چه کاربردهای عملی سونوگرافی را می شناسید؟ در علم شروع کنید. کاربرد اولتراسوند در رادیو الکترونیک

اگر در یک محیط پیوسته - گازها، مایعات یا جامدات، ذرات محیط از وضعیت تعادل خارج شوند، نیروهای کشسانی که از ذرات دیگر بر آنها وارد می شود آنها را به حالت تعادل باز می گرداند. در این حالت، ذرات دستخوش حرکت نوسانی خواهند شد. انتشار ارتعاشات الاستیک در یک محیط پیوسته یک فرآیند موج مانند است.
نوسانات با فرکانس از واحد هرتز (هرتز) تا 20 هرتز نامیده می شود مادون صوت، در فرکانس 20 هرتز تا 16 ... 20 کیلوهرتز، نوسان ایجاد می کند. صداهای قابل شنیدن. ارتعاشات اولتراسونیکمربوط به فرکانس های 16 ... 20 کیلوهرتز تا 10 8 هرتز است و ارتعاشات با فرکانس بیش از 10 8 هرتز نامیده می شود. هایپرسونیک. شکل 1.1 مقیاس فرکانس لگاریتمی را بر اساس بیان نشان می دهد lg 2 f = 1, 2, 3…, n,جایی که 1، 2، 3…، n- اعداد اکتاو.

شکل 1.1 - محدوده ارتعاشات الاستیک در محیط های مواد

ماهیت فیزیکی ارتعاشات الاستیک در کل محدوده فرکانس یکسان است. برای درک ماهیت ارتعاشات الاستیک، اجازه دهید خواص آنها را در نظر بگیریم.
شکل موج شکل جبهه موج است، یعنی. مجموعه ای از نقاط که فاز یکسانی دارند. نوسانات صفحه یک موج صوتی سطحی ایجاد می کند اگر ساطع کننده استوانه ای باشد که به طور متناوب در جهت شعاع خود منقبض و منبسط می شود، آنگاه یک موج استوانه ای ایجاد می شود. یک ساطع کننده نقطه ای یا توپ ضربانی که ابعاد آن در مقایسه با طول موج ساطع شده کوچک است، یک موج کروی ایجاد می کند.

امواج صوتی بر اساس طبقه بندی می شوند نوع موج : بسته به شرایط تحریک و انتشار می توانند طولی، عرضی، خمشی، پیچشی باشند. فقط امواج طولی در مایعات و گازها منتشر می شوند و سایر انواع امواج ذکر شده نیز می توانند در جامدات رخ دهند. در یک موج طولی، جهت نوسانات ذرات با جهت انتشار موج منطبق است (شکل 1.2، آ، موج عرضی عمود بر جهت نوسانات ذرات منتشر می شود (شکل 1.2، ب) .

الف) حرکت ذرات محیط در حین انتشار یک موج طولی. ب) حرکت ذرات محیط در حین انتشار یک موج عرضی.

شکل 1.2 - حرکت ذرات در طول انتشار موج

هر موجی، مانند نوسانی که در زمان و مکان منتشر می شود، می تواند مشخص شود فرکانس , طول موج و دامنه (شکل 3). در این حالت طول موج λ به فرکانس مربوط می شود fاز طریق سرعت انتشار موج در یک ماده معین ج: λ = ج/ف.

شکل 1.3 - ویژگی های فرآیند نوسانی

1.6 کاربرد عملی ارتعاشات اولتراسونیک کم انرژی

حوزه کاربرد نوسانات اولتراسونیک با شدت کم (مشروط تا 1 W/cm 2) بسیار گسترده است و ما به نوبه خود چندین کاربرد اصلی از نوسانات اولتراسونیک با شدت کم را در نظر خواهیم گرفت.
1. دستگاه های اولتراسونیک برای نظارت بر ویژگی های شیمیاییمواد و محیط های مختلف همه آنها بر اساس تغییر سرعت ارتعاشات اولتراسونیک در محیط هستند و اجازه می دهند:
- تعیین غلظت مخلوط های دوتایی؛
- چگالی محلول ها؛
- درجه پلیمریزاسیون پلیمرها؛
- وجود ناخالصی ها و حباب های گاز در محلول ها.
- تعیین سرعت واکنش های شیمیایی؛
- محتوای چربی شیر، خامه، خامه ترش؛
- پراکندگی در سیستم های ناهمگن و غیره
وضوح دستگاه های اولتراسونیک مدرن 0.05 درصد است، دقت اندازه گیری سرعت انتشار در نمونه های به طول 1 متر 0.5 - 1 متر بر ثانیه است (سرعت در فلز بیش از 5000 متر بر ثانیه است). تقریباً تمام اندازه گیری ها با مقایسه با یک استاندارد انجام می شود.
2. ابزار پایش خصوصیات فیزیکی و شیمیایی، بر اساس اندازه گیری تضعیف اولتراسوند. چنین دستگاه هایی به شما امکان می دهد ویسکوزیته، چگالی، ترکیب، محتوای ناخالصی ها، گازها و غیره را اندازه گیری کنید. روش های مورد استفاده نیز مبتنی بر روش های مقایسه با یک استاندارد است.
3. فلومتر التراسونیک برای مایعات در خطوط لوله. عمل آنها همچنین بر اساس اندازه گیری سرعت انتشار ارتعاشات اولتراسونیک در طول جریان سیال و در مقابل جریان است. مقایسه دو سرعت به شما امکان می دهد نرخ جریان را تعیین کنید و با یک مقطع مشخص خط لوله، میزان جریان را تعیین کنید. نمونه ای از یکی از دبی سنج ها (شماره 15183 در ثبت دولتی ابزار اندازه گیری) در شکل 1.4 ارائه شده است.

شکل 1.4 - فلومتر اولتراسونیک ثابت "AKRON"

چنین فلومتر اندازه گیری جریان حجمی و حجم کل (مقدار) مایعات جاری در خطوط لوله تحت فشار سیستم های تامین آب، فاضلاب و فرآورده های نفتی را بدون قرار دادن در یک خط لوله موجود فراهم می کند. اصل کار فلومتر اندازه گیری تفاوت در زمان عبور موج اولتراسونیک در طول جریان و در برابر جریان مایع کنترل شده است و آن را به یک دبی آنی با یکپارچگی بعدی تبدیل می کند.
خطای دستگاه 2 درصد از حد بالایی اندازه گیری است. حد بالا و پایین اندازه گیری توسط اپراتور تنظیم می شود. فلومتر شامل یک بلوک حسگر (شامل دو سنسور اولتراسونیک و یک دستگاه برای نصب آنها بر روی لوله) و یک واحد الکترونیکی است که توسط یک کابل فرکانس رادیویی به طول 50 متر (استاندارد - 10 متر) متصل شده است. سنسورها بر روی یک بخش مستقیم از خط لوله در سطح بیرونی نصب می شوند و از خاک، رنگ و زنگ زدگی تمیز می شوند. شرط نصب صحیح سنسورها وجود یک لوله مستقیم با حداقل 10 قطر لوله - جلو و 5 قطر - بعد از سنسورها است.
4. سوئیچ های سطح
اصل کار بر اساس تعیین سطح مواد مایع یا حجیم توسط پالس های اولتراسونیک که از یک محیط گازی عبور می کنند و بر روی پدیده انعکاس این پالس ها از سطح مشترک محیط کنترل شده با گاز استوار است. معیار سطح در این مورد، زمان انتشار ارتعاشات صدا از امیتر به رابط کنترل شده و برگشت به گیرنده است. نتیجه اندازه گیری بر روی یک رایانه شخصی نمایش داده می شود، جایی که تمام اندازه گیری ها ذخیره می شوند، با امکان مشاهده و تجزیه و تحلیل بعدی آنها، و همچنین اتصال به یک سیستم جمع آوری و پردازش خودکار داده ها. سطح سنج به عنوان بخشی از سیستم می تواند شامل ماشین های حالت محدود، پمپ ها و سایر دستگاه ها در سطحی بالاتر از حداکثر و کمتر از مقدار باشد که به شما امکان می دهد فرآیند فناوری را خودکار کنید. علاوه بر این، یک خروجی جریان (0.5 میلی آمپر، 0-20 میلی آمپر) برای دستگاه های ضبط تولید می شود.
سوئیچ سطح به شما امکان می دهد دمای محیط را در مخازن کنترل کنید. فرمت اصلی داده های خروجی، فاصله از بالای مخزن تا سطح ماده موجود در آن است. بنا به درخواست مشتری، در صورت ارائه اطلاعات لازم، امکان اصلاح دستگاه برای نمایش ارتفاع، جرم یا حجم ماده موجود در مخزن وجود دارد.
5. آنالایزر گاز اولتراسونیکمبتنی بر استفاده از وابستگی سرعت مافوق صوت در مخلوطی از گازها به سرعت هر یک از گازهای تشکیل دهنده این مخلوط است.
6. دستگاه های اولتراسونیک امنیتیبر اساس اندازه گیری پارامترهای مختلف میدان های مافوق صوت (دامنه های نوسان هنگامی که فضای بین امیتر و گیرنده مسدود می شود، تغییر فرکانس هنگام انعکاس از یک جسم متحرک و غیره) است.
7. دماسنج گاز و اعلام حریق بر اساس تغییرات سرعت انتشار در هنگام تغییر دمای محیط یا ظاهر شدن دود.
8. دستگاه های تست غیر مخرب اولتراسونیک.آزمایش غیر مخرب یکی از روش‌های تکنولوژیکی اصلی برای اطمینان از کیفیت مواد و محصولات است. هیچ محصولی نباید بدون بازرسی استفاده شود. می توانید با آزمایش آن را بررسی کنید، اما به این ترتیب می توانید 1-10 محصول را آزمایش کنید، اما نمی توانید 100٪ همه محصولات را آزمایش کنید، زیرا چک - این به معنای خراب کردن همه محصولات است. بنابراین لازم است بدون تخریب بررسی شود.
یکی از ارزان ترین، ساده ترین و حساس ترین روش تست غیر مخرب اولتراسونیک است. مزایای اصلی در مقایسه با سایر روش های آزمایش غیر مخرب عبارتند از:

