Dmitry Levkin

Ultrazvuk- mehaničke vibracije koje se nalaze iznad frekvencijskog opsega koji se čuje ljudskom uhu (obično 20 kHz). Ultrazvučne vibracije putuju u talasnom obliku, sličnom širenju svetlosti. Međutim, za razliku od svjetlosnih valova, koji mogu putovati u vakuumu, ultrazvuk zahtijeva elastični medij kao što je plin, tekućina ili čvrsta supstanca.

, (3)

Za poprečne valove se određuje formulom

Disperzija zvuka- zavisnost fazne brzine monohromatskih zvučnih talasa od njihove frekvencije. Disperzija brzine zvuka može biti uzrokovana kao fizička svojstva okruženje, te prisustvo stranih inkluzija u njemu i prisustvo granica tijela u kojem se širi zvučni val.

Vrste ultrazvučnih talasa

Većina ultrazvučnih metoda koristi uzdužne ili posmične valove. Postoje i drugi oblici širenja ultrazvuka, uključujući površinske i Lambove talase.

Longitudinalni ultrazvučni talasi- valovi čiji se smjer prostiranja poklapa sa smjerom pomaka i brzinama čestica medija.

Transverzalni ultrazvučni talasi- valovi koji se šire u smjeru okomitom na ravan u kojoj leže smjerovi pomaka i brzine čestica tijela, isto kao i posmični valovi.

Površinski (Rayleigh) ultrazvučni talasi imaju eliptično kretanje čestica i šire se po površini materijala. Njihova brzina je približno 90% brzine prostiranja posmičnog talasa, a njihov prodor duboko u materijal je jednak približno jednoj talasnoj dužini.

Lamb wave- elastični talas koji se širi u čvrstoj ploči (sloju) sa slobodnim granicama, u kojem se vibracijsko pomeranje čestica dešava i u pravcu širenja talasa i okomito na ravan ploče. Lambovi valovi su jedan od tipova normalnih valova u elastičnom valovodu - u ploči sa slobodnim granicama. Jer ovi valovi moraju zadovoljiti ne samo jednadžbe teorije elastičnosti, već i granične uvjete na površini ploče, obrazac kretanja u njima i njihova svojstva su složenija od onih valova u neograničenim čvrstim tvarima.

Vizualizacija ultrazvučnih talasa

Za ravan sinusoidni putujući val, intenzitet ultrazvuka I je određen formulom

, (5)

V sferni putujući talas intenzitet ultrazvuka je obrnuto proporcionalan kvadratu udaljenosti od izvora. V stojeći talas I = 0, odnosno nema strujanja zvučne energije u prosjeku. Intenzitet ultrazvuka u harmonijski ravan putujući talas jednaka gustoći energije zvučnog talasa puta brzini zvuka. Protok zvučne energije karakteriše tzv po Umov vektoru- vektor gustine fluksa energije zvučnog talasa, koji se može predstaviti kao proizvod intenziteta ultrazvuka vektorom normale talasa, tj. jediničnim vektorom okomitim na front talasa. Ako je zvučno polje superpozicija harmonijskih valova različitih frekvencija, tada se za vektor prosječne gustine toka zvučne energije odvija aditivnost komponenti.

Za emitere koji stvaraju ravni talas, oni govore o intenzitet zračenja razumijevanje po ovome specifična snaga emitera, odnosno snagu zvuka zračenja po jedinici površine zračeće površine.

Intenzitet zvuka se mjeri u SI jedinicama u W/m2. U ultrazvučnoj tehnologiji, raspon promjena intenziteta ultrazvuka je vrlo velik - od graničnih vrijednosti od ~10 -12 W/m 2 do stotina kW/m 2 u fokusu ultrazvučnih koncentratora.

Tabela 1 - Svojstva nekih uobičajenih materijala

Materijal	Gustina, kg / m 3	Uzdužna brzina talasa, m/s	Brzina posmičnog talasa, m/s	, 10 3 kg / (m 2 * s)
Akril	1180	2670	-	3,15
Zrak	0,1	330	-	0,00033
Aluminijum	2700	6320	3130	17,064
Brass	8100	4430	2120	35,883
Bakar	8900	4700	2260	41,830
Staklo	3600	4260	2560	15,336
Nikl	8800	5630	2960	49,544
poliamid (najlon)	1100	2620	1080	2,882
Čelik (niskolegirani)	7850	5940	3250	46,629
Titanijum	4540	6230	3180	26,284
Tungsten	19100	5460	2620	104,286
voda (293K)	1000	1480	-	1,480

Slabljenje ultrazvuka

Jedna od glavnih karakteristika ultrazvuka je njegovo slabljenje. Slabljenje ultrazvuka To je smanjenje amplitude i, posljedično, zvučnog vala kako se širi. Do slabljenja ultrazvuka dolazi iz više razloga. Glavni su:

Prvi od ovih razloga povezan je s činjenicom da kako se val širi iz točkastog ili sfernog izvora, energija koju emituje izvor se raspoređuje po rastućoj površini fronta vala i, shodno tome, tok energije kroz jediničnu površinu opada. , tj ... Za sferni val, čija valna površina raste s rastojanjem r od izvora kao r 2, amplituda vala opada proporcionalno, a za cilindrični val proporcionalno.

Faktor prigušenja je izražen ili u decibelima po metru (dB/m) ili u neperima po metru (Np/m).

Za ravan val, koeficijent slabljenja u amplitudi s udaljenosti određuje se formulom

, (6)

Određuje se koeficijent slabljenja u odnosu na vrijeme

, (7)

Za mjerenje koeficijenta koristi se i jedinica dB/m, u ovom slučaju

, (8)

Decibel (dB) je logaritamska jedinica za mjerenje omjera energija ili snaga u akustici.

, (9)

• gdje je A 1 amplituda prvog signala,
• A 2 - amplituda drugog signala

Tada će odnos između mjernih jedinica (dB / m) i (1 / m) biti:

Refleksija ultrazvuka sa interfejsa

Kada zvučni val udari u interfejs između medija, dio energije će se reflektirati u prvi medij, a ostatak energije će prijeći u drugi medij. Odnos između reflektirane energije i energije koja prelazi u drugi medij određen je valnim impedancijama prvog i drugog medija. U nedostatku disperzije brzine zvuka valna impedancija ne zavisi od valnog oblika i izražava se formulom:

Koeficijenti refleksije i transmisije će se odrediti na sljedeći način

• gdje je D koeficijent prijenosa zvučnog pritiska

Takođe treba napomenuti da ako je drugi medij akustički mekši, tj. Z 1> Z 2, tada se pri refleksiji faza talasa menja za 180˚.

