Дмитрий Левкин

Ултразвук- механични вибрации, разположени над честотния диапазон, който се чува от човешкото ухо (обикновено 20 kHz). Ултразвуковите вибрации се движат във форма на вълна, подобна на разпространението на светлината. Въпреки това, за разлика от светлинните вълни, които могат да се движат във вакуум, ултразвукът изисква еластична среда като газ, течност или твърдо вещество.

, (3)

За напречните вълни се определя по формулата

Звукова дисперсия- зависимост на фазовата скорост на монохроматичните звукови вълни от тяхната честота. Дисперсията на скоростта на звука може да бъде причинена като физични свойствасреда, както и наличието на чужди включвания в нея и наличието на границите на тялото, в което се разпространява звуковата вълна.

Разновидности на ултразвукови вълни

Повечето ултразвукови методи използват или надлъжни, или срязващи вълни. Съществуват и други форми на ултразвуково разпространение, включително повърхностни вълни и вълни на Ламб.

Надлъжни ултразвукови вълни- вълни, чиято посока на разпространение съвпада с посоката на премествания и скорости на частиците на средата.

Напречни ултразвукови вълни- вълни, разпространяващи се в посока, перпендикулярна на равнината, в която лежат посоките на премествания и скорости на частиците на тялото, същите като срязващите вълни.

Повърхностни (Rayleigh) ултразвукови вълниимат елипсовидно движение на частиците и се разпространяват по повърхността на материала. Тяхната скорост е приблизително 90% от скоростта на разпространение на срязващата вълна, а проникването им дълбоко в материала е равно на приблизително една дължина на вълната.

Агнешка вълна- еластична вълна, разпространяваща се в твърда плоча (слой) със свободни граници, при която вибрационното изместване на частиците възниква както в посока на разпространение на вълната, така и перпендикулярно на равнината на плочата. Ламб вълните са един от видовете нормални вълни в еластичен вълновод - в плоча със свободни граници. Защото тези вълни трябва да отговарят не само на уравненията на теорията на еластичността, но и на граничните условия на повърхността на плочата, модела на движение в тях и техните свойства са по-сложни от тези на вълните в неограничени твърди тела.

Визуализация на ултразвукови вълни

За плоска синусоидална пътуваща вълна, ултразвуковият интензитет I се определя по формулата

, (5)

V сферична пътуваща вълнаинтензитетът на ултразвука е обратно пропорционален на квадрата на разстоянието от източника. V стояща вълна I = 0, тоест средно няма поток на звукова енергия. Ултразвуков интензитет в хармонична плоска бягаща вълнаравна на енергийната плътност на звуковата вълна, умножена на скоростта на звука. Потокът на звукова енергия се характеризира с т.нар от вектора Умов- векторът на плътността на енергийния поток на звуковата вълна, който може да бъде представен като произведение на интензитета на ултразвука от нормален вектор на вълната, т.е. единичния вектор, перпендикулярен на фронта на вълната. Ако звуковото поле е суперпозиция на хармонични вълни с различни честоти, тогава за вектора на средната плътност на звуковия енергиен поток се осъществява адитивност на компонентите.

За излъчвателите, които създават плоска вълна, те говорят за интензитет на радиацияразбиране от това специфична мощност на излъчвателят.е. излъчената звукова мощност на единица площ от излъчващата повърхност.

Интензитетът на звука се измерва в SI единици в W / m2. В ултразвуковата технология диапазонът от промени в интензивността на ултразвука е много голям - от прагови стойности от ~ 10 -12 W / m 2 до стотици kW / m 2 във фокуса на ултразвуковите концентратори.

Таблица 1 - Свойства на някои често срещани материали

Материал	Плътност, kg / m 3	Скорост на надлъжната вълна, m / s	Скорост на срязващата вълна, m / s	, 10 3 kg / (m 2 * s)
акрилни	1180	2670	-	3,15
Въздух	0,1	330	-	0,00033
алуминий	2700	6320	3130	17,064
месинг	8100	4430	2120	35,883
медни	8900	4700	2260	41,830
Стъклена чаша	3600	4260	2560	15,336
никел	8800	5630	2960	49,544
полиамид (найлон)	1100	2620	1080	2,882
Стомана (ниско легирана)	7850	5940	3250	46,629
титан	4540	6230	3180	26,284
волфрам	19100	5460	2620	104,286
вода (293K)	1000	1480	-	1,480

Затихване на ултразвука

Една от основните характеристики на ултразвука е неговото затихване. Затихване на ултразвукаТова е намаляване на амплитудата и, следователно, на звуковата вълна при нейното разпространение. Затихването на ултразвука възниква по редица причини. Основните са:

Първата от тези причини е свързана с факта, че когато вълната се разпространява от точков или сферичен източник, енергията, излъчвана от източника, се разпределя върху нарастващата повърхност на фронта на вълната и съответно енергийният поток през повърхността на единицата намалява , т.е ... За сферична вълна, чиято вълнова повърхност нараства с разстояние r от източника като r 2, амплитудата на вълната намалява пропорционално, а за цилиндрична вълна - пропорционално.

Коефициентът на затихване се изразява в децибели на метър (dB / m) или непери на метър (Np / m).

За плоска вълна коефициентът на затихване по амплитуда с разстоянието се определя по формулата

, (6)

Определя се коефициентът на затихване спрямо времето

, (7)

За измерване на коефициента в този случай се използва и единицата dB / m

, (8)

Децибел (dB) е логаритмична единица за измерване на съотношението на енергиите или мощностите в акустиката.

, (9)

• където A 1 е амплитудата на първия сигнал,
• A 2 - амплитудата на втория сигнал

Тогава връзката между мерните единици (dB / m) и (1 / m) ще бъде:

Отражение на ултразвук от интерфейса

Когато звукова вълна удари интерфейса между средата, част от енергията ще бъде отразена в първата среда, а останалата енергия ще премине във втората среда. Съотношението между отразената енергия и енергията, преминаваща във втората среда, се определя от вълновите импеданси на първата и втората среда. При липса на дисперсия на скоростта на звука вълнов импедансне зависи от формата на вълната и се изразява с формулата:

Коефициентите на отражение и пропускане ще бъдат определени, както следва

• където D е коефициентът на предаване на звуковото налягане

Трябва също да се отбележи, че ако втората среда е акустично по-мека, т.е. Z 1> Z 2, тогава при отражение фазата на вълната се променя на 180˚.

Пропускането на енергия от една среда в друга се определя от съотношението на интензитета на вълната, преминаваща във втората среда, към интензитета на падащата вълна

, (14)

Интерференция и дифракция на ултразвукови вълни

Звукова интерференция- неравномерност на пространственото разпределение на амплитудата на получената звукова вълна в зависимост от съотношението между фазите на вълните, добавени в една или друга точка на пространството. Когато се добавят хармонични вълни със същата честота, полученото пространствено разпределение на амплитудите образува независима от времето интерференционна картина, която съответства на промяна във фазовата разлика на съставните вълни при преминаване от точка към точка. За две интерфериращи вълни този модел в равнината има формата на редуващи се ленти на усилване и затихване на амплитудата на величината, характеризираща звуковото поле (например звуково налягане). За две плоски вълни ивиците са праволинейни с амплитуда, варираща през ивиците в зависимост от промяната във фазовата разлика. Важен специален случай на интерференция е добавянето на плоска вълна с нейното отражение от плоска граница; в този случай се образува стояща вълна с равнините на възлите и антивъзлите, разположени успоредно на границата.