- تشخیص عیوب واقع در اعماق مواد، که به لطف بهبود توانایی نفوذ امکان پذیر شده است. سونوگرافی تا عمق چند متری انجام می شود. محصولات مختلفی تحت کنترل هستند، به عنوان مثال: میله های فولادی بلند، مهر زنی چرخشی و غیره.
- حساسیت بالا هنگام تشخیص عیوب بسیار کوچک به طول چند میلی متر.
- تعیین دقیق محل نقص داخلی، ارزیابی اندازه آنها، تعیین جهت، شکل و ماهیت.
- دسترسی کافی فقط به یک طرف محصول؛
- کنترل فرآیند با وسایل الکترونیکی که تشخیص تقریباً آنی نقص را تضمین می کند.
- اسکن حجمی، که به شما امکان می دهد حجم مواد را بررسی کنید.
- عدم نیاز به اقدامات احتیاطی بهداشتی؛
- قابلیت حمل تجهیزات

1.7 کاربرد عملی ارتعاشات اولتراسونیک با شدت بالا

امروزه فرآیندهای اصلی تحقق یافته و تشدید شده با کمک ارتعاشات اولتراسونیک با انرژی بالا بسته به نوع محیطی که در آن تحقق می یابند معمولاً به سه زیر گروه اصلی تقسیم می شوند (شکل 1.5).

شکل 1.5 - کاربرد ارتعاشات اولتراسونیک با انرژی بالا

بسته به نوع محیط، فرآیندها به طور معمول به فرآیندها تقسیم می شوند در مواد مایع، جامد و ترموپلاستیک و محیط های گازی (هوا). در بخش‌های بعدی، فرآیندها و دستگاه‌های تشدید فرآیندها در مواد مایع، جامد و ترموپلاستیک و محیط‌های گازی با جزئیات بیشتری مورد بحث قرار خواهند گرفت.
در مرحله بعد، نمونه‌هایی از فناوری‌های اساسی اجرا شده با استفاده از ارتعاشات اولتراسونیک با انرژی بالا را در نظر خواهیم گرفت.
1. پردازش ابعادی.

ارتعاشات اولتراسونیک برای پردازش مواد و فلزات شکننده و بسیار سخت استفاده می شود.
فرآیندهای تکنولوژیکی اصلی که توسط ارتعاشات مافوق صوت تشدید می شوند عبارتند از: حفاری، ضد غرق شدن، رزوه کشی، سیم کشی، پرداخت، سنگ زنی، حفاری سوراخ هایی با اشکال پیچیده. تشدید این فرآیندهای تکنولوژیکی به دلیل اعمال ارتعاشات اولتراسونیک به ابزار رخ می دهد.
2. تمیز کردن اولتراسونیک.
امروزه راه های زیادی برای تمیز کردن سطوح از آلودگی های مختلف وجود دارد. تمیز کردن اولتراسونیک سریعتر است، کیفیت بالایی را ارائه می دهد و مناطق صعب العبور را تمیز می کند. این امر جایگزینی حلال های بسیار سمی، قابل اشتعال و گران قیمت با آب معمولی را تضمین می کند.
با استفاده از ارتعاشات اولتراسونیک با فرکانس بالا، کاربراتورها و انژکتورهای خودرو در چند دقیقه تمیز می شوند.
دلیل تسریع در تمیز کردن کاویتاسیون است، پدیده ای خاص که در آن حباب های کوچک گاز در مایع تشکیل می شود. این حباب ها می ترکند (منفجر می شوند) و جریان های آبی قدرتمندی ایجاد می کنند که تمام کثیفی ها را می شویند. ماشین‌های لباسشویی و تاسیسات شستشوی کوچک امروزه بر اساس این اصل وجود دارند. ویژگی های اجرای فرآیند کاویتاسیون و قابلیت های بالقوه آن به طور جداگانه بررسی خواهد شد. اولتراسوند فلزات را از خمیرهای صیقل دهنده، فلزات نورد شده را از رسوب، و سنگ های قیمتی را از مناطق پولیش پاک می کند. تمیز کردن صفحات چاپ، شستشوی پارچه، شستشوی آمپول. تمیز کردن خطوط لوله از اشکال پیچیده. علاوه بر تمیز کردن، سونوگرافی قادر به از بین بردن سوراخ های کوچک و پرداخت می باشد.
قرار گرفتن در معرض اولتراسونیک در محیط های مایع میکروارگانیسم ها را از بین می برد و بنابراین به طور گسترده در پزشکی و میکروبیولوژی استفاده می شود.
اجرای دیگری از تمیز کردن اولتراسونیک امکان پذیر است.
- تصفیه دود از ذرات جامد موجود در هوا. برای این کار از تأثیر اولتراسونیک بر مه و دود نیز استفاده می شود. ذرات در میدان اولتراسونیک به طور فعال شروع به حرکت، برخورد و چسبیدن به یکدیگر می کنند و روی دیوارها رسوب می کنند. این پدیده انعقاد فراصوت نامیده می شود و برای مبارزه با مه در فرودگاه ها، جاده ها و بنادر دریایی استفاده می شود.
3. جوشکاری اولتراسونیک.
در حال حاضر، با کمک ارتعاشات مافوق صوت با شدت بالا، مواد ترموپلاستیک پلیمری جوش داده می شوند. جوش لوله های پلی اتیلن، جعبه ها، قوطی ها سفتی عالی را تضمین می کند. برخلاف روش‌های دیگر، می‌توان از اولتراسوند برای پختن پلاستیک‌های آلوده، لوله‌ها با مایع و غیره استفاده کرد. در این حالت محتویات استریل می شوند.
با استفاده از جوش اولتراسونیک، نازک ترین فویل یا سیم به یک قسمت فلزی جوش داده می شود. علاوه بر این، جوشکاری اولتراسونیک یک جوش سرد است، زیرا درز در دمای زیر نقطه ذوب تشکیل می شود. بدین ترتیب آلومینیوم، تانتالیوم، زیرکونیوم، نیوبیم، مولیبدن و ... با جوشکاری به یکدیگر متصل می شوند.
در حال حاضر جوشکاری اولتراسونیک بیشترین کاربرد خود را در فرآیندهای بسته بندی با سرعت بالا و تولید مواد بسته بندی پلیمری یافته است.
4. لحیم کاری و قلع کاری
آلومینیوم با استفاده از ارتعاشات اولتراسونیک با فرکانس بالا لحیم می شود. با کمک اولتراسونیک می توان سرامیک و شیشه را قلع و سپس لحیم کرد که قبلا غیرممکن بود. فریت ها و لحیم کاری کریستال های نیمه هادی به محفظه های با روکش طلا امروزه با استفاده از فناوری اولتراسونیک محقق می شوند.
5. اولتراسوند در شیمی مدرن
در حال حاضر، همانطور که از منابع ادبی آمده است، جهت جدیدی در شیمی شکل گرفته است - شیمی اولتراسونیک. دانشمندان با مطالعه دگرگونی‌های شیمیایی که تحت تأثیر امواج فراصوت رخ می‌دهند، دریافتند که اولتراسوند نه تنها اکسیداسیون را تسریع می‌کند، بلکه در برخی موارد اثر کاهشی نیز دارد. بنابراین، آهن از اکسیدها و نمک ها کاهش می یابد.
نتایج مثبت خوبی برای تشدید سونوگرافی در فرآیندهای شیمیایی و تکنولوژیکی زیر به دست آمده است:
- رسوب الکتریکی، پلیمریزاسیون، پلیمریزاسیون، اکسیداسیون، احیا، پراکندگی، امولسیون سازی، انعقاد ذرات معلق در هوا، همگن سازی، اشباع، انحلال، پاشش، خشک کردن، احتراق، دباغی و غیره.
رسوب الکتریکی - فلز رسوب‌شده ساختار کریستالی ریز پیدا می‌کند و تخلخل کاهش می‌یابد. بدین ترتیب آبکاری مس، قلع کاری و آبکاری نقره انجام می شود. روند سریعتر و کیفیت پوشش بالاتر از فناوری های معمولی است.
تهیه امولسیون: آب و چربی، آب و اسانس، آب و جیوه. سد اختلاط ناپذیری به لطف اولتراسوند برطرف می شود.
پلیمریزاسیون (ترکیب مولکول ها در یک) - درجه پلیمریزاسیون با فرکانس اولتراسوند تنظیم می شود.
پراکندگی - بدست آوردن رنگدانه های بسیار ریز برای تولید رنگ.
خشک کردن - بدون گرم کردن مواد فعال بیولوژیکی. در صنایع غذایی و دارویی.
اسپری مایعات و ذوب. تشدید فرآیندهای خشک کردن پاششی. بدست آوردن پودر فلز از مذاب. این دستگاه های اسپری قسمت های چرخشی و مالشی را از بین می برند.
اولتراسوند راندمان احتراق سوخت های مایع و جامد را 20 برابر افزایش می دهد.
تلقیح. مایع صدها بار سریعتر از مویرگهای مواد آغشته شده عبور می کند. مورد استفاده در تولید نمد سقفی، تراورس، تخته سیمانی، تکستولیت، گتیناکس، آغشته سازی چوب با رزین های اصلاح شده
6. اولتراسوند در متالورژی.
- مشخص است که فلزات هنگام ذوب گازهای آلومینیوم و آلیاژهای آن را جذب می کنند. 80 درصد گازهای فلز مذاب H2 هستند. این منجر به بدتر شدن کیفیت فلز می شود. با استفاده از دستگاه اولتراسونیک می توان گازها را حذف کرد که این امکان را در کشور ما ایجاد یک چرخه تکنولوژیکی خاص و استفاده گسترده از آن در تولید فلزات را فراهم کرده است.
- اولتراسوند باعث سخت شدن فلزات می شود
- در متالورژی پودر، اولتراسونیک باعث افزایش چسبندگی ذرات ماده در حال تولید می شود. این امر نیاز به تراکم با فشار بالا را از بین می برد.
7. اولتراسونیک در معدن.
استفاده از سونوگرافی امکان پیاده سازی فناوری های زیر را فراهم می کند:
- حذف پارافین از دیواره چاه های نفت.
- رفع انفجار متان در معادن به دلیل پاشش آن.
- غنی سازی اولتراسونیک سنگ معدن (روش فلوتاسیون با استفاده از امواج فراصوت).
8. KM در کشاورزی.
ارتعاشات اولتراسونیک قبل از کاشت بر بذرها و غلات تأثیر مفیدی دارد. بنابراین تیمار بذر گوجه فرنگی قبل از کاشت باعث افزایش تعداد میوه ها، کاهش زمان رسیدن و افزایش میزان ویتامین ها می شود.
تیمار اولتراسوند بذر خربزه و ذرت منجر به افزایش 40 درصدی عملکرد می شود.
هنگام پردازش بذر با سونوگرافی، می توان ضد عفونی کرد و عناصر ریز لازم را از مایع وارد کرد.
9. صنایع غذایی.
فناوری های زیر در حال حاضر در عمل پیاده سازی شده اند:
- فرآوری شیر برای همگن سازی و عقیم سازی؛
- فرآوری برای افزایش ماندگاری و کیفیت شیر ​​منجمد
- تهیه شیرخشک با کیفیت بالا؛
- به دست آوردن امولسیون برای پخت;
- مخمر فرآوری قدرت تخمیر آن را 15 درصد افزایش می دهد.
- بدست آوردن مواد معطر، پوره، استخراج چربی از کبد;
- جداسازی کرم تارتار.
- استخراج مواد خام گیاهی و حیوانی؛
- تولید عطر (6...8 ساعت به جای یک سال).
10. اولتراسوند در زیست شناسی.
- دوزهای زیاد اولتراسوند میکروارگانیسم ها (استافیلوکوک ها، استرپتوکوک ها، ویروس ها) را از بین می برد.
- شدت کم قرار گرفتن در معرض اولتراسونیک باعث رشد کلنی های میکروارگانیسم ها می شود.
11. تاثیر بر انسان.
قرار گرفتن در معرض اولتراسوند با شدت تا 0.1...0.4 W/cm اثر درمانی دارد. در آمریکا، قرار گرفتن در معرض با شدت تا 0.8 W/cm درمانی در نظر گرفته می شود.
12. در پزشکی.
چاقوی جراحی اولتراسونیک، دستگاه‌های لیپوساکشن خارجی و داخلی، ابزارهای لاپاراسکوپی، استنشاق‌ها، ماساژورها به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند و امکان درمان بیماری‌های مختلف را فراهم می‌کنند.
دوره سخنرانی های زیر برای آشنایی اولیه دانشجویان، دانشجویان فارغ التحصیل، مهندسان و فناوران صنایع مختلف با مبانی فناوری اولتراسونیک در نظر گرفته شده است و در نظر گرفته شده است تا دانش بنیادی در مورد تئوری تشکیل ارتعاشات مافوق صوت و تمرین استفاده از ارتعاشات بالا را ارائه دهد. ارتعاشات اولتراسونیک با شدت