Prenos energije iz jednog medija u drugi određen je odnosom intenziteta talasa koji prolazi u drugi medij i intenziteta upadnog talasa

, (14)

Interferencija i difrakcija ultrazvučnih talasa

Zvučne smetnje- neujednačenost prostorne distribucije amplitude rezultujućeg zvučnog talasa, u zavisnosti od odnosa između faza talasa, dodatih u jednoj ili drugoj tački u prostoru. Kada se dodaju harmonijski talasi iste frekvencije, rezultujuća prostorna distribucija amplituda formira vremenski neovisan interferencijski obrazac, koji odgovara promjeni fazne razlike sastavnih valova pri prolasku od tačke do tačke. Za dva interferentna talasa, ovaj obrazac na ravni ima oblik naizmeničnih pojaseva pojačanja i slabljenja amplitude veličine koja karakteriše zvučno polje (na primer, zvučni pritisak). Za dva ravna talasa, pruge su pravolinijske sa amplitudom koja varira preko pruga u skladu sa promjenom razlike u fazi. Važan poseban slučaj interferencije je dodavanje ravnog talasa sa njegovom refleksijom od ravne granice; u ovom slučaju se formira stojeći val sa ravnima čvorova i antičvorova koji se nalaze paralelno s granicom.

Difrakcija zvuka- odstupanje ponašanja zvuka od zakona geometrijske akustike, zbog talasne prirode zvuka. Rezultat difrakcije zvuka je divergencija ultrazvučnih zraka pri udaljavanju od emitera ili nakon prolaska kroz rupu na ekranu, savijanje zvučnih valova u područje sjene iza prepreka koje su velike u odnosu na talasnu dužinu, odsustvo senka iza prepreka koje su male u poređenju sa talasnom dužinom itd. n. Zvučna polja nastala difrakcijom početnog talasa na preprekama postavljenim u medijumu, nehomogenostima samog medija, kao i nepravilnostima i nehomogenostima granica medij, nazivaju se rasejana polja. Za objekte na kojima se javlja difrakcija zvuka, velika u poređenju sa talasnom dužinom, stepen odstupanja od geometrijskog uzorka zavisi od vrednosti parametra talasa

, (15)

• gdje je D prečnik objekta (na primjer, prečnik ultrazvučnog emitera ili prepreke),
• r - udaljenost tačke posmatranja od ovog objekta

Ultrazvučni emiteri

Ultrazvučni emiteri- uređaji koji se koriste za pobuđivanje ultrazvučnih vibracija i talasa u gasovitim, tečnim i čvrstim medijima. Ultrazvučni emiteri pretvaraju energiju bilo koje druge vrste u energiju.

Kao ultrazvučni emiteri su najčešće korišteni elektroakustički pretvarači... U ogromnoj većini ultrazvučnih emitera ovog tipa, odnosno u piezoelektrični pretvarači , magnetostriktivni pretvarači, elektrodinamički emiteri, elektromagnetnih i elektrostatičkih emitera, električna energija se pretvara u energiju vibracija bilo kojeg čvrstog tijela (emitirajuća ploča, šipka, dijafragma, itd.), koje emituje akustične valove u okolinu. Svi ovi pretvarači su, po pravilu, linearni, te stoga oscilacije sistema zračenja reproduciraju u obliku uzbudljiv električni signal; samo pri vrlo velikim amplitudama oscilacija u blizini gornje granice dinamičkog opsega ultrazvučnog emitera može doći do nelinearnih izobličenja.

U pretvaračima dizajniranim da emituju monokromatski val, koristi se ovaj fenomen rezonancija: rade na jednoj od prirodnih oscilacija mehaničkog oscilatornog sistema, na čiju frekvenciju je podešen generator električnih oscilacija, koji pobuđuje pretvarač. Elektroakustični pretvarači koji nemaju čvrsti emitivni sistem se relativno rijetko koriste kao ultrazvučni emiteri; tu spadaju, na primjer, ultrazvučni emiteri zasnovani na električnom pražnjenju u tekućini ili na elektrostrikciji tekućine.

Karakteristike ultrazvučnog pretvarača

Glavne karakteristike ultrazvučnih emitera su njihove frekvencijski spektar emituje snaga zvuka, usmjerenost zračenja... U slučaju monofrekventnog zračenja, glavne karakteristike su radna frekvencija ultrazvučni emiter i njegov frekvencijski opseg, čije su granice određene dvostrukim padom snage zračenja u odnosu na njenu vrijednost na frekvenciji maksimalnog zračenja. Za rezonantne elektroakustičke pretvarače radna frekvencija je prirodna frekvencija f 0 pretvarača, i Širina linijeΔf je određen svojim faktor kvaliteta Q.

Ultrazvučni emiteri (elektro-akustični pretvarači) odlikuju se osjetljivošću, elektro-akustičkom efikasnošću i vlastitom električnom impedancijom.

Osetljivost ultrazvučnog pretvarača- odnos zvučnog pritiska na maksimumu karakteristike usmerenosti na određenoj udaljenosti od emitera (najčešće na udaljenosti od 1 m) prema električnom naponu na njemu ili prema struji koja teče u njemu. Ova karakteristika se odnosi na ultrazvučne emitere koji se koriste u zvučnim alarmima, sonarnim sistemima i drugim sličnim uređajima. Za emitere u tehnološke svrhe, koji se koriste, na primjer, u ultrazvučnom čišćenju, koagulaciji, izlaganju kemijskim procesima, glavna karakteristika je snaga. Uz ukupnu snagu zračenja, procijenjenu u W, karakterišu ultrazvučni emiteri specifične snage, odnosno prosječna snaga po jedinici površine emitivne površine, odnosno prosječni intenzitet zračenja u bliskom polju, procijenjen u W/m 2.

Efikasnost elektroakustičnih pretvarača koji emituju akustičnu energiju u sondirajuću okolinu karakteriše njihova vrednost elektroakustička efikasnost, što je omjer emitovane akustične snage i potrošene električne energije. U akustoelektronici, za procjenu efikasnosti ultrazvučnih emitera, koristi se takozvani faktor električnih gubitaka, koji je jednak omjeru (u dB) električne snage i akustične snage. Efikasnost ultrazvučnih instrumenata koji se koriste u ultrazvučnom zavarivanju, mašinskoj obradi i slično karakteriše tzv. faktor efikasnosti, koji predstavlja omjer kvadrata amplitude vibracijskog pomaka na radnom kraju koncentratora i utrošene električne energije. pomoću pretvarača. Ponekad se efektivni koeficijent elektromehaničke sprege koristi za karakterizaciju konverzije energije u ultrazvučnim emiterima.

Zvučno polje emitera

Zvučno polje pretvarača je podijeljeno u dvije zone: bližu zonu i daljnu zonu. Blizina zone ovo je područje neposredno ispred sonde gdje amplituda eha prolazi kroz niz visokih i niskih vrijednosti. Bliska zona završava na posljednjem maksimumu, koji se nalazi na udaljenosti N od pretvarača. Poznato je da je lokacija posljednjeg maksimuma prirodni fokus pretvarača. Daleka zona ovo je područje iza N gdje se pritisak zvučnog polja postepeno smanjuje na nulu.

