Ультразвук и его применение
Содержание
Введение……………………………………………………………………3
Ультразвук………………………………………………………………….4
Ультразвук как упругие волны……………………………………..4
Специфические особенности ультразвука………………………………..5
Источники и приемники ультразвука……………………………………..7
Механические излучатели…………………………………………...7
Электроакустические преобразователи…………………………….9
Приемники ультразвука……………………………………………..11
Применение ультразвука…………………………………………………...11
Ультразвуковая очистка……………………………………………...11
Механическая обработка сверхтвердых и хрупких
материалов……………………………………………………………13
Ультразвуковая сварка……………………………………………….14
Ультразвуковая пайка и лужение……………………………………14
Ускорение производственных процессов………………..…………15
Ультразвуковая дефектоскопия…………………………..…………15
Ультразвук в радиоэлектронике………………………..……………17
Ультразвук в медицине………………………………..……………..18
Литература…………………………………………………..……………….19
ведение.
Двадцать первый век - век атома, покорения космоса, радиоэлектроники и ультразвука. Наука об ультразвуке сравнительно молодая. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены великим русским ученым-физиком П. Н. Лебедевым в конце XIX, а затем ультразвуком занимались многие видные ученые.
Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности по сравнению со звуками слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне сравнительно легко получить направленное излучение; он хорошо поддается фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает интересные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и техники.
В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое направление химии – ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-технологические процессы. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазомерия, акустоэлектроника.
Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ. Разработаны универсальные и специальные ультразвуковые станки, установки, работающие под повышенным статическим давлением, ультразвуковые механизированные установки для очистки деталей, генераторы с повышенной частотой и новой системой охлаждения, преобразователи с равномерно распределенным полем. Созданы и внедрены в производство автоматические ультразвуковые установки, которые включаются в поточные линии, позволяющие значительно повысить производительность труда.
льтразвук.
Ультразвук (УЗ) – упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 – 20 кГц. Нижняя граница области УЗ-вых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной, так как верхняя граница слухового восприятия у каждого человека своя. Верхняя граница УЗ-вых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. В газах при нормальном давлении верхняя граница частот УЗ составляет » 109 Гц, в жидкостях и твердых телах граничная частота достигает 1012-1013 Гц. В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает различными специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область УЗ-вых частот подразделяют на три области:
· низкие УЗ-вые частоты (1,5×104 – 105 Гц);
· средние (105 – 107 Гц);
· высокие (107 – 109 Гц).
Упругие волны с частотами 109 – 1013 Гц принято называть гиперзвуком.
Ультразвук как упругие волны.
УЗ-вые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона. В газах и жидкостях распространяются только продольные волны, а в твердых телах – продольные и сдвиговые.
Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общими для акустических волн любого диапазона частот. К основным законам распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды. Существенную роль при этом играет соотношение между длиной волны звука l и геометрическим размером D – размером источника звука или препятствия на пути волны, размером неоднородностей среды. При D>>l распространение звука вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрической акустики (можно пользоваться законами отражения и преломления). Степень отклонения от геометрической картины распространения и необходимость учета дифракционных явлений определяются параметром 
, где r – расстояние от точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию.
Скорость распространения УЗ-вых волн в неограниченной среде определяется характеристиками упругости и плотностью среды. В ограниченных средах на скорость распространения волн влияет наличие и характер границ, что приводит к частотной зависимости скорости (дисперсия скорости звука). Уменьшение амплитуды и интенсивности УЗ-вой волны по мере ее распространения в заданном направлении, то есть затухание звука, вызывается, как и для волн любой частоты, расхождением фронта волны с удалением от источника, рассеянием и поглощением звука. На всех частотах как слышимого, так и неслышимых диапазонов имеет место так называемое «классическое» поглощение, вызванное сдвиговой вязкостью (внутренним трением) среды. Кроме того, существует дополнительное (релаксационное) поглощение, часто существенно превосходящее «классическое» поглощение.(1)
При значительной интенсивности звуковых волн появляются нелинейные эффекты:
· нарушается принцип суперпозиции и возникает взаимодействие волн, приводящее к появлению тонов;
· изменяется форма волны, ее спектр обогащается высшими гармониками и соответственно растет поглощение;
· при достижении некоторого порогового значения интенсивности УЗ в жидкости возникает кавитация (см. ниже).
Критерием применимости законов линейной акустики и возможности пренебрежения нелинейными эффектами является: М << 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.
Параметр М называется «число Маха».
пецифические особенности ультразвука
Хотя физическая природа УЗ и определяющие его распространение основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей. Эти особенности обусловлены относительно высокими частотами УЗ.