Дифракция на звука- отклонението на поведението на звука от законите на геометричната акустика, поради вълновата природа на звука. Резултатът от дифракцията на звука е разминаването на ултразвуковите лъчи при отдалечаване от излъчвателя или след преминаване през дупка в екрана, огъване на звукови вълни в областта на сянка зад препятствия, които са големи в сравнение с дължината на вълната, липса на сянка зад препятствия, които са малки в сравнение с дължината на вълната и др. n. Звукови полета, създадени от дифракция на първоначалната вълна от препятствия, поставени в средата, от нехомогенност на самата среда, както и от неравности и нееднородности на границите на средата, се наричат ​​разпръснати полета. За обекти, върху които възниква дифракция на звука, голяма в сравнение с дължината на вълната, степента на отклонения от геометричния модел зависи от стойността на параметъра на вълната

, (15)

• където D е диаметърът на обекта (например диаметърът на ултразвуков емитер или препятствие),
• r - разстояние на точката на наблюдение от този обект

Ултразвукови излъчватели

Ултразвукови излъчватели- устройства, използвани за възбуждане на ултразвукови вибрации и вълни в газообразни, течни и твърди среди. Ултразвуковите излъчватели преобразуват енергията от всякакъв друг вид в енергия.

Най-широко използвани като ултразвукови излъчватели са електроакустични преобразуватели... В преобладаващото мнозинство ултразвукови излъчватели от този тип, а именно в пиезоелектрични преобразуватели , магнитострикционни преобразуватели, електродинамични излъчватели, електромагнитни и електростатични излъчватели, електрическата енергия се превръща в енергия на вибрации на всяко твърдо тяло (излъчваща плоча, прът, диафрагма и др.), което излъчва акустични вълни в околната среда. Всички тези преобразуватели по правило са линейни и следователно трептенията на излъчващата система възпроизвеждат във форма вълнуващия електрически сигнал; само при много високи амплитуди на трептения близо до горната граница на динамичния диапазон на ултразвуковия излъчвател могат да възникнат нелинейни изкривявания.

В преобразувателите, предназначени да излъчват монохроматична вълна, се използва явлението резонанс: те работят върху едно от собствените трептения на механична осцилаторна система, на чиято честота е настроен генераторът на електрически трептения, който възбужда преобразувателя. Електроакустични преобразуватели, които нямат твърдотелна излъчваща система, се използват сравнително рядко като ултразвукови излъчватели; те включват, например, ултразвукови излъчватели, базирани на електрически разряд в течност или на електрострикция на течност.

Характеристики на ултразвуков преобразувател

Основните характеристики на ултразвуковите излъчватели са техните честотен спектъризлъчвани мощност на звука, насоченост на излъчване... При моночестотното излъчване основните характеристики са работна честотаултразвуковият излъчвател и неговите честотна лента, чиито граници се определят от спада на излъчената мощност два пъти в сравнение с нейната стойност при честотата на максимално излъчване. За резонансни електроакустични преобразуватели работната честота е естествена честота f 0 на преобразувателя и Ширината на линиятаΔf се определя от неговата качествен факторВ.

Ултразвуковите излъчватели (електроакустични преобразуватели) се характеризират с чувствителност, електроакустична ефективност и собствен електрически импеданс.

Чувствителност на ултразвуков преобразувател- съотношението на звуковото налягане при максимума на характеристиката на насоченост на определено разстояние от емитера (най-често на разстояние 1 m) към електрическото напрежение върху него или към протичащия в него ток. Тази характеристика се отнася за ултразвукови излъчватели, използвани в звукови аларми, сонарни системи и други подобни устройства. За излъчватели за технологични цели, използвани например при ултразвуково почистване, коагулация, излагане на химични процеси, основната характеристика е мощността. Наред с общата излъчена мощност, оценена в W, ултразвуковите излъчватели характеризират специфична мощност, тоест средната мощност на единица площ от излъчващата повърхност или средната интензивност на радиация в близкото поле, изчислена в W / m 2.

Ефективността на електроакустичните преобразуватели, излъчващи акустична енергия в звуковата среда, се характеризира с тяхната стойност електроакустична ефективност, което е съотношението на излъчената акустична мощност към консумираната електрическа мощност. В акустоелектрониката за оценка на ефективността на ултразвуковите излъчватели се използва така нареченият коефициент на електрически загуби, който е равен на съотношението (в dB) на електрическата мощност към акустичната мощност. Ефективността на ултразвуковите инструменти, използвани при ултразвуково заваряване, механична обработка и други подобни, се характеризира с така наречения коефициент на ефективност, който е съотношението на квадрата на амплитудата на вибрационното изместване в работния край на концентратора към консумираната електрическа мощност от трансдюсера. Понякога ефективният електромеханичен коефициент на свързване се използва за характеризиране на преобразуването на енергия в ултразвуковите излъчватели.

Звуково поле на излъчвателя

Звуковото поле на трансдюсера е разделено на две зони: близката зона и далечната зона. Близо до зонатова е областта точно пред трансдюсера, където амплитудата на ехото преминава през серия от високи и ниски нива. Близката зона завършва при последния максимум, който се намира на разстояние N от преобразувателя. Известно е, че местоположението на последния максимум е естественият фокус на преобразувателя. Далечна зонатова е областта зад N, където налягането на звуковото поле постепенно намалява до нула.

Положението на последния максимум N по акустичната ос от своя страна зависи от диаметъра и дължината на вълната и за дисков кръгъл радиатор се изразява с формулата

, (17)

Въпреки това, тъй като D обикновено е много по-голям, уравнението може да бъде опростено и сведено до формата

Характеристиките на звуковото поле се определят от конструкцията на ултразвуковия преобразувател. Следователно разпространението на звука в изследваната област и чувствителността на сензора зависят от неговата форма.

Прилагане на ултразвук

Различните приложения на ултразвука, в които се използват различните му характеристики, могат условно да се разделят на три направления. свързани с получаването на информация с помощта на ултразвукови вълни, - с активно въздействие върху веществото и - с обработката и предаването на сигнали (посоките са изброени в реда на тяхното историческо формиране). За всяко конкретно приложение се използва ултразвук с определен честотен диапазон.

Ако в непрекъсната среда - газове, течности или твърди тела, частиците на средата се окажат изведени от равновесно положение, тогава еластичните сили, действащи върху тях от страната на други частици, ще ги върнат в равновесно положение. В този случай частиците ще извършват осцилаторно движение. Разпространението на еластични вибрации в непрекъсната среда е вълнообразен процес.
Наричат ​​се вибрации с честота от единици херц (Hz) до 20 херца инфразвуков, при честота от 20 Hz до 16 ... 20 kHz създават трептения звукови звуци. Ултразвукови вибрациисъответстват на честоти от 16 ... 20 kHz до 10 8 Hz, а трептенията с честота над 10 8 Hz се наричат хиперзвуци... Фигура 1.1 показва логаритмичната честотна скала въз основа на израза lg 2 f = 1, 2, 3 ..., n,където 1, 2, 3 ..., n- числа на октави.