Položaj posljednjeg maksimuma N na akustičnoj osi, pak, ovisi o promjeru i talasnoj dužini, a za kružni radijator diska izražava se formulom

, (17)

Međutim, pošto je D obično mnogo veći, jednačina se može pojednostaviti i svesti na oblik

Karakteristike zvučnog polja određene su dizajnom ultrazvučnog pretvarača. Shodno tome, širenje zvuka u proučavanom području i osjetljivost senzora zavise od njegovog oblika.

Primjena ultrazvuka

Različite primjene ultrazvuka, u kojima se koriste njegove različite karakteristike, mogu se uvjetno podijeliti u tri smjera. povezano sa primanjem informacija pomoću ultrazvučnih talasa, - sa aktivnim dejstvom na supstancu i - sa obradom i prenosom signala (pravci su navedeni po redosledu njihovog istorijskog formiranja). Za svaku specifičnu primjenu koristi se ultrazvuk određenog frekvencijskog opsega.

Ako se u kontinuiranom mediju - plinovima, tekućinama ili čvrstim tvarima, ispostavi da su čestice medija izvučene iz ravnotežnog položaja, tada će ih elastične sile koje djeluju na njih sa strane drugih čestica vratiti u ravnotežni položaj. U ovom slučaju, čestice će vršiti oscilatorno kretanje. Širenje elastičnih vibracija u kontinuiranom mediju je talasast proces.
Zovu se vibracije s frekvencijom od jedinica Herca (Hz) do 20 Herca infrasonic, na frekvenciji od 20 Hz do 16 ... 20 kHz, stvaraju oscilacije zvučni zvuci. Ultrazvučne vibracije odgovaraju frekvencijama od 16 ... 20 kHz do 10 8 Hz, a oscilacije sa frekvencijom većom od 10 8 Hz nazivaju se hiperzvuci... Na slici 1.1 prikazana je logaritamska frekvencijska skala zasnovana na izrazu lg 2 f = 1, 2, 3 ..., n, gdje 1, 2, 3 ..., br- brojevi oktava.

Slika 1.1 - Opsezi elastičnih vibracija u materijalnim medijima

Fizička priroda elastičnih vibracija je ista u cijelom frekvencijskom opsegu. Da bismo razumjeli prirodu elastičnih vibracija, razmotrimo njihova svojstva.
Waveform je oblik talasnog fronta, tj. zbirka bodova sa istom fazom. Oscilacije ravni stvaraju ravan zvučni val, ako cilindar služi kao emiter, koji se periodično skuplja i širi u smjeru svog radijusa, tada nastaje cilindrični val. Tačkasti emiter, ili pulsirajuća lopta, čije su dimenzije male u odnosu na dužinu emitovanog talasa, proizvodi sferni talas.

Zvučni talasi se klasifikuju prema vrsta talasa : mogu biti uzdužne, poprečne, savijajuće, torzione - u zavisnosti od uslova pobude i širenja. U tečnostima i gasovima se šire samo longitudinalni talasi, u čvrstim tijelima mogu se javiti i poprečni i drugi od navedenih tipova talasa. U uzdužnom talasu, smer oscilacija čestica poklapa se sa smerom širenja talasa (slika 1.2, a), posmični val se širi okomito na smjer oscilacija čestica (slika 1.2, b) .

a) kretanje čestica medija tokom širenja uzdužnog talasa; b) kretanje čestica medija tokom širenja poprečnog talasa.

Slika 1.2 – Kretanje čestica tokom širenja talasa

Svaki talas, poput oscilacije koja se širi u vremenu i prostoru, može se okarakterisati frekvencija , talasna dužina i amplituda (Slika 3). U ovom slučaju, talasna dužina λ je povezana sa frekvencijom f kroz brzinu prostiranja talasa u datom materijalu c: λ = c / f.

Slika 1.3 - Karakteristike oscilatornog procesa

1.6 Praktična primjena niskoenergetskih ultrazvučnih vibracija

Područje primjene ultrazvučnih vibracija niskog intenziteta (konvencionalno do 1 W/cm 2) je vrlo opsežno i mi ćemo zauzvrat razmotriti nekoliko glavnih primjena ultrazvučnih vibracija niskog intenziteta.
1. Ultrazvučni uređaji za kontrolu hemijskih karakteristika raznih materijala i okruženja. Svi su zasnovani na promjeni brzine ultrazvučnih vibracija u mediju i omogućavaju:
- odrediti koncentraciju binarnih smjesa;
- gustina rastvora;
- stepen polimerizacije;
- prisustvo u rastvorima nečistoća, mehurića gasa;
- utvrditi brzinu odvijanja hemijskih reakcija;
- sadržaj masti u mleku, pavlaci, pavlaci;
- disperzija u heterogenim sistemima, itd.
Rezolucija modernih ultrazvučnih uređaja je 0,05%, tačnost mjerenja brzine širenja na uzorcima dužine 1 m je 0,5-1 m/s (brzina u metalu je veća od 5000 m/s). Gotovo sva mjerenja se vrše upoređivanjem sa standardom.
2. Instrumenti za kontrolu fizičkih i hemijskih karakteristika na osnovu mjerenja prigušenja ultrazvuka. Ovakvi uređaji omogućavaju mjerenje viskoziteta, mjerenje gustine, sastava, sadržaja nečistoća, gasova itd. Korišćene tehnike su takođe zasnovane na metodama benchmarkinga.
3. Ultrazvučni mjerači protoka za tekućine u cjevovodima... Njihovo djelovanje se također zasniva na mjerenju brzine širenja ultrazvučnih vibracija duž toka tekućine i uzvodno. Poređenje dvije brzine vam omogućava da odredite brzinu protoka, a uz poznati poprečni presjek cjevovoda, brzinu protoka. Primjer jednog od mjerača protoka (br. 15183 u Državnom registru mjernih instrumenata) prikazan je na slici 1.4.

Slika 1.4 - Stacionarni ultrazvučni mjerač protoka "AKRON"