Малость длины волны определяет лучевой характер распространения УЗ-вых волн. Вблизи излучателя волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные препятствия такой пучок (УЗ луч) испытывает отражение и преломление. При попадании луча на малые препятствия возникает рассеянная волна, что позволяет обнаруживать в среде малые неоднородности (порядка десятых и сотых долей мм.). Отражение и рассеяние УЗ на неоднородностях среды позволяют формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов, используя звуковые фокусирующие системы, подобно тому, как это делается с помощью световых лучей.
Фокусировка УЗ позволяет не только получать звуковые изображения (системы звуковидения и акустической голографии), но и концентрировать звуковую энергию. С помощью УЗ-вых фокусирующих систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими.
Периодическое изменение показателя преломления световых волн, связанное с изменением плотности в УЗ-волне, вызывает дифракцию света на ультразвуке, наблюдаемую на частотах УЗ мегагерцевого-гигагерцевого диапазона. УЗ волну при этом можно рассматривать как дифракционную решетку.
Важнейшим нелинейным эффектом в УЗ-вом поле является кавитация – возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их схлопывание, слияние друг с другом и т.д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), возникает перемешивание жидкости, инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы. Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты, например с ростом частоты УЗ увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с увеличением давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий. Увеличение частоты приводит к повышению порогового значения интенсивности, соответствующей началу кавитации, которое зависит от рода жидкости, ее газосодержания, температуры и т.д.. Для воды при атмосферном давлении оно обычно составляет 0,3¸1,0 Вт/см2. Кавитация – сложный комплекс явлений. УЗ-вые волны, распространяющиеся в жидкости, образуют чередующиеся области высоких и низких давлений, создающих зоны высоких сжатий и зоны разрежений. В разреженной зоне гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил межмолекулярного сцепления. В результате резкого изменения гидростатического равновесия жидкость «разрывается», образуя многочисленные мельчайшие пузырьки газов и паров. В следующий момент, когда в жидкости наступает период высокого давления, образовавшиеся ранее пузырьки схлопываются. Процесс схлопывания пузырьков сопровождается образованием ударных волн с очень большим местным мгновенным давлением, достигающим нескольких сотен атмосфер.
сточники и приемники ультразвука.
В природе УЗ встречается как в качестве компоненты многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т.д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются УЗ-выми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве.
Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока – струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей – электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.
Механические излучатели.
В излучателях первого типа (механических) преобразование кинетической энергии струи (жидкости или газа) в акустическую возникает в результате периодического прерывания струи (сирена), при натекании ее на препятствия различного вида (газоструйные генераторы, свистки).
УЗ сирена – два диска с большим количеством отверстий, помещенные в камеру (рис. 1).
 |
Поступающий под большим давлением в камеру воздух выходит через отверстия обоих дисков. При вращении диска-ротора (3) его отверстия будут совпадать с отверстиями неподвижного диска-статора (2) только в определенные моменты времени. В результате возникнут пульсации воздуха. Чем больше скорость вращения ротора, тем больше частота пульсации воздуха, которая определяется по формуле:
,
где N – число отверстий, равнораспределенных по окружности ротора и статора; w - угловая скорость ротора.
Давление в камере сирен обычно составляет от 0,1 до 5,0 кгс/см2. Верхний предел частоты УЗ, излучаемого сиренами не превышает 40¸50 кГц, однако известны конструкции с верхним пределом 500 кГц. КПД генераторов не превышает 60%. Так как источником излучаемого сиреной звука являются импульсы газа, вытекающего из отверстий, частотный спектр сирен определяется формой этих импульсов. Для получения синусоидальных колебаний используют сирены с круглыми отверстиями, расстояния между которыми равны их диаметру. При отверстиях прямоугольной формы, отстоящих друг от друга на ширину отверстия, форма импульса треугольная. В случае применения нескольких роторов (вращающихся с разной скоростью) с отверстиями расположенными неравномерно и разной формы, можно получить шумовой сигнал. Акустическая мощность сирен может достигать десятков кВт. Если в поле излучения мощной сирены поместить вату, то она воспламенится, а стальные стружки нагреваются докрасна.
Принцип действия УЗ генератора-свистка почти такой же, как и обычного милицейского свистка, но размеры его значительно больше. Поток воздуха с большой скоростью разбивается об острый край внутренней полости генератора, вызывая колебания с частотой, равной собственной частоте резонатора. При помощи такого генератора можно создавать колебания с частотой до 100 Кгц при относительно небольшой мощности. Для получения больших мощностей применяют газоструйные генераторы, у которых скорость истечения газа выше. Жидкостные генераторы применяют для излучения УЗ в жидкость. В жидкостных генераторах (рис. 2) в качестве резонансной системы служит двустороннее острие, в котором возбуждаются изгибные колебания.
 |
Струя жидкости, выходя из сопла с большой скоростью, разбивается об острый край пластинки, по обе стороны которой возникают завихрения, вызывающие изменения давления с большой частотой.