Фигура 1.1 - Обхвати на еластични вибрации в материална среда

Физическата природа на еластичните вибрации е една и съща в целия честотен диапазон. За да разберем естеството на еластичните вибрации, нека разгледаме техните свойства.
Форма на вълната е формата на вълновия фронт, т.е. колекция от точки със същата фаза. Трептенията на равнината създават плоска звукова вълна, ако цилиндърът служи като излъчвател, като периодично се свива и разширява по посока на радиуса си, тогава възниква цилиндрична вълна. Точков излъчвател или пулсираща топка, чиито размери са малки в сравнение с дължината на излъчваната вълна, произвежда сферична вълна.

Звуковите вълни се класифицират според вид вълни : те могат да бъдат надлъжни, напречни, огъващи, усукващи - в зависимост от условията на възбуждане и разпространение. В течности и газове се разпространяват само надлъжни вълни; в твърди тела могат да се появят и напречни и други от изброените видове вълни. При надлъжна вълна посоката на трептения на частиците съвпада с посоката на разпространение на вълната (Фигура 1.2, а), срязващата вълна се разпространява перпендикулярно на посоката на трептения на частиците (Фигура 1.2, б) .

а) движението на частиците от средата по време на разпространението на надлъжна вълна; б) движението на частиците от средата при разпространението на напречна вълна.

Фигура 1.2 - Движение на частици по време на разпространение на вълната

Всяка вълна, като трептене, разпространяващо се във времето и пространството, може да бъде характеризирана честота , дължина на вълната и амплитуда (Фигура 3). В този случай дължината на вълната λ е свързана с честотата ечрез скоростта на разпространение на вълната в даден материал ° С: λ = c/f.

Фигура 1.3 - Характеристики на осцилаторния процес

1.6 Практическо приложение на нискоенергийни ултразвукови вибрации

Областта на приложение на ултразвукови вибрации с нисък интензитет (конвенционално до 1 W/cm 2) е много обширна и ще разгледаме на свой ред няколко основни приложения на ултразвукови вибрации с нисък интензитет.
1. Ултразвукови устройства за контрол на химичните характеристикиразлични материали и среди. Всички те се основават на промяна на скоростта на ултразвуковите вибрации в средата и позволяват:
- определяне на концентрацията на бинарни смеси;
- плътност на разтворите;
- степента на полимеризация;
- наличие в разтвори на примеси, газови мехурчета;
- да се определи скоростта на протичане на химичните реакции;
- масленост на мляко, сметана, заквасена сметана;
- дисперсия в хетерогенни системи и др.
Разделителната способност на съвременните ултразвукови устройства е 0,05%, точността на измерване на скоростта на разпространение на проби с дължина 1 m е 0,5-1 m / s (скоростта в метала е повече от 5000 m / s). Почти всички измервания се извършват чрез сравнение със стандарт.
2. Инструменти за контрол на физичните и химичните характеристикивъз основа на измерването на ултразвуковото затихване. Такива устройства позволяват измерване на вискозитет, измерване на плътност, състав, съдържание на примеси, газове и др. Използваните техники също се основават на методи за сравнителен анализ.
3. Ултразвукови разходомери за течности в тръбопроводи... Тяхното действие се основава и на измерване на скоростта на разпространение на ултразвукови вибрации по течението на течността и нагоре. Сравнението на двете скорости ви позволява да определите скоростта на потока и при известно напречно сечение на тръбопровода скоростта на потока. Пример за един от разходомери (№ 15183 в Държавния регистър на измервателните уреди) е показан на фигура 1.4.

Фигура 1.4 - Стационарен ултразвуков разходомер "AKRON"

Такъв разходомер измерва обемния дебит и общия обем (количество) течности, протичащи в напорни тръбопроводи на системи за водоснабдяване, канализация и захранване с нефтопродукти без връзване в работещ тръбопровод. Принципът на действие на разходомера е да измерва разликата във времето на преминаване ултразвукова вълнаслед и преди контролираната течност, преизчислявайки я в моментен дебит с последващо интегриране.
Грешката на инструмента е 2% от горната граница на измерване. Горната и долната граница на измерване се задават от оператора. Разходомерът включва сензорен блок (състои се от два ултразвукови сензора и устройство за тяхното закрепване към тръба) и електронен блок, свързан чрез RF кабел с дължина до 50 m (10 m стандартно). Сензорите са монтирани на прав участък от тръбопровода върху външната повърхност, без замърсявания, боя и ръжда. Условието за правилния монтаж на сензорите е наличието на прав тръбен участък с поне 10 диаметъра на тръбата - пред и 5 диаметъра - след сензорите.
4. Индикатори за ниво
Принципът на действие се основава на местоположението на нивото на течни или насипни материали чрез ултразвукови импулси, преминаващи през газова среда, и на явлението отражение на тези импулси от интерфейса "газ - контролирана среда". В този случай мярката за нивото е времето за разпространение на звуковите вибрации от излъчвателя до контролирания интерфейс между средата и обратно към приемника. Резултатът от измерването се показва на персонален компютър, където всички измервания се запаметяват, с последваща възможност за преглед и анализ, както и свързване към автоматизираната система за събиране и обработка на данни. Нивомерът като част от системата може да включва автомати, помпи и други устройства на ниво над максималното и под минималната стойност, което прави възможно автоматизирането на технологичния процес. Допълнително се формира токов изход (0,5 mA, 0-20 mA) за записващи устройства.
Превключвателят за ниво ви позволява да наблюдавате температурата на средата в резервоарите. Основният изходен формат е разстоянието от горната част на резервоара до повърхността на веществото, което съдържа. По желание на клиента, при предоставяне на необходимата информация, е възможна модификация на устройството за показване на височината, масата или обема на веществото в резервоара.
5. Ултразвукови анализатори на газовия съставсе основават на използването на зависимостта на скоростта на ултразвука в смес от газове от скоростите във всеки от газовете, които съставляват тази смес.
6. Ултразвукови устройства за сигурноствъз основа на измерване на различни параметри на ултразвукови полета (амплитуда на трептения при припокриване на пространството между излъчвателя и приемника, промени в честотата при отражение от движещ се обект и др.).
7. Температурни измервателни уреди на газ и пожароизвестители, базирани на промяна в скоростта на разпространение, когато температурата на околната среда се промени или се появи дим.
8. Устройства за ултразвуков безразрушителен контрол.Безразрушителният контрол е един от основните технологични методи за гарантиране на качеството на материалите и продуктите. Повече от един продукт не трябва да се използва без тестване. Можете да проверите чрез тестване, но можете да тествате 1-10 артикула, но не можете да проверите 100% от всички артикули, т.к. да проверите - това означава да развалите всички продукти. Следователно е необходимо да се провери, без да се унищожава.
Един от най-евтините, прости и най-чувствителни е ултразвуковият метод за безразрушително изпитване. Основните предимства пред другите методи за безразрушително изпитване са:

- откриване на дефекти, разположени дълбоко в материала, което стана възможно благодарение на подобрената проникваща способност. Ултразвуковото изследване се извършва на дълбочина от няколко метра. На проверка подлежат различни продукти, например: дълги стоманени пръти, ротационни щампования и др .;
- висока чувствителност при откриване на изключително малки дефекти дълги няколко милиметра;
- прецизно определяне на местоположението на вътрешните дефекти, оценка на техния размер, характеристики на посока, форма и характер;
- достатъчен достъп само до една от страните на продукта;
- управление на процеса чрез електронни средства, което осигурява почти мигновено идентифициране на дефекти;
- обемно сканиране, което ви позволява да изследвате обема на материала;
- няма изискване за здравни предпазни мерки;
- преносимост на оборудването.