سونوگرافی - چیست؟

تئوری و عمل.

با وجود پیچیدگی تئوری اولتراسوند، درک اصول تمیز کردن سطوح با امواج فراصوت چندان دشوار نیست. این مقاله خطاب به کسانی است که می خواهند ایده ای از پدیده های اصلی مورد استفاده در فن آوری های تمیز کردن آکوستیک به دست آورند و مهمتر از همه ، درک کنند "چگونه این چیز کار می کند" ، از چه معیارهایی می توان برای راهنمایی انتخاب تجهیزات ، تمیز کردن استفاده کرد. حالت های رسانه و پردازش
فن آوری های تمیز کردن به طور مداوم در حال بهبود هستند. مخلوط الکل و بنزین که به طور گسترده در روسیه برای تمیز کردن بردهای مدار از باقیمانده های شار و آلاینده های فرآیند استفاده می شود، با کاهش اندازه اجزا، کارایی خود را از دست می دهد. در سینوس‌ها و شکاف‌های در حال کوچک شدن، محلول لازم برای شستشوی آلاینده‌های تکنولوژیکی از آنجا وجود ندارد.
تمایل به بهبود تمیز کردن با افزایش زمان آن منجر به شستشوی بایندر و تشکیل یک پوشش سفید رنگ بر روی سطح تخته ها می شود. تمیز کردن چگالش که در خارج از کشور انجام می شود، با استفاده از هیدروکربن های کلردار و فلوئوردار، به اکولوژی سیاره ما آسیب می زند و در آینده ناپدید خواهد شد. در عین حال، الزامات برای کیفیت تمیز کردن به طور مداوم در حال افزایش است.

تمیزی در بسیاری از صنایع به یک عامل کیفیت مرتبط تبدیل شده است که در گذشته چنین نبود. در صنعت الکترونیک، که در آن پاکیزگی همیشه مهم بوده است، برای بقای فناوری بالا بسیار حیاتی شده است.
به نظر می رسد هر پیشرفتی در فناوری نیازمند توجه بیشتر و بیشتر به نظافت برای اجرای آن است. در نتیجه، فناوری های درمانی در چند سال گذشته به شدت مورد بازنگری قرار گرفته اند. بسیاری از آنها در حال حاضر مبتنی بر استفاده از روش های تمیز کردن اولتراسونیک هستند.
در واقع، صرف نظر از اینکه از چه محلول‌های تمیزکننده مؤثری استفاده می‌شود، بدون افزودن انرژی صوتی اولتراسونیک نمی‌توان از سطح مشخص تمیز کردن اطمینان حاصل کرد.

سونوگرافی چیست؟
اولتراسوند (US) - ارتعاشات و امواج الاستیک، فرکانس آن بالاتر از 15 ... 20 کیلوهرتز است. حد پایین ناحیه فرکانس اولتراسونیک، که آن را از ناحیه صدای قابل شنیدن جدا می کند، با ویژگی های ذهنی شنوایی انسان تعیین می شود و مشروط است. حد بالایی به دلیل ماهیت فیزیکی امواج الاستیک است که فقط در یک محیط مادی می توانند منتشر شوند، یعنی به شرطی که طول موج به طور قابل توجهی بیشتر از مسیر آزاد مولکول ها در گازها یا فواصل بین اتمی در مایعات و جامدات باشد. بنابراین در گازها حد بالایی فرکانس های مافوق صوت از شرط برابری تقریبی طول موج صوت و مسیر آزاد مولکول ها تعیین می شود. در فشار معمولی 109 هرتز است. در مایعات و جامدات، عامل تعیین کننده برابری طول موج با فواصل بین اتمی است و فرکانس قطع به 1012-1013 هرتز می رسد. بسته به طول موج و فرکانس، سونوگرافی دارای ویژگی های خاصی از تابش، دریافت، انتشار و کاربرد است، بنابراین محدوده فرکانس اولتراسونیک به راحتی به سه زیر منطقه تقسیم می شود: کم - 1.5-10. ..105 هرتز; متوسط ​​- 105 ... 107 هرتز; بالا - 1O7...1O9 هرتز.