Ovakav mjerač protoka mjeri zapreminski protok i ukupnu zapreminu (količinu) tečnosti koja teče u potisnim cevovodima sistema vodosnabdevanja, kanalizacije i snabdevanja naftnim derivatima bez priključenja u radni cevovod. Princip rada mjerača protoka je mjerenje razlike u vremenu prolaska ultrazvučni talas nizvodno i uzvodno od kontrolisane tečnosti, preračunavajući je u trenutnu brzinu protoka sa naknadnom integracijom.
Greška instrumenta je 2% gornje granice mjerenja. Gornje i donje granice mjerenja postavlja operater. Mjerač protoka uključuje senzorsku jedinicu (sastoji se od dva ultrazvučna senzora i uređaja za njihovo pričvršćivanje na cijev) i elektronsku jedinicu, spojenu RF kablom dužine do 50 m (standardno 10 m). Senzori su postavljeni na ravnom dijelu cjevovoda na vanjskoj površini, bez prljavštine, boje i rđe. Uslov za ispravnu ugradnju senzora je prisustvo ravnog presjeka cijevi od najmanje 10 promjera cijevi - ispred i 5 promjera - nakon senzora.
4. Indikatori nivoa
Princip rada se zasniva na lociranju nivoa tečnih ili rasutih materijala ultrazvučnim impulsima koji prolaze kroz gasni medij, i na fenomenu refleksije ovih impulsa sa interfejsa "gas - kontrolisan medij". U ovom slučaju, mjera nivoa je vrijeme širenja zvučnih vibracija od emitera do kontrolisanog interfejsa između medija i nazad do prijemnika. Rezultat merenja se prikazuje na personalnom računaru, gde se sva merenja memorišu, uz naknadnu mogućnost pregleda i analize, kao i povezivanje na automatizovani sistem za prikupljanje i obradu podataka. Nivomjer kao dio sistema može uključivati ​​automate, pumpe i druge uređaje na nivou iznad maksimalne i ispod minimalne vrijednosti, što omogućava automatizaciju tehnološkog procesa. Dodatno se formira strujni izlaz (0,5 mA, 0-20 mA) za snimače.
Prekidač nivoa vam omogućava da pratite temperaturu medija u rezervoarima. Glavni izlazni format je udaljenost od vrha rezervoara do površine supstance koju sadrži. Na zahtjev kupca, uz davanje potrebnih informacija, moguće je modificirati uređaj za prikaz visine, mase ili zapremine tvari u rezervoaru.
5. Ultrazvučni analizatori sastava gasa zasnivaju se na korištenju ovisnosti brzine ultrazvuka u mješavini plinova o brzinama u svakom od plinova koji čine ovu mješavinu.
6. Sigurnosni ultrazvučni uređaji baziran na mjerenju različitih parametara ultrazvučnih polja (amplituda oscilacija kada se prostor između emitera i prijemnika preklapa, promjene frekvencije pri odbijanju od objekta u pokretu, itd.).
7. Mjerači temperature plina i požarni alarmi bazirani su na promjeni brzine širenja kada se promijeni temperatura okoline ili pojavi dim.
8. Uređaji za ultrazvučno ispitivanje bez razaranja. Ispitivanje bez razaranja jedna je od glavnih tehnoloških metoda za osiguranje kvaliteta materijala i proizvoda. Više od jednog proizvoda ne bi trebalo raditi bez testiranja. Možete provjeriti testiranjem, ali možete testirati 1-10 stavki, ali ne možete provjeriti 100% svih stavki, jer provjeriti - to znači pokvariti sve proizvode. Stoga je potrebno provjeriti bez uništavanja.
Jedna od najjeftinijih, najjednostavnijih i najosjetljivijih je ultrazvučna metoda ispitivanja bez razaranja. Glavne prednosti u odnosu na druge metode ispitivanja bez razaranja su:

- detekcija defekata lociranih duboko unutar materijala, što je postalo moguće zahvaljujući poboljšanoj sposobnosti prodiranja. Ultrazvučni pregled se vrši do nekoliko metara dubine. Različiti proizvodi su podvrgnuti kontroli, na primjer: dugačke čelične šipke, rotacijski štancani itd .;
- visoka osjetljivost pri detekciji ekstremno malih defekata dužine nekoliko milimetara;
- precizno određivanje lokacije unutrašnjih defekata, procenu njihove veličine, karakteristike pravca, oblika i prirode;
- dovoljan pristup samo jednoj od strana proizvoda;
- kontrola procesa elektronskim putem, koja omogućava skoro trenutnu identifikaciju nedostataka;
- volumetrijsko skeniranje, koje vam omogućava da ispitate volumen materijala;
- nema potrebe za zdravstvenim mjerama predostrožnosti;
- prenosivost opreme.

1.7 Praktična primjena ultrazvučnih vibracija visokog intenziteta

Danas se glavni procesi koji se implementiraju i intenziviraju uz pomoć visokoenergetskih ultrazvučnih vibracija obično dijele u tri glavne podgrupe, ovisno o vrsti okruženja u kojem se implementiraju (slika 1.5).

Slika 1.5 - Primena visokoenergetskih ultrazvučnih vibracija

Ovisno o vrsti okruženja, procesi se konvencionalno dijele na procese u tekućim, čvrstim i termoplastičnim materijalima i plinovitim (vazdušnim) medijima. U narednim poglavljima detaljnije će biti razmotreni procesi i uređaji za intenziviranje procesa u tekućim, čvrstim i termoplastičnim materijalima, te plinovitim medijima.
Zatim ćemo razmotriti primjere glavnih tehnologija implementiranih korištenjem visokoenergetskih ultrazvučnih vibracija.
1. Dimenzionalna obrada.

