Gesteinsbohren angewendet.

Ultraschall hat eine weitere Anwendung im Bereich der Verschleißdiagnose von Metallprodukten gefunden. Der innerhalb des Bauteils gesendete Ultraschallwellenfluss wird an Rissen und Inhomogenitäten zurück zum Strahler reflektiert. Mit dieser Funktion können Sie die Details von Fahrzeugen, Werkzeugmaschinen und Strukturen auf das Vorhandensein von versteckten und gefährlichen Mängeln untersuchen.

Neben den oben genannten Anwendungen werden Ultraschallwellen auch zum Lackieren, Mischen von Flüssigkeiten, Löten von Metallen sowie in Fernbedienungen und Einbruchmeldeanlagen eingesetzt.