نظریه امواج صوتی.
سونوگرافی به عنوان امواج الاستیک.
امواج اولتراسونیک از نظر ماهیت با امواج الاستیک در محدوده شنیداری و همچنین با امواج مادون صوت تفاوتی ندارند. انتشار اولتراسوند از قوانین اساسی مشترک برای امواج صوتی با هر محدوده فرکانسی پیروی می کند که معمولاً امواج صوتی نامیده می شود. قوانین اساسی انتشار آنها شامل قوانین بازتاب و شکست صدا در مرزهای محیط های مختلف، پراش و پراکندگی صدا در صورت وجود موانع و ناهمگونی در محیط و بی نظمی در مرزها و قوانین انتشار موجبر در مناطق محدودی از رسانه

ویژگی های خاص سونوگرافی
اگرچه ماهیت فیزیکی اولتراسوند و قوانین اساسی حاکم بر انتشار آن مانند امواج صوتی با هر محدوده فرکانسی است، اما دارای تعدادی ویژگی خاص است که اهمیت آن را در علم و فناوری تعیین می کند. آنها به دلیل فرکانس های نسبتاً بالا و بر این اساس، طول موج کوتاه آن هستند. برای ناحیه فرکانس پایین، طول موج اولتراسونیک در بیشتر موارد از چند سانتی متر تجاوز نمی کند و در جامدات نزدیک به حد پایین محدوده، تنها به چند ده سانتی متر می رسد. امواج اولتراسونیک بسیار سریعتر از امواج فرکانس پایین ضعیف می شوند، زیرا ضریب جذب صدا (در واحد فاصله) متناسب با مجذور فرکانس است.

یکی دیگر از ویژگی های بسیار مهم اولتراسوند توانایی به دست آوردن مقادیر با شدت بالا در دامنه های نسبتاً کوچک جابجایی ارتعاشی است، زیرا در یک دامنه معین شدت به طور مستقیم با مربع فرکانس متناسب است. دامنه جابجایی نوسانی در عمل به وسیله قدرت ساطع کننده های صوتی محدود می شود. مهمترین اثر غیرخطی در میدان اولتراسونیک کاویتاسیون است - ظاهر شدن در مایعی از توده ای از حباب های ضربانی پر از بخار، گاز یا مخلوطی از آنها. حرکت پیچیده حباب ها، فروپاشی آنها، ادغام با یکدیگر و غیره باعث ایجاد پالس های فشرده سازی (امواج میکرو شوک) و جریان های میکرو در مایع می شود که باعث گرم شدن موضعی محیط و یونیزاسیون می شود. این اثرات بر روی ماده تأثیر می گذارد: اجسام جامد در مایع از بین می روند (فرسایش حفره ای)، فرآیندهای مختلف فیزیکی و شیمیایی شروع یا تسریع می شوند.

با تغییر شرایط برای کاویتاسیون می توانید اثرات مختلف کاویتاسیون را تقویت یا تضعیف کنید. به عنوان مثال، با افزایش فرکانس اولتراسونیک، نقش میکروفلوها افزایش می‌یابد و فرسایش حفره‌ای کاهش می‌یابد، با افزایش فشار هیدرواستاتیک در مایع، نقش تأثیرات ریز افزایش می‌یابد. افزایش فرکانس معمولاً منجر به افزایش مقدار شدت آستانه مربوط به شروع حفره می شود که به نوع مایع، محتوای گاز آن، دما و غیره بستگی دارد. معمولاً 0.3-1 W/cm3 است.

منابع اولتراسوند
در طبیعت، اولتراسوند در بسیاری از صداهای طبیعی (در سر و صدای باد، آبشار، باران، در صدای سنگریزه های غلتیده شده توسط موج سواری دریا، در صداهای همراه با تخلیه رعد و برق و غیره) و همچنین در دنیای حیواناتی که از آن برای اکولوکیشن و ارتباط استفاده می کنند. امیترهای سونوگرافی فنی مورد استفاده در مطالعه سونوگرافی و کاربردهای فنی آنها را می توان به دو گروه تقسیم کرد.

اولی شامل مولدهای ساطع کننده (سوت) است. نوسانات در آنها به دلیل وجود موانع در مسیر جریان ثابت گاز یا مایع برانگیخته می شود.

گروه دوم ساطع کننده ها مبدل های الکتروآکوستیک هستند: آنها ارتعاشات الکتریکی داده شده را به ارتعاشات مکانیکی یک جسم جامد تبدیل می کنند که امواج صوتی را به محیط منتشر می کند.

کاربرد سونوگرافی.
کاربردهای متنوع اولتراسوند که در آن از ویژگی های مختلف آن استفاده می شود را می توان به سه حوزه تقسیم کرد.
اولی مربوط به به دست آوردن اطلاعات از طریق اولتراسوند، دومی با تأثیر فعال بر ماده، و سومی با پردازش و انتقال سیگنال ها (جهت ها به ترتیب توسعه تاریخی آنها ذکر شده است).

اصول تمیز کردن اولتراسونیک
نقش اصلی در تأثیر فراصوت بر روی مواد و فرآیندهای موجود در مایعات توسط کاویتاسیون ایفا می شود. پرکاربردترین فرآیند تکنولوژیکی اولتراسونیک، تمیز کردن سطوح جامد، بر اساس کاویتاسیون است. بسته به ماهیت آلاینده ها، تظاهرات مختلف کاویتاسیون، مانند اثرات ریز ضربه، ریز جریان ها و گرمایش ممکن است از اهمیت کمتر یا بیشتر برخوردار باشند. با انتخاب پارامترهای میدان صوتی، خصوصیات فیزیکوشیمیایی مایع لباسشویی، محتوای گاز آن و عوامل خارجی (فشار، دما) می توان فرآیند تمیز کردن را در محدوده وسیعی کنترل کرد و آن را نسبت به نوع بهینه کرد. آلاینده ها و نوع قطعات در حال تمیز کردن.

یک نوع تمیز کردن، حکاکی در میدان اولتراسونیک است که در آن عمل اولتراسوند با عملکرد معرف های شیمیایی قوی ترکیب می شود. متالیزاسیون و لحیم کاری اولتراسونیک در واقع بر اساس تمیز کردن اولتراسونیک (از جمله حذف لایه اکسید) سطوح در حال اتصال یا متالیزاسیون است. تمیز کردن در حین لحیم کاری به دلیل کاویتاسیون در فلز مذاب ایجاد می شود. درجه خالص سازی آنقدر زیاد است که ترکیباتی تشکیل می شود که در شرایط عادی نمی توان آنها را لحیم کرد، مثلاً آلومینیوم با فلزات دیگر، فلزات مختلف با شیشه، سرامیک و پلاستیک. در فرآیندهای تمیز کردن و متالیزاسیون، اثر مویرگی صدا نیز ضروری است و از نفوذ محلول تمیز کننده یا ذوب شدن به کوچکترین شکاف ها و منافذ اطمینان حاصل می کند.

مکانیسم های تمیز کردن و شستشو.
تمیز کردن در بیشتر موارد مستلزم حل شدن آلاینده ها (در مورد نمک های محلول)، خراش دادن (در مورد نمک های نامحلول) یا حل شدن و تراشیدن (مانند ذرات نامحلول در لایه ای از لایه های چربی است). ). اثرات مکانیکی انرژی مافوق صوت می تواند هم در تسریع انحلال و هم در جداسازی ذرات از سطح در حال تمیز کردن مفید باشد.
سونوگرافی همچنین می تواند به طور موثر در فرآیند شستشو استفاده شود. مواد شیمیایی باقیمانده از مواد تمیز کننده را می توان به سرعت با شستشوی اولتراسونیک حذف کرد. هنگام حذف آلاینده ها با انحلال، حلال باید با فیلم آلوده کننده تماس پیدا کند و آن را از بین ببرد.

همانطور که حلال آلاینده را حل می کند، یک محلول اشباع از آلاینده در حلال در سطح مشترک حلال-آلودگی ظاهر می شود و انحلال متوقف می شود زیرا محلول تازه به سطح آلاینده ارسال نمی شود. قرار گرفتن در معرض اولتراسوند لایه حلال اشباع را از بین می برد و تحویل محلول تازه به سطح آلودگی را تضمین می کند. این امر به ویژه در مواردی مؤثر است که سطوح "نامنظم" با هزارتوی سینوس‌ها و تسکین سطحی، مانند بردهای مدار چاپی و ماژول‌های الکترونیکی، در معرض تمیز کردن هستند. برخی از آلاینده ها لایه ای از ذرات نامحلول هستند که توسط نیروهای پیوند یونی و چسبندگی محکم به سطح می چسبند. این ذرات فقط باید از سطح جدا شوند تا نیروهای جاذبه شکسته شوند و برای حذف بعدی به حجم محیط شستشو منتقل شوند. جریان کاویتاسیون و آکوستیک آلاینده هایی مانند گرد و غبار را از سطح جدا می کند، آنها را شسته و از بین می برد.