Ultrazvučne vibracije se koriste za obradu krhkih i ekstra tvrdih materijala i metala.
Glavni tehnološki procesi intenzivirani ultrazvučnim vibracijama su bušenje, upuštanje, narezivanje navoja, izvlačenje žice, poliranje, brušenje, bušenje složenih rupa. Do intenziviranja ovih tehnoloških procesa dolazi zbog nametanja ultrazvučnih vibracija na instrument.
2. Ultrazvučno čišćenje.
Danas postoji mnogo načina za čišćenje površina od raznih zagađivača. Ultrazvučno čišćenje je brže, pruža visok kvalitet i pere teško dostupna mjesta. Ovo osigurava zamjenu visoko toksičnih, zapaljivih i skupih rastvarača običnom vodom.
Koristeći visokofrekventne ultrazvučne vibracije, karburatori i injektori automobila se čiste za nekoliko minuta.
Razlog za ubrzanje čišćenja je u kavitaciji, posebnoj pojavi pri kojoj se u tečnosti formiraju najmanji mjehurići plina. Ovi mjehurići pucaju (eksplodiraju) i stvaraju snažne vodene struje koje ispiru svu prljavštinu. Ovo je princip da danas postoje mašine za pranje veša i male mašine za pranje veša. Posebno će se razmotriti karakteristike implementacije procesa kavitacije i njegov potencijal. UZ čisti metale od paste za poliranje, valjane proizvode od kamenca, drago kamenje od poliranih mjesta. Čišćenje štamparskih ploča, pranje tkanina, pranje ampula. Čišćenje složenih cjevovoda. Osim čišćenja, ultrazvuk je sposoban ukloniti male neravnine, polirati.
Ultrazvučno djelovanje u tekućim medijima uništava mikroorganizme i stoga se široko koristi u medicini i mikrobiologiji.
Moguća je i druga implementacija ultrazvučnog čišćenja.
- prečišćavanje dima od čvrstih čestica u vazduhu. Za to se također koristi ultrazvučno izlaganje magli i dimu. Čestice u ultrazvučnom polju počinju da se aktivno kreću, sudaraju se i lepe zajedno, te se talože na zidovima. Ovaj fenomen se naziva ultrazvučna koagulacija i koristi se za suzbijanje magle na aerodromima, putevima i morskim lukama.
3. Ultrazvučno zavarivanje.
Trenutno se pomoću ultrazvučnih vibracija visokog intenziteta zavaruju polimerni termoplastični materijali. Zavarivanje polietilenskih cijevi, kutija, limenki osigurava odličnu nepropusnost. Za razliku od drugih metoda, kontaminirana plastika, epruvete s tekućinom itd. mogu se kuhati ultrazvukom. U tom slučaju se sadržaj sterilizira.
Ultrazvučno zavarivanje se koristi za zavarivanje najtanje folije ili žice na metalni dio. Štaviše, ultrazvučno zavarivanje je hladno zavarivanje, jer se šav formira na temperaturi ispod temperature topljenja. Tako se zavarivanjem spajaju aluminijum, tantal, cirkonijum, niobijum, molibden itd.
Trenutno je ultrazvučno zavarivanje našlo najveću primjenu za brze procese pakiranja i proizvodnju polimernih materijala za pakovanje.
4. Lemljenje i kalajisanje
Aluminij se lemi pomoću visokofrekventnih ultrazvučnih vibracija. Uz pomoć ultrazvuka moguće je kalajisati, a zatim lemiti keramiku i staklo, što je ranije bilo nemoguće. Feriti, lemljenje poluvodičkih kristala na pozlaćena kućišta danas se realizuju uz pomoć ultrazvučne tehnologije.
5. Ultrazvuk u savremenoj hemiji
Trenutno se, kako slijedi iz literarnih izvora, formirao novi smjer u hemiji - ultrazvučna hemija. Proučavajući hemijske transformacije koje se dešavaju pod dejstvom ultrazvuka, naučnici su ustanovili da ultrazvuk ne samo da ubrzava oksidaciju, već u nekim slučajevima daje i smanjenje efekta. Dakle, željezo se reducira iz oksida i soli.
Dobri pozitivni rezultati dobijeni su na intenziviranju ultrazvuka sledećih hemijsko-tehnoloških procesa:
- elektrodepozicija, polimerizacija, depolimerizacija, oksidacija, redukcija, disperzija, emulgacija, aerosolna koagulacija, homogenizacija, impregnacija, otapanje, prskanje, sušenje, sagorevanje, štavljenje itd.
Elektrotaloženje - taloženi metal poprima fino-kristalnu strukturu, poroznost se smanjuje. Tako se vrši bakrovanje, kalajisanje, srebrenje. Proces je brži, a kvaliteta premaza veća nego kod konvencionalnih tehnologija.
Dobijanje emulzija: voda i mast, voda i eterična ulja, voda i živa. Barijera nemešljivosti se prevazilazi ultrazvukom.
Polimerizacija (kombinacija molekula u jednu) - stepen polimerizacije je regulisan frekvencijom ultrazvuka.
Disperzija - dobijanje superfinih pigmenata za dobijanje boja.
Sušenje - biološki aktivne supstance bez zagrijavanja. U prehrambenoj, farmaceutskoj industriji.
Prskanje tečnosti i taline. Intenziviranje procesa u raspršivačima. Dobivanje metalnog praha iz taline. Ovi uređaji za raspršivanje eliminiraju rotirajuće dijelove i dijelove koji se trljaju.
Ultrazvuk povećava efikasnost sagorevanja za 20 puta u odnosu na tečna i čvrsta goriva.
Impregnacija. Tečnost prolazi stotine puta brže kroz kapilare impregniranog materijala. Koristi se u proizvodnji krovnog materijala, pragova, cementnih ploča, tekstolita, getinaxa, impregnacije drveta modifikovanim smolama
6. Ultrazvuk u metalurgiji.
- Poznato je da pri topljenju metali apsorbuju gasove aluminijuma i njegovih legura. 80% svih gasova u rastopljenom metalu je H2. To dovodi do pogoršanja kvalitete metala. Gasovi se mogu ukloniti ultrazvukom, što je u našoj zemlji omogućilo stvaranje posebnog tehnološkog ciklusa i njegovu široku upotrebu u proizvodnji metala.
- Ultrazvuk stimuliše stvrdnjavanje metala
- U metalurgiji praha ultrazvuk pospešuje adheziju čestica proizvedenog materijala. Ovo eliminira potrebu za zaptivanje pod visokim pritiskom.
7. UZ u rudarstvu.
Upotreba ultrazvuka omogućava implementaciju sljedećih tehnologija:
- Uklanjanje parafina sa zidova naftnih bušotina;
- Otklanjanje eksplozija metana u rudnicima usled njegovog prskanja;
- Ultrazvučno obogaćivanje ruda (metoda flotacije ultrazvukom).
8. KM u poljoprivredi.
Ultrazvučne vibracije blagotvorno djeluju na sjeme i zrna prije sadnje. Dakle, tretman sjemena rajčice prije sadnje osigurava povećanje broja plodova, smanjuje vrijeme zrenja i povećava količinu vitamina.
Ultrazvučna obrada sjemena dinje i kukuruza dovodi do povećanja prinosa za 40%.
Prilikom obrade ultrazvučnog sjemena moguće je osigurati dezinfekciju i uvesti potrebne mikroelemente iz tekućine
9. Prehrambena industrija.
U praksi se već primjenjuju sljedeće tehnologije:
- Prerada mlijeka za homogenizaciju sterilizacije;
- Prerada radi povećanja roka trajanja i kvaliteta smrznutog mlijeka
- dobijanje mleka u prahu visokog kvaliteta;
- Dobijanje emulzija za pečenje;
- Prerada kvasca za 15% povećava njihovu moć fermentacije;
- Dobijanje aromatičnih supstanci, pire krompir, vađenje masti iz jetre;
- izdvajanje zubnog kamenca;
- Vađenje biljnih i životinjskih sirovina;
- Proizvodnja parfema (6 ... 8 sati umjesto godinu dana).
10. Ultrazvuk u biologiji.
- Velike doze ultrazvuka ubijaju mikroorganizme (stafilokoke, streptokoke, viruse);
- Niski intenziteti ultrazvučnog izlaganja podstiču rast kolonija mikroorganizama;
11. Uticaj na osobu.
Ultrazvučno izlaganje intenziteta do 0,1 ... 0,4 W / cm ima terapeutski učinak. U Americi se izlaganje intenzitetu do 0,8 W/cm smatra ljekovitim.
12. U medicini.
Ultrazvučni skalpeli, aparati za vanjsku i unutrašnju liposukciju, laparoskopski instrumenti, inhalatori, masažeri imaju široku primjenu i mogu liječiti razne bolesti.
Tok predavanja koji je prikazan u nastavku namijenjen je preliminarnom upoznavanju studenata, diplomiranih studenata, inženjera i tehnologa različitih industrija sa osnovama ultrazvučnih tehnologija i namijenjen je davanju temeljnih znanja o teoriji nastanka ultrazvučnih vibracija i praksi korištenjem ultrazvučnih vibracija visokog intenziteta.

Razvojem akustike krajem 19. vijeka otkriven je ultrazvuk, u isto vrijeme počinju i prve studije ultrazvuka, ali su temelji za njegovu primjenu postavljeni tek u prvoj trećini 20. stoljeća.