Для работы жидкостного (гидродинамического) генератора необходимо избыточное давление жидкости 5 кГ/см2. частота колебаний такого генератора определяется соотношением:
,
где v – скорость жидкости, вытекающей из сопла; d – расстояние между острием и соплом.
Гидродинамические излучатели в жидкости дают относительно дешевую УЗ-вую энергию на частотах до 30¸40 кГц при интенсивности в непосредственной близости от излучателя до нескольких Вт/см2.
Механические излучатели используются в низкочастотном диапазоне УЗ и в диапазоне звуковых волн. Они относительно просты по конструкции и в эксплуатации, их изготовление не дорого, но они не могут создавать монохроматическое излучение(2) и тем более излучать сигналы строго заданной формы. Такие излучатели отличаются нестабильностью частоты и амплитуды, однако при излучении в газовых средах они имеют относительно высокую эффективность и мощность излучения: их кпд составляет от нескольких % до 50%, мощность от нескольких ватт до десятков кВт.
Электроакустические преобразователи.
Излучатели второго типа основываются на различных физических эффектах электромеханического преобразования. Как правило, они линейны, то есть воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал. В низкочастотном УЗ-вом диапазоне применяются электродинамические излучатели и излучающие магнитострикционные преобразователи и пьезоэлектрические преобразователи. Наиболее широкое распространение получили излучатели магнитострикционного и пьезоэлектрического типов.
В 1847 г. Джоуль заметил, что ферромагнитные материалы, помещенные в магнитное поле, изменяют свои размеры. Это явление назвали магнитострикционным эффектом(3). Если по обмотке, наложенной на ферромагнитный стержень, пропустить переменный ток, то под воздействием изменяющегося магнитного поля стержень будет деформироваться. Никелевые сердечники, в отличии от железных, в магнитном поле укорачиваются. При пропускании переменного тока по обмотке излучателя его стержень деформируется в одном направлении при любом направлении магнитного поля. Поэтому частота механических колебаний будет вдвое больше частоты переменного тока.
Чтобы частота колебаний излучателя соответствовала частоте возбуждающего тока, в обмотку излучателя подводят постоянное напряжение поляризации. У поляризованного излучателя увеличивается амплитуда переменной магнитной индукции, что приводит к увеличению деформации сердечника и повышению мощности.
Магнитострикционный эффект используется при изготовлении УЗ-вых магнитострикционных преобразователей (рис. 3).
 |
Эти преобразователи отличаются большими относительными деформациями, повышенной механической прочностью, малой чувствительностью к температурным воздействиям. Магнитострикционные преобразователи имеют небольшие значения электрического сопротивления, в результате чего для получения большой мощности не требуются высокие напряжения.
Чаще всего применяют преобразователи из никеля (высокая стойкость против коррозии, низкая цена). Магнитострикционные сердечники могут быть изготовлены и из ферритов. У ферритов высокое удельное сопротивление, в результате чего потери на вихревые токи в них ничтожно малы. Однако феррит – хрупкий материал, что вызывает опасность их перегрузки при большой мощности. Кпд магнитострикционных преобразователей при излучении в жидкость и твердое тело составляет 50¸90%., интенсивность излучения достигает нескольких десятков Вт/см2.
В 1880 году братья Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектрический эффект – если деформировать пластинку кварца, то на ее гранях появляются противоположные по знаку электрические заряды. Наблюдается и обратное явление – если к электродам кварцевой пластинки подвести электрический заряд, то ее размеры уменьшатся или увеличатся в зависимости от полярности подводимого заряда. При изменении знаков приложенного напряжения кварцевая пластинка будет то сжиматься, то разжиматься, то есть она будет колебаться в такт с изменениями знаков приложенного напряжения. Изменение толщины пластинки пропорционально приложенному напряжению.
Принцип пьезоэлектрического эффекта используется при изготовлении излучателей УЗ-вых колебаний, которые преобразуют электрические колебания в механические. В качестве пьезоэлектрических материалов применяют кварц, титанат бария, фосфат аммония.
Кпд пьезоэлектрических преобразователей достигает 90%, интенсивность излучения – несколько десятков Вт/см2. Для увеличения интенсивности и амплитуды колебаний используют УЗ-вые концентраторы. В диапазоне средних УЗ-вых частот концентратор представляет собой фокусирующую систему, чаще всего в виде пьезоэлектрического преобразователя вогнутой формы, излучающего сходящуюся волну. В фокусе подобных концентраторов достигается интенсивность 105-106 Вт/см2.