آلاینده ها، به عنوان یک قاعده، چند جزئی هستند و ممکن است شامل اجزای محلول و نامحلول در ترکیب باشند. اثر اولتراسوند این است که هر جزء را امولسیون می کند، یعنی آنها را به محیط شستشو منتقل می کند و همراه با آن از سطح محصول خارج می کند. برای وارد کردن انرژی مافوق صوت به سیستم تمیز کردن، یک ژنراتور اولتراسونیک، یک مبدل انرژی الکتریکی ژنراتور به تشعشعات مافوق صوت و یک متر قدرت آکوستیک مورد نیاز است.
یک ژنراتور التراسونیک الکتریکی، انرژی الکتریکی شبکه را با فرکانس اولتراسونیک به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. این کار با روش های شناخته شده انجام می شود و هیچ ویژگی خاصی ندارد. با این حال، زمانی که خروجی پالس های مستطیلی با قطبیت متناوب تولید می کند، استفاده از فناوری تولید دیجیتال ترجیح داده می شود. راندمان چنین ژنراتورهایی نزدیک به 100٪ است که حل مشکل شدت انرژی فرآیند را امکان پذیر می کند. استفاده از سیگنال موج مربعی منجر به انتشارات صوتی غنی از هارمونیک می شود. مزایای یک سیستم تمیز کردن چند فرکانس این است که هیچ منطقه "مرده" در گره های تداخل در حجم محیط شستشو تشکیل نمی شود. بنابراین، تابش مافوق صوت چند فرکانس، مکان یابی شی تمیز کننده را تقریباً در هر منطقه از حمام اولتراسونیک ممکن می سازد.

روش دیگر برای خلاص شدن از شر مناطق "مرده" استفاده از یک ژنراتور نوسان فرکانس است. در این حالت، گره ها و آنتی گره های میدان تداخل به نقاط مختلف سیستم تمیز کننده حرکت می کنند، بدون اینکه هیچ ناحیه ای برای تمیز کردن بدون تابش باقی بماند. اما راندمان چنین ژنراتورهایی نسبتاً پایین است.

مبدل ها
دو نوع کلی مبدل اولتراسونیک وجود دارد: مغناطیسی و پیزوالکتریک. هر دوی آنها وظیفه یکسانی را برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی انجام می دهند. مبدل های مغناطیسی انسدادی از اثر مغناطیسی انقباض استفاده می کنند که در آن برخی از مواد در یک میدان مغناطیسی متناوب، ابعاد خطی را تغییر می دهند. انرژی الکتریکی حاصل از ژنراتور اولتراسونیک ابتدا توسط سیم پیچ مغناطیسی به یک میدان مغناطیسی متناوب تبدیل می شود. میدان مغناطیسی متناوب، به نوبه خود، ارتعاشات مکانیکی فرکانس اولتراسونیک را به دلیل تغییر شکل مدار مغناطیسی در زمان با فرکانس میدان مغناطیسی ایجاد می کند. از آنجایی که مواد مغناطیس گیر مانند آهنرباهای الکتریکی رفتار می کنند، فرکانس نوسانات تغییر شکل آنها دو برابر فرکانس میدان مغناطیسی و در نتیجه میدان الکتریکی است.
مبدل های الکترومغناطیسی با افزایش تلفات انرژی به دلیل جریان های گردابی و معکوس مغناطیسی با افزایش فرکانس مشخص می شوند. بنابراین، مبدل های مغناطیسی قوی به ندرت در فرکانس های بالاتر از 20 کیلوهرتز استفاده می شوند.

برعکس مبدل های پیزو می توانند به خوبی در محدوده مگاهرتز تابش کنند. مبدل‌های مغناطیسی انسدادی معمولاً نسبت به همتایان پیزوالکتریک خود کارایی کمتری دارند. این اول از همه به این دلیل است که یک مبدل مغناطیسی به یک تبدیل انرژی مضاعف نیاز دارد: از الکتریکی به مغناطیسی و سپس از مغناطیسی به مکانیکی. اتلاف انرژی در هر تبدیل رخ می دهد. این باعث کاهش کارایی مغناطیس‌کننده‌ها می‌شود.
مبدل‌های پیزوالکتریک با استفاده از اثر پیزوالکتریک، انرژی الکتریکی را مستقیماً به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند، که در آن برخی از مواد (پیزوالکتریک) با اعمال میدان الکتریکی، ابعاد خطی را تغییر می‌دهند.
قبلاً از مواد پیزوالکتریک مانند کریستال های کوارتز طبیعی و تیتانات باریم سنتز شده برای ساطع کننده های پیزو استفاده می شد که شکننده و ناپایدار و در نتیجه غیرقابل اعتماد بودند.
مبدل های مدرن از مواد پیزوالکتریک سرامیکی بادوام تر و بسیار پایدارتر استفاده می کنند. اکثریت قریب به اتفاق سیستم های تمیز کننده اولتراسونیک امروزه از اثر پیزوالکتریک استفاده می کنند.

تجهیزات تمیز کننده اولتراسونیک.
گستره تجهیزات تمیزکننده اولتراسونیک مورد استفاده بسیار گسترده است: از واحدهای رومیزی کوچک در دندانپزشکی، جواهرات فروشی ها و صنعت الکترونیک تا سیستم های عظیم با حجم چند هزار لیتر در تعدادی از کاربردهای صنعتی. انتخاب تجهیزات مناسب برای موفقیت برنامه های تمیز کردن اولتراسونیک بسیار مهم است. ساده ترین کاربرد تمیز کردن اولتراسونیک ممکن است فقط به مایع تمیز کننده گرم شده نیاز داشته باشد. سیستم‌های نظافتی پیچیده‌تر به تعداد زیادی حمام نیاز دارند که آخرین آنها باید با آب مقطر یا دیونیزه پر شود.
بزرگترین سیستم ها از مبدل های مافوق صوت غوطه ور استفاده می کنند که ترکیب آنها می تواند حمام ها را تقریباً با هر اندازه ای تحت تابش قرار دهد. حداکثر انعطاف پذیری و سهولت استفاده و نگهداری را فراهم می کنند. حمام اولتراسونیک با محلول تمیز کننده گرم اغلب در آزمایشگاه ها، پزشکی و جواهرات استفاده می شود.
خطوط تمیز کننده اولتراسونیک مورد استفاده در تولید در مقیاس بزرگ، ژنراتورهای اولتراسونیک الکتریکی، مبدل های اولتراسونیک، یک سیستم حمل و نقل برای جابجایی اشیاء تمیز کردن از طریق حمام و یک سیستم کنترل را در یک محفظه ترکیب می کنند. حمام های اولتراسونیک را می توان با استفاده از مبدل های اولتراسونیک شناور مدولار در یک خط متالیزاسیون شیمیایی-گالوانیکی گنجاند.

سیستم های تمیز کننده اولتراسونیک
هنگام انتخاب یک سیستم تمیز کردن، توجه به ویژگی هایی که به شما امکان می دهد به طور موثرتری از آن استفاده کنید بسیار مهم است. اول از همه، تعیین فاکتورهای شدت کاویتاسیون اولتراسونیک در مایع لباسشویی مهم است. دمای مایع مهمترین عامل تعیین کننده شدت کاویتاسیون است. تغییرات دما منجر به تغییر ویسکوزیته، حلالیت گاز در مایع، سرعت انتشار گازهای محلول در مایع و فشار بخار می شود.
همه آنها بر شدت کاویتاسیون تأثیر می گذارند. سیالات چسبناک اینرسی هستند و نمی توانند به اندازه کافی سریع واکنش نشان دهند تا حباب های کاویتاسیون و جریان های صوتی قوی ایجاد کنند. برای موثرترین کاویتاسیون، مایع تمیزکننده باید تا حد امکان حاوی گاز محلول کمتری باشد.
گاز حل شده در مایع در طول فاز حباب رشد کاویتاسیون خارج می شود و اثر انفجاری آن را که برای اثر مورد انتظار اثر اولتراسونیک ضروری است، تضعیف می کند. مقدار گاز محلول در مایع با افزایش دما کاهش می یابد.
سرعت انتشار گازهای محلول در مایع نیز در دماهای بالاتر افزایش می یابد. بنابراین، اولویت به تمیز کردن در محلول های شستشوی گرم داده می شود.
کاویتاسیون بخار، که در آن حباب های کاویتاسیون با بخار مایع پر می شود، موثرترین است. شدت کاویتاسیون با قدرت تابش اولتراسونیک ارتباط مستقیم دارد. معمولاً بالای آستانه کاویتاسیون قرار می گیرد. شدت کاویتاسیون با فرکانس اولتراسونیک نسبت معکوس دارد: با افزایش فرکانس مافوق صوت، اندازه حباب‌های کاویتاسیون و تأثیر آنها بر سطح تمیز شده کاهش می‌یابد. کاهش شدت قرار گرفتن در معرض اولتراسونیک با افزایش فرکانس تنها با افزایش قدرت تابش قابل جبران است.