Ultrazvuk i njegova svojstva

U prirodi se ultrazvuk nalazi kao sastavni dio mnogih prirodnih zvukova: u buci vjetra, vodopada, kiše, morskih oblutaka koje je valovit talas, u pražnjenjima groma. Mnogi sisari, poput mačaka i pasa, imaju sposobnost percepcije ultrazvuka na frekvenciji do 100 kHz, a lokacijske sposobnosti slepih miševa, noćnih insekata i morskih životinja su svima dobro poznate.

Ultrazvuk- mehaničke vibracije koje se nalaze iznad frekvencijskog opsega koji se čuje ljudskom uhu (obično 20 kHz). Ultrazvučne vibracije putuju u talasnom obliku, sličnom širenju svetlosti. Međutim, za razliku od svjetlosnih valova, koji mogu putovati u vakuumu, ultrazvuk zahtijeva elastični medij kao što je plin, tekućina ili čvrsta supstanca.

Glavni parametri talasa su talasna dužina, frekvencija i period. Ultrazvučni talasi se po svojoj prirodi ne razlikuju od talasa čujnog opsega i poštuju iste fizičke zakone. Ali, ultrazvuk ima specifičnosti koje su odredile njegovu široku primjenu u nauci i tehnologiji. Evo glavnih:

• 1. Mala talasna dužina. Za najniži ultrazvučni opseg, talasna dužina ne prelazi nekoliko centimetara u većini medija. Kratka talasna dužina određuje širenje zraka ultrazvučnih talasa. U blizini emitera, ultrazvuk se širi u obliku snopova veličine blizu veličine emitera. Kada udari u nehomogenost u mediju, ultrazvučni snop se ponaša kao svjetlosni snop, doživljava refleksiju, prelamanje, rasipanje, što omogućava formiranje zvučnih slika u optički neprozirnom mediju koristeći čisto optičke efekte (fokusiranje, difrakcija, itd.).
• 2. Kratak period oscilacija, koji omogućava emitovanje ultrazvuka u obliku impulsa i vršenje tačne vremenske selekcije propagirajućih signala u medijumu.

Mogućnost dobijanja visokih vrednosti energije vibracije pri maloj amplitudi, jer energija vibracije je proporcionalna kvadratu frekvencije. Ovo vam omogućava da kreirate ultrazvučne zrake i polja sa visoki nivo energije, a ne zahtijevaju opremu velikih dimenzija.

U ultrazvučnom polju se razvijaju značajne akustične struje. Dakle, uticaj ultrazvuka na okolinu stvara specifične efekte: fizičke, hemijske, biološke i medicinske. Kao što su kavitacija, zvučni kapilarni efekat, disperzija, emulzifikacija, otplinjavanje, dezinfekcija, lokalno grijanje i mnogi drugi.

Potrebe pomorske flote vodećih sila - Engleske i Francuske, za istraživanjem morskih dubina, izazvale su interesovanje mnogih naučnika iz oblasti akustike, tk. to je jedini tip signala koji može daleko putovati u vodi. Tako je 1826. godine francuski naučnik Colladon odredio brzinu zvuka u vodi. Godine 1838. u Sjedinjenim Državama zvuk je prvi put korišten za određivanje profila morskog dna u svrhu polaganja telegrafskog kabla. Rezultati eksperimenta bili su razočaravajući. Zvuk zvona davao je preslab odjek, gotovo nečujan među ostalim zvukovima mora. Bilo je potrebno ići u područje viših frekvencija, omogućavajući stvaranje usmjerenih zvučnih zraka.

Prvi ultrazvučni generator napravio je 1883. godine Englez Francis Galton. Ultrazvuk je nastao kao zviždaljka na ivici noža kada se puhne. Ulogu takve tačke u Galtonovom zvižduku igrao je cilindar oštrih ivica. Vazduh ili drugi gas koji je izlazio pod pritiskom kroz prstenastu mlaznicu prečnika istog prečnika kao ivica cilindra ulazio je u ivicu i dolazilo do visokofrekventnih vibracija. Puhanjem u zviždaljku vodonikom bilo je moguće postići vibracije do 170 kHz.

Godine 1880. Pierre i Jacques Curie su napravili odlučujuće otkriće za ultrazvučnu tehnologiju. Braća Curie primijetili su da kada se pritisak primjenjuje na kristale kvarca, stvara se električni naboj koji je direktno proporcionalan sili primijenjenoj na kristal. Ovaj fenomen je nazvan "piezoelektricitet" od grčke riječi koja znači "gurati". Osim toga, pokazali su suprotan piezoelektrični efekat, koji se manifestirao kada se na kristal primijenio električni potencijal koji se brzo mijenja, uzrokujući da on vibrira. Od sada se pojavila tehnička mogućnost proizvodnje malih emitera i ultrazvučnih prijemnika.

Smrt "Titanika" od sudara sa santom leda, potreba za borbom protiv novog oružja - podmornice su zahtijevale brz razvoj ultrazvučne hidroakustike. Godine 1914. francuski fizičar Paul Langevin, zajedno s talentiranim ruskim emigrantskim naučnikom Konstantinom Vasiljevičem Šilovskim, prvi je razvio sonar koji se sastoji od ultrazvučnog emitera i hidrofona - prijemnika ultrazvučnih vibracija zasnovanih na piezoelektričnom efektu. Sonar Langevin - Shilovsky, bio je prvi ultrazvučni uređaj primenjeno u praksi. Istovremeno, ruski naučnik S.Ya.Sokolov razvio je osnove ultrazvučne detekcije grešaka u industriji. Godine 1937. njemački psihijatar Karl Dussik, zajedno sa svojim bratom Friedrichom, fizičarem, prvi je koristio ultrazvuk za otkrivanje tumora na mozgu, ali rezultati koje su dobili bili su nepouzdani. U medicinskoj praksi ultrazvuk je prvi put korišten tek 1950-ih godina u Sjedinjenim Državama.

21. vijek je vijek radio elektronike, atoma, osvajanja svemira i ultrazvuka. Nauka o ultrazvuku je relativno mlada ovih dana. Krajem 19. veka, P. N. Lebedev, ruski naučnik-fiziolog, vodio je svoje prve studije. Nakon toga, mnogi izvanredni naučnici počeli su proučavati ultrazvuk.

Šta je ultrazvuk?

Ultrazvuk je talas koji se širi od čestica medija. Ima svoje karakteristike, koje se razlikuju od zvukova zvučnog opsega. Relativno je lako dobiti usmjereno zračenje u ultrazvučnom opsegu. Osim toga, dobro se fokusira, a kao rezultat toga se povećava intenzitet izvedenih vibracija. Kada se širi u čvrstim telima, tečnostima i gasovima, ultrazvuk dovodi do zanimljivih pojava koje su našle praktičnu primenu u mnogim oblastima tehnologije i nauke. To je ono što je ultrazvuk, čija je uloga u raznim oblastima života danas veoma velika.