1.7 Практическо приложение на високоинтензивни ултразвукови вибрации

Днес основните процеси, реализирани и интензифицирани с помощта на високоенергийни ултразвукови вибрации, обикновено се разделят на три основни подгрупи в зависимост от вида на средата, в която се реализират (фигура 1.5).

Фигура 1.5 - Приложение на високоенергийни ултразвукови вибрации

В зависимост от вида на средата процесите условно се разделят на процеси в течни, твърди и термопластични материали и газообразни (въздушни) среди. В следващите раздели ще бъдат разгледани по-подробно процеси и устройства за интензифициране на процеси в течни, твърди и термопластични материали и газообразни среди.
След това ще разгледаме примери за основните технологии, внедрени с помощта на високоенергийни ултразвукови вибрации.
1. Обработка на размери.

Ултразвуковите вибрации се използват за обработка на крехки и изключително твърди материали и метали.
Основните технологични процеси, интензифицирани от ултразвуковите вибрации, са пробиване, зенкерване, нарязване на резба, изтегляне на тел, полиране, шлайфане, пробиване на сложни отвори. Интензифицирането на тези технологични процеси се получава поради налагането на ултразвукови вибрации върху инструмента.
2. Ултразвуково почистване.
Днес има много начини за почистване на повърхности от различни замърсители. Ултразвуковото почистване е по-бързо, осигурява високо качество и измива труднодостъпните места. Това гарантира замяната на силно токсични, запалими и скъпи разтворители с обикновена вода.
С помощта на високочестотни ултразвукови вибрации карбураторите и инжекторите на автомобили се почистват за няколко минути.
Причината за ускоряването на почистването е в кавитацията, специално явление, при което в течността се образуват най-малките газови мехурчета. Тези мехурчета се спукват (експлодират) и създават мощни водни течения, които отмиват цялата мръсотия. Това е принципът, че пералните машини и малките перални машини съществуват днес. Особеностите на изпълнението на процеса на кавитация и неговият потенциал ще бъдат разгледани отделно. UZ почиства метали от полиращи пасти, валцувани продукти от котлен камък, скъпоценни камъни от места за полиране. Почистване на печатни форми, пране на платове, пране на ампули. Почистване на сложни тръбопроводи. В допълнение към почистването, ултразвукът е в състояние да премахне малки неравности, полиране.
Ултразвуковото действие в течни среди унищожава микроорганизмите и затова се използва широко в медицината и микробиологията.
Възможно е и друго изпълнение на ултразвуково почистване.
- пречистване на дима от твърди частици във въздуха. За това се използва и ултразвуково излагане на мъгла и дим. Частиците в ултразвуковото поле започват да се движат активно, сблъскват се и се слепват и се отлагат по стените. Това явление се нарича ултразвукова коагулация и се използва за борба с мъглата на летища, пътища и морски пристанища.
3. Ултразвуково заваряване.
Понастоящем с помощта на ултразвукови вибрации с висок интензитет се заваряват полимерни термопластични материали. Заваряването на полиетиленови тръби, кутии, кутии осигурява отлична херметичност. За разлика от други методи, замърсени пластмаси, течни епруветки и т.н. могат да бъдат приготвени с ултразвук. В този случай съдържанието се стерилизира.
Ултразвуковото заваряване се използва за заваряване на най-тънкото фолио или тел към метална част. Освен това ултразвуковото заваряване е студено заваряване, тъй като шевът се образува при температура под температурата на топене. Така чрез заваряване се съединяват алуминий, тантал, цирконий, ниобий, молибден и др.
В момента ултразвуковото заваряване намери най-голямо приложение за високоскоростни опаковъчни процеси и производство на полимерни опаковъчни материали.
4. Запояване и калайдисване
Алуминият се запоява с помощта на високочестотни ултразвукови вибрации. С помощта на ултразвук е възможно калайдисване и след това запояване на керамика и стъкло, което преди беше невъзможно. Ферити, запояване на полупроводникови кристали към позлатени корпуси се реализират днес с помощта на ултразвукова технология.
5. Ултразвук в съвременната химия
В момента, както следва от литературни източници, се формира ново направление в химията - ултразвукова химия. Изучавайки химичните трансформации, които настъпват под действието на ултразвука, учените са установили, че ултразвукът не само ускорява окисляването, но в някои случаи осигурява редуциращ ефект. По този начин желязото се редуцира от оксиди и соли.
Добри положителни резултати са получени при интензификацията на ултразвука на следните химико-технологични процеси:
- електроотлагане, полимеризация, деполимеризация, окисляване, редукция, диспергиране, емулгиране, аерозолна коагулация, хомогенизиране, импрегниране, разтваряне, пръскане, сушене, изгаряне, дъбене и др.
Електроотлагане - отложеният метал придобива финокристална структура, порьозността намалява. По този начин се извършва медно покритие, калайдисване, посребряване. Процесът е по-бърз и качеството на покритието е по-високо, отколкото при конвенционалните технологии.
Получаване на емулсии: вода и мазнини, вода и етерични масла, вода и живак. Бариерата за несмесимост се преодолява чрез ултразвук.
Полимеризация (комбинация на молекули в едно) - степента на полимеризация се регулира от честотата на ултразвука.
Дисперсия - получаване на суперфини пигменти за получаване на багрила.
Сушене - биологично активни вещества без нагряване. В хранително-вкусовата, фармацевтичната промишленост.
Пръскане на течности и стопи. Интензификация на процесите в спрей сушилни. Получаване на метален прах от стопилки. Тези устройства за пръскане елиминират въртящите се и триещи се части.
Ултразвукът повишава ефективността на горене с 20 пъти повече от течни и твърди горива.
Импрегниране. Течността преминава стотици пъти по-бързо през капилярите на импрегнирания материал. Използва се в производството на покривен материал, траверси, циментови плочи, текстолит, гетинакс, импрегниране на дърво с модифицирани смоли
6. Ултразвук в металургията.
- Известно е, че при топене металите абсорбират газове от алуминия и неговите сплави. 80% от всички газове в разтопения метал са H2. Това води до влошаване на качеството на метала. Газовете могат да бъдат отстранени с помощта на ултразвук, което направи възможно у нас да се създаде специален технологичен цикъл и да се използва широко в производството на метали.
- Ултразвукът стимулира втвърдяването на металите
- В праховата металургия ултразвукът насърчава адхезията на частиците от произведения материал. Това елиминира необходимостта от уплътняване под високо налягане.
7. УЗ в минното дело.
Използването на ултразвук дава възможност за прилагане на следните технологии:
- Отстраняване на парафин от стените на нефтени кладенци;
- Премахване на експлозии на метан в мините поради неговото пръскане;
- Ултразвуково обогатяване на руди (метод на флотация с помощта на ултразвук).
8. КМ в селското стопанство.
Ултразвуковите вибрации имат благоприятен ефект върху семената и зърната преди засаждане. Така че третирането на семената на домати преди засаждането осигурява увеличаване на броя на плодовете, намалява времето за зреене и увеличаване на количеството витамини.
Ултразвуковата обработка на семена от пъпеш и царевица води до повишаване на добива с 40%.
При обработка на ултразвукови семена е възможно да се осигури дезинфекция и да се въведат необходимите микроелементи от течността
9. Хранително-вкусова промишленост.
На практика вече се прилагат следните технологии:
- Преработка на мляко за хомогенизираща стерилизация;
- Преработка за увеличаване на срока на годност и качеството на замразеното мляко
- Получаване на висококачествено мляко на прах;
- Получаване на емулсии за печене;
- Преработката на дрождите с 15% повишава тяхната ферментационна сила;
- Получаване на ароматни вещества, картофено пюре, извличане на мазнини от черния дроб;
- Разпределение на зъбен камък;
- Добив на растителни и животински суровини;
- Производство на парфюми (6 ... 8 часа вместо една година).
10. Ултразвук в биологията.
- Големи дози ултразвук убиват микроорганизмите (стафилококи, стрептококи, вируси);
- Ниските интензитети на ултразвукова експозиция насърчават растежа на колонии от микроорганизми;
11. Влияние върху човек.
Ултразвуковото излагане с интензивност до 0,1 ... 0,4 W / cm има терапевтичен ефект. В Америка излагането на интензивност до 0,8 W / cm се счита за лечебно.
12. В медицината.
Ултразвукови скалпели, апарати за външна и вътрешна липосукция, лапароскопски инструменти, инхалатори, масажори са широко използвани и могат да лекуват различни заболявания.
Следващият курс от лекции е предназначен за предварително запознаване на студенти, специализанти, инженери и технолози от различни индустрии с основите на ултразвуковите технологии и има за цел да даде фундаментални знания по теорията на образуването на ултразвукови вибрации и практиката на използване на ултразвукови вибрации с висока интензивност.