تضمین حداکثر اثر تمیز کنندگی
انتخاب موفقیت آمیز رسانه تمیز کردن، کلید موفقیت در فرآیند تمیز کردن اولتراسونیک است. اول از همه، ترکیب انتخاب شده باید با مواد سطوحی که قرار است تمیز شوند، سازگار باشد. محلول های آبی شوینده های فنی برای این کار مناسب هستند. به عنوان یک قاعده، اینها سورفکتانت های معمولی (سورفکتانت) هستند. گاز زدایی از محلول های تمیز کننده برای دستیابی به نتایج رضایت بخش تمیز کردن بسیار مهم است. محلول های تازه یا محلول هایی که روز قبل خنک شده اند باید قبل از فرآیند تمیز کردن گاز زدایی شوند. گاز زدایی با حرارت دادن مایع و پیش تابش حمام با اولتراسوند انجام می شود. زمان تعیین شده برای گاز زدایی مایع از چند دقیقه برای مخازن کوچک تا یک ساعت یا بیشتر برای یک مخزن بزرگ متغیر است. یک مخزن گرم نشده می تواند برای چند ساعت گاز زدایی کند. نشانه ای از گاز زدایی کامل، عدم حرکت حباب های گاز قابل مشاهده به سطح مایع و عدم وجود ضربان حباب قابل مشاهده است. قدرت تابش اولتراسونیک باید با حجم حمام مقایسه شود. تمیز کردن اجسامی که حجیم هستند یا نسبت سطح به جرم بالایی دارند ممکن است نیاز به نیروی مافوق صوت بیشتری داشته باشند. قدرت بیش از حد می تواند باعث فرسایش حفره یا اثر "سوختن" روی سطوح نرم شود. اگر اشیایی با سطوح متفاوت تمیز می شوند، توصیه می شود قدرت تابش را روی جزء کم دوام تنظیم کنید.
مهم است که اشیایی را که باید تمیز شوند به درستی در حمام قرار دهید. دستگاه های شناور نباید از اجسام در برابر اثرات امواج فراصوت محافظت کنند.
مواد جامد معمولاً رسانایی صوتی خوبی دارند و از جسم در حال تمیز کردن محافظت نمی کنند. با این حال، اشیاء تمیز کننده باید به طور مداوم در حین تمیز کردن جهت یا چرخانده شوند تا سینوس های داخلی و سوراخ های کور کاملاً تمیز شوند.

استفاده صحیح از فناوری اولتراسونیک سرعت بیشتر و تمیز کردن سطوح را با کیفیت بالا فراهم می کند.
امتناع از استفاده از حلال ها از طریق استفاده از محیط های آبی هزینه فرآیند را کاهش می دهد و به طور موثر مشکلات زیست محیطی را حل می کند.
سونوگرافی تکنولوژی آینده نیست، تکنولوژی امروزی است.

آرکادی مدودف

سونوگرافی……………………………………………………………………………….4

اولتراسوند به صورت امواج الاستیک…………………………………………..4

ویژگی های خاص سونوگرافی……………………………..5

منابع و گیرنده های اولتراسوند………………………………………..7

قطره چکان های مکانیکی…………………………………………………………

مبدل های الکتروآکوستیک…………………………….9

گیرنده های اولتراسوند………………………………………………………………………………………………………………………………………………..11

کاربرد سونوگرافی………………………………………………………………………………………………………………………………

تمیز کردن اولتراسونیک……………………………………………………………………………………………………………

پردازش مکانیکی فوق العاده سخت و شکننده

مواد…………………………………………………13

جوشکاری اولتراسونیک………………………………………….14

لحیم کاری و قلع کاری اولتراسونیک…………………………………………………………………………

تسریع فرآیندهای تولید…………………………………….. ۱۵

تشخیص عیب اولتراسونیک………………………………………………………………………

سونوگرافی در الکترونیک رادیویی………………………………………………………………

سونوگرافی در پزشکی……………………………………………..18

ادبیات…………………………………………………………………………………….19

هدایت

قرن بیست و یکم قرن اتم، اکتشافات فضایی، الکترونیک رادیویی و اولتراسوند است. علم سونوگرافی نسبتاً جوان است. اولین کار آزمایشگاهی بر روی تحقیقات اولتراسوند توسط فیزیکدان بزرگ روسی P. N. Lebedev در پایان قرن نوزدهم انجام شد و سپس بسیاری از دانشمندان برجسته به مطالعه اولتراسوند پرداختند.

اولتراسوند یک حرکت نوسانی پخش کننده موج مانند ذرات در یک محیط است. سونوگرافی در مقایسه با صداهای در محدوده قابل شنیدن دارای ویژگی هایی است. در محدوده اولتراسونیک بدست آوردن تابش مستقیم نسبتاً آسان است. به خوبی فوکوس می کند، در نتیجه شدت ارتعاشات اولتراسونیک افزایش می یابد. فراصوت هنگام انتشار در گازها، مایعات و جامدات پدیده های جالبی را پدید می آورد که بسیاری از آنها در زمینه های مختلف علم و فناوری کاربرد عملی یافته اند.

در سال های اخیر، اولتراسوند نقش مهمی را در تحقیقات علمی بازی می کند. مطالعات تئوری و تجربی با موفقیت در زمینه کاویتاسیون مافوق صوت و جریان‌های صوتی انجام شده است که امکان توسعه فرآیندهای فن‌آوری جدید را که تحت تأثیر فراصوت در فاز مایع رخ می‌دهد، می‌دهد. در حال حاضر، جهت جدیدی از شیمی در حال شکل گیری است - شیمی اولتراسونیک، که سرعت بخشیدن به بسیاری از فرآیندهای شیمیایی و تکنولوژیکی را ممکن می سازد. تحقیقات علمی به ظهور شاخه جدیدی از آکوستیک کمک کرد - آکوستیک مولکولی که برهمکنش مولکولی امواج صوتی با ماده را مطالعه می کند. حوزه های جدیدی از کاربرد اولتراسوند پدید آمده است: درون سنجی، هولوگرافی، آکوستیک کوانتومی، فاز سنج اولتراسونیک، آکوستوالکترونیک.

در کنار تحقیقات تئوری و تجربی در زمینه سونوگرافی کارهای عملی زیادی انجام شده است. دستگاه های فراصوت جهانی و ویژه، تاسیساتی که تحت فشار استاتیکی افزایش یافته کار می کنند، تاسیسات مکانیزه اولتراسونیک برای تمیز کردن قطعات، ژنراتورهای با فرکانس افزایش یافته و سیستم خنک کننده جدید و مبدل هایی با میدان توزیع یکنواخت توسعه یافته اند. واحدهای اولتراسونیک اتوماتیک ایجاد و وارد تولید شده اند که در خطوط تولید گنجانده شده اند و امکان افزایش قابل توجه بهره وری نیروی کار را فراهم می کنند.

سونوگرافی

اولتراسوند (US) ارتعاشات و امواج الاستیکی است که فرکانس آنها بیش از 15-20 کیلوهرتز است. حد پایین ناحیه فرکانس اولتراسونیک، که آن را از ناحیه صدای قابل شنیدن جدا می کند، توسط ویژگی های ذهنی شنوایی انسان تعیین می شود و مشروط است، زیرا حد بالایی ادراک شنوایی برای هر فرد متفاوت است. حد بالایی فرکانس های مافوق صوت توسط ماهیت فیزیکی امواج الاستیک تعیین می شود که فقط در یک محیط مادی می توانند منتشر شوند، یعنی. به شرطی که طول موج به طور قابل توجهی بیشتر از میانگین مسیر آزاد مولکول ها در گاز یا فواصل بین اتمی در مایعات و جامدات باشد. در گازها در فشار معمولی، حد بالایی فرکانس اولتراسونیک » 10 9 هرتز است، در مایعات و جامدات فرکانس حد به 10 12 -10 13 هرتز می رسد. بسته به طول موج و فرکانس، سونوگرافی دارای ویژگی‌های خاص مختلفی از تابش، دریافت، انتشار و کاربرد است، بنابراین ناحیه فرکانس‌های اولتراسوند به سه ناحیه تقسیم می‌شود:

· فرکانس های اولتراسونیک پایین (1.5×10 4 - 10 5 هرتز).

· میانگین (10 5 - 10 7 هرتز)؛

· بالا (10 7 - 10 9 هرتز).

امواج الاستیک با فرکانس 10 9 - 10 13 هرتز معمولاً فراصوت نامیده می شوند.

سونوگرافی به عنوان امواج الاستیک.

امواج اولتراسوند (صدای نامفهوم) از نظر ماهیت با امواج الاستیک در محدوده قابل شنیدن تفاوتی ندارند. فقط در گازها و مایعات توزیع می شود طولیامواج و در جامدات - طولی و برشیس

انتشار اولتراسوند از قوانین اساسی مشترک برای امواج صوتی با هر محدوده فرکانسی پیروی می کند. قوانین اساسی انتشار عبارتند از قوانین بازتاب صدا و شکست صدا در مرزهای رسانه های مختلف، پراش صدا و پراکندگی صدادر صورت وجود موانع و ناهمگونی در محیط و بی نظمی در مرزها، قوانین انتشار موجبردر مناطق محدودی از محیط زیست رابطه بین طول موج صدا l و اندازه هندسی D - اندازه منبع صدا یا مانع در مسیر موج، اندازه ناهمگنی های محیط، نقش مهمی ایفا می کند. وقتی D>>l، انتشار صدا در نزدیکی موانع عمدتاً طبق قوانین آکوستیک هندسی اتفاق می افتد (از قوانین بازتاب و شکست می توان استفاده کرد). درجه انحراف از الگوی انتشار هندسی و نیاز به در نظر گرفتن پدیده های پراش توسط پارامتر تعیین می شود.