Uloga ultrazvuka u nauci i praksi

Poslednjih godina ultrazvuk je počeo da igra naučno istraživanje sve veća uloga. Uspješno su sprovedena eksperimentalna i teorijska istraživanja u oblasti akustičkih strujanja i ultrazvučne kavitacije, što je omogućilo naučnicima da razviju tehnološke procese koji se javljaju kada su izloženi tečna faza ultrazvuk. To je moćna metoda za proučavanje raznih pojava u takvoj oblasti znanja kao što je fizika. Ultrazvuk se koristi, na primjer, u fizici poluvodiča i čvrstog stanja. Danas se formira posebna oblast hemije koja se naziva "ultrazvučna hemija". Njegova primjena vam omogućava da ubrzate mnoge kemijsko-tehnološke procese. Rođena je i molekularna akustika - nova grana akustike koja proučava interakciju molekula sa materijom.Pojavile su se nove oblasti primjene ultrazvuka: holografija, introskopija, akustoelektronika, ultrazvučno mjerenje faze i kvantna akustika.

Pored eksperimentalnog i teorijskog rada u ovoj oblasti, danas su izvedeni mnogi praktični. Razvijene su specijalne i univerzalne ultrazvučne mašine, instalacije koje rade pod povećanim statičkim pritiskom i dr. U proizvodnju su uvedene ultrazvučne automatske instalacije, uključene u proizvodne linije, koje mogu značajno povećati produktivnost rada.

Više o ultrazvuku

Razgovarajmo detaljnije o tome šta je ultrazvuk. Već smo rekli da je ovaj elastični talas i ultrazvuk više od 15-20 kHz. Subjektivna svojstva našeg sluha određuju donju granicu ultrazvučnih frekvencija, koja ga odvaja od frekvencije čujnog zvuka. Ova granica je, dakle, uslovna i svako od nas na različite načine definiše šta je ultrazvuk. Gornja granica je označena elastičnim valovima, njihovim fizičke prirode... Oni se šire samo u materijalnom okruženju, odnosno valna dužina bi trebala biti znatno veća od srednjeg slobodnog puta molekula u plinu ili međuatomske udaljenosti u čvrstim tvarima i tekućinama. Pri normalnom pritisku u gasovima gornja granica ultrazvučnih frekvencija je 10 9 Hz, a u čvrstim materijama i tečnostima - 10 12 -10 13 Hz.

Izvori ultrazvuka

Ultrazvuk se u prirodi javlja i kao sastavni dio mnogih prirodnih zvukova (vodopad, vjetar, kiša, kamenčići koje je kotrljao surf, kao i u zvukovima koji prate grmljavinsko pražnjenje itd.), i kao sastavni dio životinjskog svijeta. Neke vrste životinja ga koriste za orijentaciju u prostoru, za otkrivanje prepreka. Također je poznato da delfini koriste ultrazvuk u prirodi (uglavnom frekvencije od 80 do 100 kHz). U ovom slučaju, snaga radarskih signala koje emituju može biti vrlo visoka. Poznato je da su dupini u stanju otkriti one koji se nalaze na udaljenosti do kilometra od njih.

Emiteri (izvori) ultrazvuka podijeljeni su u 2 velike grupe. Prvi su generatori u kojima se oscilacije pobuđuju zbog prisutnosti prepreka u njima, instalirane na putu stalnog protoka - mlaza tekućine ili plina. Druga grupa, u koju se mogu kombinovati izvori ultrazvuka, su elektroakustički pretvarači, koji zadate oscilacije struje ili električnog napona pretvaraju u mehaničke oscilacije koje vrši čvrsto tijelo koje emituje akustične valove u okolinu.

Ultrazvučni prijemnici

Na srednjim i ultrazvučnim prijemnicima, elektroakustični pretvarači su najčešće piezoelektričnog tipa. Oni mogu reproducirati oblik primljenog akustičnog signala, predstavljen kao vremenska ovisnost zvučnog pritiska. Uređaji mogu biti širokopojasni ili rezonantni - ovisno o tome za koje uvjete korištenja su namijenjeni. Termalni prijemnici se koriste za dobijanje vremenski usrednjenih karakteristika zvučnog polja. To su termistori ili termoparovi obloženi materijalom koji apsorbira zvuk. Pritisak i intenzitet zvuka se takođe mogu proceniti optičkim metodama kao što je difrakcija svetlosti ultrazvukom.

Gdje se koristi ultrazvuk?

Postoje mnoga područja njegove primjene, a koriste se i različite karakteristike ultrazvuka. Ove sfere se mogu grubo podijeliti u tri smjera. Prvi od njih povezan je s primanjem različitih informacija pomoću ultrazvučnih valova. Drugi smjer je njegov aktivni utjecaj na supstancu. I treći se odnosi na prijenos i obradu signala. UZ određenog se koristi u svakom slučaju. Pokrićemo samo neka od mnogih područja u kojima je našla svoju primjenu.

Čišćenje ultrazvukom

Kvalitet takvog čišćenja ne može se porediti sa drugim metodama. Prilikom ispiranja dijelova, na primjer, do 80% zagađivača ostaje na njihovoj površini, oko 55% - kod čišćenja vibracijama, oko 20% - kod ručnog čišćenja, a kod ultrazvučnog čišćenja ne ostane više od 0,5% kontaminacije. Dijelovi složenog oblika mogu se dobro očistiti samo ultrazvukom. Važna prednost njegove upotrebe je visoka produktivnost, kao i niski troškovi fizičkog rada. Štoviše, moguće je zamijeniti skupe i zapaljive organske rastvarače jeftinim i sigurnim vodenim otopinama, koristiti tečni freon itd.

Ozbiljan problem predstavlja zagađenje zraka čađom, dimom, prašinom, metalnim oksidima itd. Ultrazvučnom metodom čišćenja zraka i plina na izlazu plina možete koristiti bez obzira na vlažnost i temperaturu okoline. Ako se ultrazvučni emiter postavi u komoru za taloženje prašine, njegova efikasnost će se povećati stotinama puta. Šta je suština ovakvog čišćenja? Čestice prašine koje se nasumično kreću u zraku udaraju se jače i češće pod utjecajem ultrazvučnih vibracija. Štoviše, njihova veličina se povećava zbog činjenice da se spajaju. Koagulacija je proces povećanja čestica. Specijalni filteri hvataju njihove utegnute i uvećane nakupine.

Mehanička obrada krhkih i supertvrdih materijala

Ako se ultrazvukom unese između obratka i radne površine alata, tada će abrazivne čestice tijekom rada emitera djelovati na površinu ovog dijela. Istovremeno, materijal se uništava i uklanja, podvrgavajući se preradi pod utjecajem mnogih usmjerenih mikro-udara. Kinematika obrade sastoji se od glavnog pokreta - rezanja, odnosno uzdužnih vibracija koje vrši alat, i pomoćnog - pokreta pomaka koji aparat vrši.