С развитието на акустиката в края на 19-ти век е открит ултразвукът, по същото време започват първите изследвания на ултразвука, но основите за неговото приложение са положени едва през първата трета на 20-ти век.

Ултразвук и неговите свойства

В природата ултразвукът се среща като компонент на много естествени шумове: в шума на вятъра, водопадите, дъжда, морските камъчета, търкаляни от прибоя, в разрядите от мълнии. Много бозайници, като котки и кучета, имат способността да възприемат ултразвук с честота до 100 kHz, а способностите за локализиране на прилепите, нощните насекоми и морските животни са добре известни на всички.

Ултразвук- механични вибрации, разположени над честотния диапазон, който се чува от човешкото ухо (обикновено 20 kHz). Ултразвуковите вибрации се движат във форма на вълна, подобна на разпространението на светлината. Въпреки това, за разлика от светлинните вълни, които могат да се движат във вакуум, ултразвукът изисква еластична среда като газ, течност или твърдо вещество.

Основните параметри на вълната са дължина на вълната, честота и период. Ултразвуковите вълни по своето естество не се различават от вълните от звуковия обхват и се подчиняват на същите физически закони. Но ултразвукът има специфични характеристики, които са определили широкото му приложение в науката и технологиите. Ето основните от тях:

• 1. Малка дължина на вълната. За най-ниския ултразвуков обхват дължината на вълната не надвишава няколко сантиметра в повечето среди. Късата дължина на вълната определя разпространението на лъчите на ултразвуковите вълни. В близост до излъчвателя ултразвукът се разпространява под формата на лъчи с размери, близки до размера на излъчвателя. Когато удари нехомогенност в среда, ултразвуковият лъч се държи като светлинен лъч, изпитва отражение, пречупване, разсейване, което прави възможно образуването на звукови изображения в оптически непрозрачна среда, използвайки чисто оптични ефекти (фокусиране, дифракция и др.).
• 2. Кратък период на трептения, който дава възможност за излъчване на ултразвук под формата на импулси и извършване на точен времеви избор на разпространяващи се сигнали в средата.

Възможността за получаване на високи стойности на енергията на вибрациите при малка амплитуда, т.к енергията на вибрациите е пропорционална на квадрата на честотата. Това ви позволява да създавате ултразвукови лъчи и полета с високо нивоенергия, като същевременно не изисква голямо оборудване.

В ултразвуковото поле се развиват значителни акустични токове. Следователно въздействието на ултразвука върху околната среда генерира специфични ефекти: физически, химични, биологични и медицински. Като кавитация, звуков капилярен ефект, дисперсия, емулгиране, дегазиране, дезинфекция, локално нагряване и много други.

Нуждите на военноморския флот на водещите сили - Англия и Франция, за изследване на морските дълбини, предизвикаха интереса на много учени в областта на акустиката, т.к. това е единственият тип сигнал, който може да пътува далеч във вода. Така през 1826 г. френският учен Коладон определя скоростта на звука във водата. През 1838 г. в Съединените щати за първи път звукът е използван за определяне на профила на морското дъно с цел полагане на телеграфен кабел. Резултатите от експеримента бяха разочароващи. Звукът на камбаната издаваше твърде слабо ехо, почти нечувано сред другите звуци на морето. Беше необходимо да се отиде в областта на по-високите честоти, позволяващи създаването на насочени звукови лъчи.

Първият ултразвуков генератор е направен през 1883 г. от англичанина Франсис Галтън. Ултразвукът е създаден като свирка на ръба на нож, когато се духа. Ролята на такава точка в свирката на Галтън беше изиграна от цилиндър с остри ръбове. Въздух или друг газ, изтичащ под налягане през пръстеновидна дюза с диаметър, същият като ръба на цилиндъра, попадна в ръба и се появиха високочестотни вибрации. Чрез надуване на свирката с водород беше възможно да се получат вибрации до 170 kHz.

През 1880 г. Пиер и Жак Кюри правят решаващо откритие за ултразвуковата технология. Братята Кюри забелязали, че когато се приложи налягане върху кварцовите кристали, се генерира електрически заряд, който е право пропорционален на силата, приложена към кристала. Това явление е наречено "пиезоелектричество" от гръцката дума, означаваща "бутам". В допълнение, те демонстрираха противоположния пиезоелектричен ефект, който се проявява, когато бързо променящ се електрически потенциал се прилага към кристала, което го кара да вибрира. Оттук нататък се появи техническата възможност за производство на малки излъчватели и ултразвукови приемници.