، جایی که r فاصله نقطه مشاهده تا جسم ایجاد کننده پراش است.

سرعت انتشار امواج اولتراسونیک در یک محیط نامحدود با ویژگی های کشسانی و چگالی محیط تعیین می شود. در محیط های محدود، سرعت انتشار موج تحت تأثیر وجود و ماهیت مرزها قرار می گیرد که منجر به وابستگی فرکانسی سرعت (پراکندگی سرعت صدا) می شود. کاهش دامنه و شدت موج اولتراسونیک در حین انتشار در یک جهت معین، یعنی تضعیف صدا، مانند امواج با هر فرکانس، ناشی از واگرایی جبهه موج با فاصله از منبع، پراکندگی و جذب صدا در همه فرکانس‌های هر دو محدوده شنیدنی و غیرقابل شنیدن، جذب به اصطلاح "کلاسیک" رخ می‌دهد که ناشی از ویسکوزیته برشی (اصطکاک داخلی) محیط است. علاوه بر این، جذب اضافی (آرامش) وجود دارد که اغلب به طور قابل توجهی از جذب "کلاسیک" فراتر می رود.

با شدت قابل توجه امواج صوتی، اثرات غیرخطی ظاهر می شود:

· اصل برهم نهی نقض می شود و برهمکنش موجی رخ می دهد که منجر به ظهور زنگ ها می شود.

شکل موج تغییر می کند، طیف آن با هارمونیک های بالاتر غنی می شود و بر این اساس جذب افزایش می یابد.

· وقتی مقدار آستانه مشخصی از شدت اولتراسوند در مایع به دست می آید، حفره ایجاد می شود (به زیر مراجعه کنید).

ملاک کاربردی بودن قوانین آکوستیک خطی و امکان نادیده گرفتن اثرات غیرخطی این است:<< 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

پارامتر M "عدد ماخ" نامیده می شود.

ویژگی های خاص سونوگرافی

اگرچه ماهیت فیزیکی اولتراسوند و قوانین اساسی تعیین کننده انتشار آن مانند امواج صوتی با هر محدوده فرکانسی است، اما دارای تعدادی ویژگی خاص است. این ویژگی ها به دلیل فرکانس نسبتاً بالای اولتراسوند است.

کوچکی طول موج تعیین می کند شخصیت شعاعیانتشار امواج اولتراسونیک در نزدیکی امیتر، امواج به شکل پرتوهایی منتشر می شوند که اندازه عرضی آنها نزدیک به اندازه قطره چکان باقی می ماند. هنگامی که چنین پرتویی (پرتو اولتراسونیک) به موانع بزرگ برخورد می کند، بازتاب و شکست را تجربه می کند. هنگامی که پرتو به موانع کوچک برخورد می کند، یک موج پراکنده ظاهر می شود که تشخیص ناهمگنی های کوچک در محیط (در حد دهم و صدم میلی متر) را ممکن می سازد. انعکاس و پراکندگی اولتراسوند بر روی ناهمگنی های محیط، امکان تشکیل در محیط های مات نوری را فراهم می کند. تصاویر صوتیاجسام با استفاده از سیستم های فوکوس صدا، مشابه آنچه با استفاده از پرتوهای نور انجام می شود.

فوکوس اولتراسوند نه تنها به دست آوردن تصاویر صوتی (دید صوتی و سیستم های هولوگرافی آکوستیک) اجازه می دهد تمرکزانرژی صوتی با استفاده از سیستم های فوکوس اولتراسونیک می توان فرم های مشخصی را ایجاد کرد ویژگی های جهت دهیساطع کننده ها و کنترل آنها.

تغییر دوره ای در ضریب شکست امواج نور که با تغییر چگالی امواج اولتراسونیک همراه است پراش نور توسط اولتراسوند، در فرکانس های اولتراسونیک در محدوده مگاهرتز-گیگاهرتز مشاهده شد. در این حالت می توان موج اولتراسونیک را به عنوان توری پراش در نظر گرفت.

مهمترین اثر غیرخطی در میدان اولتراسونیک است کاویتاسیون- ظاهر شدن توده‌ای از حباب‌های تپنده در مایع پر از بخار، گاز یا مخلوطی از آنها. حرکت پیچیده حباب ها، فروپاشی آنها، ادغام با یکدیگر و غیره. پالس های فشرده سازی (امواج میکرو شوک) و جریان های میکرو در مایع ایجاد می کند که باعث گرم شدن موضعی محیط و یونیزاسیون می شود. این اثرات بر روی ماده تأثیر می گذارد: تخریب مواد جامد در مایع رخ می دهد ( فرسایش حفره ای) اختلاط مایع رخ می دهد، فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی مختلف شروع یا تسریع می شود. با تغییر شرایط برای کاویتاسیون، می توان اثرات مختلف کاویتاسیون را تقویت یا تضعیف کرد، به عنوان مثال، با افزایش فرکانس اولتراسونیک، نقش میکروفلوها افزایش می یابد و با افزایش فشار در مایع، فرسایش حفره کاهش می یابد. افزایش فرکانس منجر به افزایش مقدار شدت آستانه مربوط به شروع کاویتاسیون می شود که به نوع مایع، محتوای گاز، دما و غیره بستگی دارد. برای آب در فشار اتمسفر معمولاً 0.3-1.0 W/cm است. 2 . کاویتاسیون مجموعه پیچیده ای از پدیده ها است. امواج اولتراسونیک که به صورت مایع منتشر می شوند، مناطق متناوب فشار بالا و پایین را ایجاد می کنند و مناطقی با فشار زیاد و مناطق نادر ایجاد می کنند. در یک منطقه نادر، فشار هیدرواستاتیک به حدی کاهش می یابد که نیروهای وارد بر مولکول های مایع از نیروهای انسجام بین مولکولی بیشتر می شود. در نتیجه تغییر شدید در تعادل هیدرواستاتیک، مایع "ترک می کند" و حباب های کوچک متعددی از گازها و بخارات را تشکیل می دهد. لحظه بعد، زمانی که یک دوره فشار بالا در مایع رخ می دهد، حباب های تشکیل شده قبلی فرو می ریزند. فرآیند فروپاشی حباب با تشکیل امواج ضربه ای با فشار آنی موضعی بسیار بالا همراه است که به چند صد اتمسفر می رسد.

با توسعه آکوستیک در پایان قرن نوزدهم، اولتراسوند کشف شد و اولین مطالعات اولتراسوند در همان زمان آغاز شد، اما پایه های کاربرد آن تنها در یک سوم اول قرن بیستم گذاشته شد.

سونوگرافی و خواص آن

در طبیعت، اولتراسوند به عنوان جزئی از بسیاری از صداهای طبیعی یافت می شود: در صدای باد، آبشارها، باران، سنگریزه های دریا که توسط موج سواری غلت می زنند، و در طوفان های رعد و برق. بسیاری از پستانداران مانند گربه ها و سگ ها توانایی درک فراصوت با فرکانس تا 100 کیلوهرتز را دارند و توانایی های مکان یابی خفاش ها، حشرات شبانه و حیوانات دریایی برای همه شناخته شده است.

سونوگرافی- ارتعاشات مکانیکی بالاتر از محدوده فرکانسی قابل شنیدن برای گوش انسان (معمولاً 20 کیلوهرتز). ارتعاشات اولتراسونیک در شکل موج هایی مشابه انتشار نور حرکت می کنند. با این حال، بر خلاف امواج نور، که می توانند در خلاء حرکت کنند، اولتراسوند به یک محیط الاستیک مانند گاز، مایع یا جامد نیاز دارد.

پارامترهای اصلی موج عبارتند از طول موج، فرکانس و دوره. امواج مافوق صوت طبیعتاً با امواج در محدوده شنیداری تفاوتی ندارند و از قوانین فیزیکی یکسانی تبعیت می کنند. اما سونوگرافی ویژگی های خاصی دارد که کاربرد گسترده آن در علم و فناوری را مشخص کرده است. در اینجا موارد اصلی وجود دارد:

• 1. طول موج کوتاه. برای کمترین محدوده اولتراسونیک، طول موج در اکثر رسانه ها از چند سانتی متر تجاوز نمی کند. طول موج کوتاه ماهیت پرتوی انتشار امواج اولتراسونیک را تعیین می کند. در نزدیکی امیتر، اولتراسوند به شکل پرتوهایی مشابه اندازه امیتر منتشر می شود. هنگامی که با ناهمگنی در محیط برخورد می کند، پرتو اولتراسونیک مانند یک پرتو نور عمل می کند، بازتاب، شکست و پراکندگی را تجربه می کند، که این امکان را ایجاد می کند که تصاویر صوتی را در رسانه های نوری مات با استفاده از جلوه های نوری صرف (فوکوس، پراش و غیره) تشکیل دهد.
• 2. یک دوره کوتاه نوسان، که امکان انتشار اولتراسوند به صورت پالس و انجام انتخاب دقیق زمان سیگنال های انتشار در محیط را فراهم می کند.