Приемники ультразвука.
В качестве приемников ультразвука на низких и средних частотах чаще всего применяют электроакустические преобразователи пьезоэлектрического типа. Такие приемники позволяют воспроизводить форму акустического сигнала, то есть временную зависимость звукового давления. В зависимости от условий применения приемники делают либо резонансными, либо широкополосными. Для получения усредненных по времени характеристик звукового поля используют термическими приемниками звука в виде покрытых звукопоглощающим веществом термопар или термисторов(4). Интенсивность и звуковое давление можно оценивать и оптическими методами, например по дифракции света на УЗ.
рименение ультразвука.
Многообразные применения УЗ, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством УЗ-вых волн, второе – с активным воздействием на вещество и третье – с обработкой и передачей сигналов. При каждом конкретном применении используется УЗ определенного частотного диапазона (табл. 1). Расскажем лишь о некоторых из многочисленных областей, где нашел применение УЗ.
Ультразвуковая очистка.
Качество УЗ очистки несравнимо с другими способами. Например, при полоскании деталей на их поверхности остается до 80% загрязнений, при вибрационной очистке – около 55%, при ручной – около 20%, а при ультразвуковой – не более 0,5%. Кроме того, детали, имеющие сложную форму, труднодоступные места, хорошо можно очистить только с помощью ультразвука. Особое преимущество УЗ-вой очистки заключается в ее высокой производительности при малой затрате физического труда, возможности замены огнеопасных или дорогостоящих органических растворителей безопасными и дешевыми водными растворами щелочей, жидким фреоном и др.
Ультразвуковая очистка – сложный процесс, сочетающий местную кавитацию с действием больших ускорений в очищающей жидкости, что приводит к разрушению загрязнений. Если загрязненную деталь поместить в
Таблица 1
| Применения | Частота в герцах | ||||||||||
103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 | |||||||||||
| Получение информации | Научные исследования | в газах, жидкостях | ggggggggggggggg | ||||||||
| в твердых телах | gggggggggggggggg | ||||||||||
О свойствах и составе веществ; о технологических процессах | в газах | ggggg | |||||||||
| в жидкостях | gggggg | ||||||||||
| в твердых телах | gggggggggggggg | ||||||||||
| гидролокация | gggggg | ||||||||||
| УЗ дефектоскопия | ggggggggg | ||||||||||
| контроль размеров | ggggg | ||||||||||
| Медицинская диагностика | gggg | ||||||||||
| Воздействие на вещество | Коагуляция аэрозолей | ggg | |||||||||
| Воздействие на горение | ggg | ||||||||||
| Очистка | gg | ||||||||||
| Воздействие на химические процессы | gg | ||||||||||
| Эмульгирование | gggggggg | ||||||||||
| Диспергирование | g | ||||||||||
| Распыление | gg | gg | |||||||||
| Кристаллизация | g | ||||||||||
| Металлизация, пайка | g | ||||||||||
| Механическая обработка | gg | ||||||||||
| Сварка | gg | ||||||||||
| Пластическое деформирование | g | ||||||||||
| Терапия | ggg | ||||||||||
| Хирургия | gg | ggg | |||||||||
Обработка сигналов | Линии задержки | gggggggggggg | |||||||||
| Фильтры | gggggggggggg | ||||||||||
| Акустооптические устройства | ggggggggggggg | ||||||||||
| Преобразователи сигналов в акустоэлектронике | ggggggggg | ||||||||||
жидкость и облучить ультразвуком, то под действием ударной волны кавитационных пузырьков поверхность детали очищается от грязи.
Серьезной проблемой является борьба с загрязнением воздуха пылью, дымом, копотью, окислами металлов и т.д. Ультразвуковой метод очистки газа и воздуха может применяться в существующих газоотводах независимо от температуры и влажности среды. Если поместить УЗ-вой излучатель в пылеосадочную камеру, то эффективность ее действия возрастает в сотни раз. В чем сущность УЗ-вой очистки воздуха? Пылинки, которые беспорядочно движутся в воздухе, под действием ультразвуковых колебаний чаще и сильнее ударяются друг о друга. При этом они сливаются и размер их увеличивается. Процесс укрупнения частиц называется коагуляцией. Улавливаются укрупненные и утяжеленные частицы специальными фильтрами.
Механическая обработка сверхтвердых
и хрупких материалов.
Если между рабочей поверхностью УЗ-вого инструмента и обрабатываемой деталью ввести абразивный материал, то при работе излучателя частицы абразива будут воздействовать на поверхность детали. Материал разрушается и удаляется при обработке под действием большого числа направленных микроударов (рис. 4).
|