Смъртта на "Титаник" от сблъсък с айсберг, необходимостта от борба с нови оръжия - подводниците изискваха бързото развитие на ултразвуковата хидроакустика. През 1914 г. френският физик Пол Ланжевен, заедно с талантливия руски емигрантски учен Константин Василиевич Шиловски, за първи път разработва сонар, състоящ се от ултразвуков излъчвател и хидрофон - приемник на ултразвукови вибрации, базиран на пиезоелектричния ефект. Сонар Ланжевен - Шиловски, е първият ултразвуков апаратприлага на практика. В същото време руският учен С.Я.Соколов разработи основите на ултразвуковата дефектоскопия в индустрията. През 1937 г. немският психиатър Карл Дусик, заедно с брат си Фридрих, физик, за първи път използват ултразвук за откриване на мозъчни тумори, но резултатите, които получават, са ненадеждни. В медицинската практика ултразвукът е използван за първи път едва през 50-те години на миналия век в Съединените щати.

21-ви век е векът на радиоелектрониката, атома, завладяването на космоса и ултразвука. Науката за ултразвука е сравнително млада в наши дни. В края на 19 век руският учен-физиолог П. Н. Лебедев провежда първите си изследвания. След това много изключителни учени започнаха да изучават ултразвука.

Какво е ултразвук?

Ултразвукът е разпространяваща се вълна, която се произвежда от частици на средата. Той има свои собствени характеристики, които се различават от звуците на звуковия диапазон. Сравнително лесно е да се получи насочено излъчване в ултразвуковия диапазон. Освен това фокусира добре и в резултат на това интензивността на извършваните вибрации се увеличава. Когато се разпространява в твърди тела, течности и газове, ултразвукът поражда интересни явления, които са намерили практическо приложение в много области на технологиите и науката. Това е ултразвукът, чиято роля в различни области на живота днес е много голяма.

Ролята на ултразвука в науката и практиката

През последните години ултразвукът започна да играе научно изследваненарастваща роля. Успешно бяха проведени експериментални и теоретични изследвания в областта на акустичните потоци и ултразвуковата кавитация, което позволи на учените да разработят технологични процеси, възникващи при излагане на течна фазаултразвук. Това е мощен метод за изучаване на различни явления в такава област на знанието като физиката. Ултразвукът се използва например във физиката на полупроводниците и твърдото тяло. Днес се формира отделна област на химията, която се нарича "ултразвукова химия". Неговото приложение ви позволява да ускорите много химически технологични процеси. Ражда се и молекулярната акустика - нов клон на акустиката, който изучава молекулярното взаимодействие с материята.Появиха се нови области на приложение на ултразвука: холография, интроскопия, акустоелектроника, ултразвуково фазово измерване и квантова акустика.

Освен експериментална и теоретична работа в тази област, днес са извършени много практически такива. Разработени са специални и универсални ултразвукови машини, инсталации, работещи при повишено статично налягане и др. Внедриха се в производството ултразвукови автоматични инсталации, включени в производствените линии, които могат значително да повишат производителността на труда.

Повече за ултразвука

Нека поговорим по-подробно за това какво е ултразвук. Вече казахме, че тази еластична вълна и ултразвук е повече от 15-20 kHz. Субективните свойства на нашия слух определят долната граница на ултразвуковите честоти, която го отделя от честотата на звуковия звук. Следователно тази граница е условна и всеки от нас определя по различни начини какво е ултразвук. Горната граница е обозначена с еластични вълни, техните физическа природа... Те се разпространяват само в материална среда, тоест дължината на вълната трябва да бъде значително по-голяма от средния свободен път на молекулите в газа или междуатомните разстояния в твърди тела и течности. При нормално налягане в газове горната граница на ултразвуковите честоти е 10 9 Hz, а в твърдите тела и течностите - 10 12 -10 13 Hz.

Източници на ултразвук

Ултразвукът се среща в природата както като съставна част на много природни шумове (водопад, вятър, дъжд, търкаляни от прибоя камъчета, както и в звуци, придружаващи гръмотевични разряди и др.), така и като неразделна част от животинския свят. Някои видове животни го използват за ориентация в пространството, за откриване на препятствия. Известно е също, че делфините използват ултразвук в природата (предимно честоти от 80 до 100 kHz). В този случай мощността на излъчваните от тях радарни сигнали може да бъде много висока. Известно е, че делфините са в състояние да откриват намиращите се на разстояние до километър от тях.

Излъчвателите (източниците) на ултразвук са разделени на 2 големи групи. Първият е генератори, в които се възбуждат трептения поради наличието на препятствия в тях, монтирани по пътя на постоянен поток - струя течност или газ. Втората група, в която могат да се обединят ултразвуковите източници, са електроакустични преобразуватели, които преобразуват дадени трептения на ток или електрическо напрежение в механични трептения, извършвани от твърдо тяло, което излъчва акустични вълни в околната среда.

Ултразвукови приемници

При средните и ултразвуковите приемници електроакустичните преобразуватели най-често са от пиезоелектричен тип. Те могат да възпроизвеждат формата на приемания акустичен сигнал, представен като времева зависимост на звуковото налягане. Устройствата могат да бъдат широколентови или резонансни - в зависимост от това за какви условия на употреба са предназначени. Термичните приемници се използват за получаване на усреднени по време характеристики на звуковото поле. Те са термистори или термодвойки, покрити със звукопоглъщащ материал. Звуковото налягане и интензитет могат също да бъдат оценени чрез оптични методи като дифракция на светлината от ултразвук.

Къде се използва ултразвукът?

Има много области на неговото приложение и се използват различни характеристики на ултразвука. Тези сфери могат да се разделят грубо на три посоки. Първият от тях е свързан с получаването на различна информация посредством ултразвукови вълни. Втората посока е активното му влияние върху веществото. И третото е свързано с предаването и обработката на сигнали. UZ на определен се използва във всеки случай. Ще разгледаме само някои от многото области, в които е намерил своето приложение.

Почистване с ултразвук

Качеството на такова почистване не може да се сравни с други методи. При изплакване на части, например, на повърхността им остават до 80% замърсители, около 55% - при вибрационно почистване, около 20% - при ръчно почистване, а при ултразвуково почистване остават не повече от 0,5% замърсяване. Части, които имат сложна форма, могат да бъдат почистени добре само с ултразвук. Важно предимство на използването му е високата производителност, както и ниските разходи за физически труд. Освен това е възможна замяна на скъпи и запалими органични разтворители с евтини и безопасни водни разтвори, използване на течен фреон и др.

Сериозен проблем е замърсяването на въздуха със сажди, дим, прах, метални оксиди и др. Можете да използвате ултразвуковия метод за пречистване на въздух и газ в изходите за газ независимо от влажността и температурата на околната среда. Ако ултразвуков излъчвател се постави в камера за утаяване на прах, ефективността му ще се увеличи стотици пъти. Каква е същността на такова почистване? Праховите частици, произволно движещи се във въздуха, се удрят по-силно и по-често под въздействието на ултразвукови вибрации. Освен това размерът им се увеличава поради факта, че се сливат. Коагулацията е процес на уголемяване на частиците. Специални филтри улавят техните претеглени и увеличени натрупвания.

Механична обработка на крехки и свръхтвърди материали

Ако се въведе между детайла и работната повърхност на инструмента с помощта на ултразвук, тогава абразивните частици по време на работа на излъчвателя ще действат върху повърхността на тази част. В същото време материалът се унищожава и отстранява, подлагайки се на обработка под въздействието на много насочени микровъздействия. Кинематиката на обработката се състои от основното движение - рязане, тоест надлъжните вибрации, извършвани от инструмента, и спомагателното - движението на подаване, което апаратът извършва.