امکان به دست آوردن مقادیر بالای انرژی ارتعاش در دامنه کم، زیرا انرژی ارتعاش متناسب با مجذور فرکانس است. این امکان ایجاد پرتوها و میدان های اولتراسونیک با سطح انرژی بالا را بدون نیاز به تجهیزات بزرگ فراهم می کند.

جریان های صوتی قابل توجهی در میدان اولتراسونیک ایجاد می شود. بنابراین، تأثیر امواج فراصوت بر محیط زیست اثرات خاصی را به دنبال دارد: فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی و پزشکی. مانند کاویتاسیون، اثر مویرگی صوتی، پراکندگی، امولسیون، گاز زدایی، ضد عفونی، گرمایش موضعی و بسیاری دیگر.

نیازهای نیروی دریایی قدرت های پیشرو - انگلستان و فرانسه، برای کاوش در اعماق دریا، علاقه بسیاری از دانشمندان را در زمینه آکوستیک برانگیخت، زیرا این تنها نوع سیگنالی است که می تواند به دور در آب سفر کند. بنابراین در سال 1826 دانشمند فرانسوی کولادون سرعت صوت را در آب تعیین کرد. در سال 1838، در ایالات متحده آمریکا، برای اولین بار از صدا برای تعیین نیمرخ بستر دریا به منظور کشیدن کابل تلگراف استفاده شد. نتایج آزمایش ناامید کننده بود. صدای زنگ پژواک بسیار ضعیفی می داد که در میان صداهای دیگر دریا تقریباً شنیده نمی شد. لازم بود به منطقه فرکانس‌های بالاتر رفت و امکان ایجاد پرتوهای صوتی هدایت شده را فراهم کرد.

اولین ژنراتور اولتراسوند در سال 1883 توسط فرانسیس گالتون انگلیسی ساخته شد. اولتراسوند مانند یک سوت بر روی لبه چاقو هنگامی که شما بر روی آن می دمید ایجاد شد. نقش چنین نوک در سوت گالتون توسط استوانه ای با لبه های تیز بازی می شد. هوا یا گاز دیگری که تحت فشار از طریق یک نازل حلقوی با قطری برابر با لبه سیلندر خارج می شود، به لبه می رود و نوسانات با فرکانس بالا رخ می دهد. با دمیدن سوت با هیدروژن، نوسانات تا 170 کیلوهرتز ممکن شد.

در سال 1880، پیر و ژاک کوری کشف قاطعی برای فناوری اولتراسوند انجام دادند. برادران کوری متوجه شدند که وقتی فشار بر کریستال‌های کوارتز اعمال می‌شود، بار الکتریکی ایجاد می‌شود که مستقیماً با نیروی وارد شده به کریستال متناسب است. این پدیده را "پیزوالکتریک" از کلمه یونانی به معنای "فشار دادن" نامیدند. آنها همچنین اثر پیزوالکتریک معکوس را نشان دادند که زمانی رخ داد که یک پتانسیل الکتریکی در حال تغییر به کریستال اعمال شد و باعث ارتعاش آن شد. از این به بعد، از نظر فنی امکان ساخت فرستنده و گیرنده اولتراسوند با اندازه کوچک وجود دارد.

مرگ تایتانیک در اثر برخورد با کوه یخ و نیاز به مبارزه با سلاح های جدید - زیردریایی ها - مستلزم توسعه سریع هیدروآکوستیک اولتراسونیک بود. در سال 1914، فیزیکدان فرانسوی، پل لانگوین، همراه با دانشمند با استعداد روسی مهاجر کنستانتین واسیلیویچ شیلوفسکی، برای اولین بار یک سونار متشکل از یک فرستنده اولتراسوند و یک هیدروفون - گیرنده ارتعاشات اولتراسونیک، بر اساس اثر پیزوالکتریک ایجاد کردند. ردیاب آوایی Langevin - Shilovsky اولین دستگاه اولتراسونیک بود، در عمل استفاده می شود. در همان زمان، دانشمند روسی S.Ya، مبانی تشخیص نقص اولتراسونیک را در صنعت توسعه داد. در سال 1937، کارل دوسیک، روانپزشک آلمانی، همراه با برادرش فردریش، فیزیکدان، برای اولین بار از امواج فراصوت برای تشخیص تومورهای مغزی استفاده کردند، اما نتایجی که به دست آوردند غیرقابل اعتماد بود. در عمل پزشکی، اولتراسوند اولین بار تنها در دهه 50 قرن بیستم در ایالات متحده آمریکا مورد استفاده قرار گرفت.

اولتراسوند رشته ای از فیزیک و فناوری است که با امواج صوتی با فرکانس بالا کار می کند. شرط اصلی این است که فرکانس ارتعاش بالای 20 کیلوهرتز باشد، یعنی 20 هزار ارتعاش در ثانیه. گوش انسان می تواند ارتعاشات را حداکثر تا 18 کیلوهرتز درک کند، بنابراین امواج اولتراسونیک برای ما قابل شنیدن نیست. امواج اولتراسونیک کاربردهای پزشکی و صنعتی بسیار زیادی دارند. آنها در ابزارهای برش، تمیز کردن، مخلوط کردن، چک کردن و لحیم کاری استفاده می شوند.

امواج اولتراسونیک را می توان به سه روش اصلی ایجاد کرد: با اعمال جریان متناوب از طریق کریستال کوارتز. مکانیکی - با استفاده از آژیر مخصوص (بوق)؛ با اعمال میدان مغناطیسی به یک میله فلزی توخالی.

در سال 1890، پیر کوری اولین روش تولید ارتعاشات اولتراسونیک را کشف کرد. در طول جنگ جهانی دوم، اولتراسوند اولین کاربرد خود را پیدا کرد - شناسایی زیردریایی ها در زیر آب با استفاده از سونار صوتی. امواج اولتراسونیک این روزها کاربردهای مهم زیادی پیدا کرده اند.

در پزشکی، اولتراسوند کاربرد بسیار گسترده ای پیدا کرده است. سونوگرافی یا سونوگرافی روشی برای بررسی اندام های داخلی بیمار بدون جراحی یا قرار گرفتن در معرض اشعه ایکس است. سونوگرافی شامل معاینه با استفاده از یک پروب مخصوص است که روی سطح پوست قرار می گیرد و امواج اولتراسوند کم انرژی را به بدن ساطع می کند. امواج با انعکاس از بافت‌های مختلف به کاوشگر باز می‌گردند و در آنجا به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شوند که سپس روی مانیتور نمایش داده می‌شود. سونوگرافی می تواند برای تشخیص تومورها، تشخیص بیماری های کیسه صفرا، کلیه ها، کبد و برخی ارگان های دیگر استفاده شود. علاوه بر این، سونوگرافی برای تشخیص وضعیت رشد کودک در دوران بارداری استفاده می شود.

انرژی اولتراسوند با قدرت بالاتر می تواند برای گرم کردن بافت های داخل بدن استفاده شود. از این روش می توان برای درمان آرتریت، بورسیت، دیستروفی عضلانی و سایر بافت ها استفاده کرد. در دندانپزشکی از اولتراسوند برای تمیز کردن دندان از جرم استفاده می شود.

یکی دیگر از ویژگی های مهم اولتراسوند، توانایی تولید میلیون ها حباب کوچک در یک مایع، امکان استفاده از آن را برای تمیز کردن قطعات فراهم می کند. این فرآیند کاویتاسیون نامیده می شود. برای تمیز کردن تیغه‌های پروانه کشتی، ابزار جراحی و سایر اشیایی که به درجه بالایی از تمیز کردن نیاز است استفاده می‌شود.

تکنیکی شبیه به کاویتاسیون اجازه می دهد تا از اولتراسوند برای پردازش مکانیکی مواد سخت مختلف، حتی فولاد و الماس استفاده شود. مواد مایع و ساینده توسط امواج فراصوت به جریان پیوسته ای تبدیل می شوند که قابلیت برش مواد را دارد. از این فناوری حتی برای حفاری سنگ ها نیز استفاده می شود.

سونوگرافی کاربرد دیگری در زمینه تشخیص فرسودگی و عیوب محصولات فلزی پیدا کرده است. جریان موج اولتراسونیک ارسال شده به قطعه از ترک ها و بی نظمی ها به امیتر منعکس می شود. این ویژگی به شما امکان می دهد تا قطعات خودرو، ماشین آلات و سازه ها را از نظر عیوب پنهان و خطرناک بررسی کنید.

علاوه بر کاربردهای فوق، امواج اولتراسونیک برای رنگ آمیزی، مخلوط کردن مایعات، لحیم کاری فلزات و در کنترل از راه دور و دزدگیر نیز استفاده می شود.