Ултразвукът може да изпълнява различни задачи. Надлъжните вибрации са източник на енергия за абразивните зърна. Те унищожават обработения материал. Движението на подаването (спомагателно) може да бъде кръгово, напречно и надлъжно. Ултразвуковата обработка е много точна. В зависимост от това какъв размер на зърното има абразивът, той варира от 50 до 1 микрон. Използване на инструменти различни форми, можете да правите не само дупки, но и сложни разфасовки, извити оси, да гравирате, шлифовате, да правите матрици и дори да пробивате диамант. Материалите, използвани като абразив, са корунд, диамант, кварцов пясък, кремък.

Ултразвук в електрониката

Ултразвукът в инженерството често се използва в областта на радиоелектрониката. В тази област често е необходимо да се забави електрически сигнал спрямо някой друг. Учените са намерили успешно решение, като предлагат използването на ултразвукови линии за забавяне (съкратено LZ). Тяхното действие се основава на факта, че електрическите импулси се преобразуват в ултразвукови.Как става това? Факт е, че скоростта на ултразвука е значително по-малка от тази, която се развива от електромагнитни трептения. Импулсът на напрежението след обратното преобразуване в електрически механични вибрации ще бъде забавен на линейния изход спрямо входния импулс.

За преобразуване на електрическите вибрации в механични и обратно се използват пиезоелектрични и магнитострикционни преобразуватели. LZ, съответно, се делят на пиезоелектрични и магнитострикционни.

Ултразвук в медицината

За въздействие върху живите организми се използват различни видове ултразвук. В медицинската практика използването му сега е много популярно. Тя се основава на ефектите, които възникват в биологичните тъкани, когато ултразвукът преминава през тях. Вълните предизвикват вибрации на частиците на средата, което създава своеобразен тъканен микромасаж. А усвояването на ултразвука води до локалното им нагряване. Въпреки това, в биологични срединастъпват определени физични и химични трансформации. Тези явления в случай на умерено необратимо увреждане не причиняват. Те само подобряват метаболизма и следователно допринасят за жизнената дейност на подчинения им организъм. Такива явления се използват в ултразвуковата терапия.

Ултразвук в хирургията

Кавитацията и силното нагряване при висока интензивност водят до разрушаване на тъканите. Този ефект се използва днес в хирургията. Фокалният ултразвук се използва за хирургични операции, който позволява локално разрушаване в най-дълбоките структури (например мозъка), без да уврежда околните. В хирургията се използват и ултразвукови инструменти, при които работният край изглежда като пила, скалпел, игла. Наложените върху тях вибрации придават нови качества на тези устройства. Необходимото усилие е значително намалено, следователно, процентът на нараняване при операцията е намален. Освен това се проявява аналгетичен и хемостатичен ефект. Ударът с тъп инструмент с помощта на ултразвук се използва за унищожаване на определени видове неоплазми, които са се появили в тялото.

Въздействието върху биологичните тъкани се извършва за унищожаване на микроорганизми и се използва при стерилизация на лекарства и медицински инструменти.

Изследване на вътрешните органи

По принцип говорим за изследване на коремната кухина. За целта може да се използва специален за намиране и разпознаване на различни аномалии на тъкани и анатомични структури. Задачата често е следната: има подозрение за наличие на злокачествено образувание и се изисква разграничаването му от доброкачествено или инфекциозно образувание.

Ултразвукът е полезен за изследване на черния дроб и за решаване на други проблеми, които включват откриване на обструкция и заболявания на жлъчните пътища, както и изследване на жлъчния мехур за откриване на наличие на камъни и други патологии в него. Освен това може да се приложи изследване на цироза и други дифузни доброкачествени чернодробни заболявания.

В областта на гинекологията, главно при анализа на яйчниците и матката, използването на ултразвук отдавна е основната посока, в която се провежда с особен успех. Често тук е необходима и диференциация на доброкачествени и злокачествени образувания, което обикновено изисква най-добър контраст и пространствена разделителна способност. Подобни заключения могат да бъдат полезни при изследване на много други вътрешни органи.

Използването на ултразвук в стоматологията

Ултразвукът е намерил своя път и в стоматологията, където се използва за премахване на зъбен камък. Позволява бързо, безкръвно и безболезнено отстраняване на плака и камъни. В този случай устната лигавица не се наранява, а "джобовете" на кухината се дезинфекцират. Вместо болка пациентът изпитва усещане за топлина.

Ултразвук

Ултразвук- еластични вибрации с честота извън границата на слуха за човек. Обикновено ултразвуковият обхват се счита за честоти над 18 000 херца.

Въпреки че съществуването на ултразвука е известно отдавна, практическото му приложение е доста младо. В днешно време ултразвукът се използва широко в различни физически и технологични методи. Така че, според скоростта на разпространение на звука в среда, може да се съди за нейните физически характеристики. Измерванията на скоростта при ултразвукови честоти позволяват с много малки грешки да се определят, например, адиабатните характеристики на бързите процеси, стойностите на специфичния топлинен капацитет на газовете и еластичните константи на твърдите тела.

Източници на ултразвук

Честотата на ултразвуковите вибрации, използвани в индустрията и биологията, е в диапазона от порядъка на няколко MHz. Такива вибрации обикновено се създават с помощта на пиезоелектрични преобразуватели от барий титанит. В случаите, когато силата на ултразвуковите вибрации е от първостепенно значение, обикновено се използват механични източници на ултразвук. Първоначално всички ултразвукови вълни се приемаха механично (камертони, свирки, сирени).

В природата ултразвуковите вълни се срещат както като съставни части на много естествени шумове (в шума на вятъра, водопада, дъжда, в шума на търкаляните от морския прибой камъчета, в звуците, придружаващи светкавиците и др.), така и сред звуците на животинския свят. Някои животни използват ултразвукови вълни, за да открият препятствия и да се ориентират в пространството.

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

Свирка на Галтън

Първата ултразвукова свирка е направена през 1883 г. от англичанина Галтън. Ултразвукът се създава тук като висок звук на ръба на нож, когато струя въздух го удари. Ролята на такъв накрайник в свирката на Галтън се играе от „устна“ в малка цилиндрична резонансна кухина. Газът под високо налягане, пропуснат през кухия цилиндър, удря този ръб; възникват вибрации, чиято честота (тя е около 170 kHz) се определя от размера на дюзата и устната. Силата на свирката на Галтън е ниска. Използва се главно за даване на команди при обучение на кучета и котки.

Течна ултразвукова свирка

Повечето ултразвукови свирки могат да бъдат адаптирани за работа в течна среда. В сравнение с електрическите ултразвукови източници, течните ултразвукови свирки са с ниска мощност, но понякога, например, за ултразвукова хомогенизация, те имат значително предимство. Тъй като ултразвуковите вълни възникват директно в течна среда, няма загуба на енергия на ултразвуковите вълни при преминаване от една среда в друга. Може би най-успешният е дизайнът на течна ултразвукова свирка, направена от английските учени Котел и Гудман в началото на 50-те години на миналия век. В него поток от течност с високо налягане излиза от елипсовидна дюза и се насочва към стоманена плоча. Различни модификации на този дизайн се използват широко за получаване на хомогенна среда. Поради простотата и стабилността на тяхната конструкция (разрушава се само осцилиращата плоча) такива системи са издръжливи и евтини.

сирена

Друг вид механични ултразвукови източници е сирена. Той има относително висока мощност и се използва в полицейски и пожарни машини. Всички ротационни сирени се състоят от камера, затворена отгоре с диск (статор), в който са направени голям брой отвори. Има същия брой дупки на диска, въртящ се вътре в камерата - ротора. Когато роторът се върти, положението на отворите в него периодично съвпада с позицията на отворите на статора. Към камерата непрекъснато се подава сгъстен въздух, който се изхвърля от нея в онези кратки моменти, когато дупките на ротора и статора съвпадат.

Основната задача при производството на сирени е, първо, да се направят възможно най-много дупки в ротора, и второ, да се постигне висока скорост на неговото въртене. Въпреки това е много трудно да се изпълнят и двете изисквания на практика.

Ултразвук в природата

Прилагане на ултразвук

Диагностична употреба на ултразвук в медицината (ултразвук)

Благодарение на доброто разпространение на ултразвука в меките тъкани на човека, неговата относителна безвредност в сравнение с рентгеновите лъчи и лекота на използване в сравнение с ядрено-магнитен резонанс, ултразвукът се използва широко за визуализиране на състоянието на човешките вътрешни органи, особено в коремната кухина и тазовата кухина.

Терапевтични приложения на ултразвука в медицината

В допълнение към широкото му използване за диагностични цели (виж Ултразвук), ултразвукът се използва в медицината като терапевтично средство.

Ултразвукът има ефект на:

• противовъзпалително, абсорбируемо
• аналгетично, спазмолитично
• кавитация подобряване на пропускливостта на кожата

Фонофорезата е комбиниран метод, при който върху тъканите се въздейства чрез ултразвук и въведени с него лекарствени вещества (както лекарства, така и от естествен произход). Проводимостта на веществата под действието на ултразвука се дължи на увеличаване на пропускливостта на епидермиса и кожните жлези, клетъчните мембрани и съдовите стени за вещества от малки молекулно тегло, особено - йони на бишофитни минерали. Удобство при фонофореза на лекарства и природни вещества:

• лекарственото вещество не се разрушава, когато се прилага чрез ултразвук
• синергизъм на действието на ултразвука и терапевтичното вещество

Показания за ултрафонофореза на бишофит: остеоартрит, остеохондроза, артрит, бурсит, епикондилит, петна шпора, състояния след наранявания на опорно-двигателния апарат; Неврит, невропатия, радикулит, невралгия, увреждане на нервите.

Нанася се бишофит гел и се извършва микромасаж на засегнатата област от работната повърхност на излъчвателя. Техниката е лабилна, обичайна за фонофореза (при UVF на ставите, гръбначния стълб, интензитетът в цервикалната област е 0,2-0,4 W / cm2, в гръдния и лумбалния участък - 0,4-0,6 W / cm2).

Рязане на метал с ултразвук

На конвенционалните металорежещи машини не можете да пробиете тесен, сложен отвор в метална част, например под формата на петолъчна звезда. С помощта на ултразвук е възможно магнитострикционният вибратор да пробие дупка с всякаква форма. Ултразвуковото длето напълно замества фрезата. Освен това такова длето е много по-лесно от фрезова машина и може да обработва метални части по-евтино и по-бързо от фрезова машина.

Можете дори да използвате ултразвук, за да направите резби за винтове в метални части, стъкло, рубин или диамант. Обикновено конецът първо се изработва от мек метал, а след това частта се втвърдява. На ултразвукова машина могат да се правят резби от вече закален метал и от най-твърдите сплави. Същото е и с печатите. Обикновено печатът се втвърдява, след като е бил внимателно завършен. На ултразвукова машина най-сложната обработка се извършва от абразив (шмиргел, корунд на прах) в областта на ултразвукова вълна. Непрекъснато вибрирайки в ултразвуковото поле, частиците от твърд прах се врязват в обработваната сплав и изрязват дупка със същата форма като тази на бита.

Приготвяне на смеси с помощта на ултразвук

Ултразвукът се използва широко за приготвяне на хомогенни смеси (хомогенизация). Още през 1927 г. американските учени Лимус и Ууд откриха, че ако две несмесващи се течности (например масло и вода) се излеят в една чаша и се изложат на ултразвук, тогава в чашата се образува емулсия, тоест фина суспензия от масло в вода. Такива емулсии играят важна роля в индустрията: лакове, бои, фармацевтични продукти, козметика.

Използването на ултразвук в биологията

Способността на ултразвука да разрушава клетъчните мембрани е намерила приложение в биологичните изследвания, например, когато е необходимо да се отдели клетката от ензимите. Ултразвукът се използва и за унищожаване на вътреклетъчни структури като митохондриите и хлоропластите, за да се изследва връзката между тяхната структура и функция. Друго приложение на ултразвука в биологията е свързано със способността му да предизвиква мутации. Изследвания в Оксфорд показват, че дори ултразвукът с нисък интензитет може да увреди ДНК молекула. Изкуствено насоченото създаване на мутации играе важна роля в отглеждането на растения. Основното предимство на ултразвука пред други мутагени ( рентгенови лъчи, ултравиолетови лъчи) е, че с него се работи изключително лесно.

Използването на ултразвук за почистване

Използването на ултразвук за механично почистване се основава на възникването на различни нелинейни ефекти в течност под негово влияние. Те включват кавитация, акустични токове и звуково налягане. Основната роля играе кавитацията. Неговите мехурчета, появяващи се и срутващи близо до замърсяване, ги унищожават. Този ефект е известен като кавитационна ерозия... Използваният за тези цели ултразвук има ниска честота и повишена мощност.

В лабораторни и промишлени условия ултразвуковите вани, пълни с разтворител (вода, алкохол и др.), се използват за измиване на малки части и съдове. Понякога с тяхна помощ дори кореноплодни култури (картофи, моркови, цвекло и др.) се измиват от почвените частици.

Приложение на ултразвук при измерване на потока

Ултразвуковите разходомери се използват в индустрията за контрол на потока и измерване на вода и топлоносител от 60-те години на миналия век.

Приложение на ултразвук при откриване на дефекти

Ултразвукът се разпространява добре в някои материали, което прави възможно използването му за ултразвуково откриване на дефекти на продукти, направени от тези материали. Напоследък се развива посоката на ултразвуковата микроскопия, която дава възможност за изследване на подповърхностния слой на материал с добра разделителна способност.

Ултразвуково заваряване

Ултразвуково заваряване - заваряване под налягане, извършвано под въздействието на ултразвукови вибрации. Този тип заваряване се използва за свързване на части, които са трудни за нагряване, или при свързване на различни метали или метали със здрави оксидни филми (алуминий, неръждаема стомана, пермалойни магнитни сърцевини и др.). Така че ултразвуковото заваряване се използва при производството на интегрални схеми.

Използването на ултразвук при галваничното покритие

Ултразвукът се използва за засилване на галваничните процеси и подобряване на качеството на електрохимично произведените покрития.