Ultrazvuk može obavljati različite poslove. Uzdužne vibracije su izvor energije za abrazivna zrna. Uništavaju obrađeni materijal. Kretanje hrane (pomoćno) može biti kružno, poprečno i uzdužno. Ultrazvučna obrada je vrlo precizna. U zavisnosti od veličine zrna abraziva, kreće se od 50 do 1 mikrona. Koristeći alate različitih oblika, možete napraviti ne samo rupe, već i složene rezove, zakrivljene sjekire, gravirati, brusiti, izraditi kalupe, pa čak i izbušiti dijamant. Materijali koji se koriste kao abrazivi su korund, dijamant, kvarcni pijesak, kremen.

Ultrazvuk u elektronici

Ultrazvuk se u inženjerstvu često koristi u oblasti radio elektronike. U ovoj oblasti često je potrebno odgoditi električni signal u odnosu na neki drugi. Naučnici su pronašli uspješno rješenje predlažući korištenje ultrazvučnih linija za kašnjenje (skraćeno LZ). Njihovo djelovanje zasniva se na činjenici da se električni impulsi pretvaraju u ultrazvučne.Kako se to događa? Činjenica je da je brzina ultrazvuka znatno manja od one koju razvijaju elektromagnetne oscilacije. Impuls napona nakon reverzne konverzije u električne mehaničke vibracije bit će odgođen na linijskom izlazu u odnosu na ulazni impuls.

Piezoelektrični i magnetostriktivni pretvarači se koriste za pretvaranje električnih vibracija u mehaničke i obrnuto. LZ se dijele na piezoelektrične i magnetostriktivne.

Ultrazvuk u medicini

Različite vrste ultrazvuka se koriste za djelovanje na žive organizme. U medicinskoj praksi njegova upotreba je sada vrlo popularna. Zasnovan je na efektima koji se javljaju u biološkim tkivima kada ultrazvuk prolazi kroz njih. Talasi izazivaju vibracije čestica medija, što stvara svojevrsnu mikromasažu tkiva. A apsorpcija ultrazvuka dovodi do njihovog lokalnog zagrijavanja. Međutim, u biološke sredine odvijaju se određene fizičke i hemijske transformacije. Ove pojave u slučaju umjerenog nepovratnog oštećenja ne uzrokuju. Oni samo poboljšavaju metabolizam i stoga doprinose vitalnoj aktivnosti organizma koji im je podložan. Ovakve pojave se koriste u ultrazvučnoj terapiji.

Ultrazvuk u hirurgiji

Kavitacija i jako zagrijavanje pri visokim intenzitetima dovode do razaranja tkiva. Ovaj efekat se danas koristi u hirurgiji. Fokalni ultrazvuk se koristi za hirurške operacije, što omogućava lokalnu destrukciju u najdubljim strukturama (na primjer, mozak) bez oštećenja onih oko njih. U hirurgiji se koriste i ultrazvučni instrumenti kod kojih radni kraj izgleda kao turpija, skalpel, igla. Vibracije koje se nalaze na njima daju nove kvalitete ovim uređajima. Potreban napor je značajno smanjen, pa je smanjena stopa ozljeda operacije. Osim toga, očituje se analgetski i hemostatski učinak. Udar tupim instrumentom pomoću ultrazvuka koristi se za uništavanje određenih vrsta neoplazmi koje su se pojavile u tijelu.

Utjecaj na biološka tkiva vrši se radi uništavanja mikroorganizama i koristi se u sterilizaciji lijekova i medicinskih instrumenata.

Pregled unutrašnjih organa

U osnovi, govorimo o proučavanju trbušne šupljine. U tu svrhu može se koristiti poseban za pronalaženje i prepoznavanje različitih anomalija tkiva i anatomskih struktura. Zadatak je često sljedeći: postoji sumnja na prisustvo maligne formacije i potrebno je razlikovati je od benigne ili infektivne formacije.

Ultrazvuk je koristan za pregled jetre i za rješavanje drugih problema, koji uključuju otkrivanje opstrukcije i bolesti žučnih puteva, kao i pregled žučne kese radi otkrivanja prisustva kamenaca i drugih patologija u njoj. Osim toga, može se primijeniti i proučavanje ciroze i drugih difuznih benignih bolesti jetre.

U području ginekologije, uglavnom u analizi jajnika i materice, primjena ultrazvuka je dugo bila glavni smjer u kojem se s posebnim uspjehom provodi. Često je ovdje potrebna i diferencijacija benignih i malignih formacija, što obično zahtijeva najbolji kontrast i prostornu rezoluciju. Slični zaključci mogu biti korisni pri ispitivanju mnogih drugih unutrašnjih organa.

Upotreba ultrazvuka u stomatologiji

Ultrazvuk je pronašao put i u stomatologiji, gdje se koristi za uklanjanje kamenca. Omogućava brzo, beskrvno i bezbolno uklanjanje plaka i kamenca. U tom slučaju oralna sluznica nije ozlijeđena, a "džepovi" šupljine se dezinficiraju. Umjesto bola, pacijent doživljava osjećaj topline.

Ultrazvuk

Ultrazvuk- elastične vibracije sa frekvencijom iznad granice sluha za osobu. Obično se ultrazvučnim opsegom smatraju frekvencije iznad 18.000 herca.

Iako je postojanje ultrazvuka poznato od davnina, njegova praktična upotreba je prilično mlada. U današnje vrijeme ultrazvuk se široko koristi u raznim fizičkim i tehnološkim metodama. Dakle, prema brzini širenja zvuka u mediju, može se suditi o njegovim fizičkim karakteristikama. Mjerenje brzine na ultrazvučnim frekvencijama omogućava da se, uz vrlo male greške, odrede, na primjer, adijabatske karakteristike brzih procesa, vrijednosti specifičnog toplinskog kapaciteta plinova i elastične konstante čvrstih tijela.

Izvori ultrazvuka

Frekvencija ultrazvučnih vibracija koje se koriste u industriji i biologiji je u rasponu od nekoliko MHz. Takve vibracije se obično stvaraju pomoću piezoelektričnih pretvarača barij titanita. U onim slučajevima kada je snaga ultrazvučnih vibracija od primarnog značaja, obično se koriste mehanički izvori ultrazvuka. U početku su se svi ultrazvučni talasi primali mehanički (kamponi, zviždaljke, sirene).

U prirodi se ultrazvučni valovi nalaze i kao sastavni dijelovi mnogih prirodnih buka (u buci vjetra, vodopada, kiše, u šumu kamenčića koje je valjao morski valovit, u zvukovima koji prate pražnjenje groma, itd.), i među zvukove životinjskog svijeta. Neke životinje koriste ultrazvučne valove kako bi otkrile prepreke i orijentirale se u prostoru.

Ultrazvučni emiteri se mogu podijeliti u dvije velike grupe. Prvi uključuje emitere-generatore; vibracije u njima se pobuđuju zbog prisutnosti prepreka na putu stalnog protoka - mlaza plina ili tekućine. Druga grupa emitera su elektro-akustični pretvarači; oni pretvaraju već određene fluktuacije električnog napona ili struje u mehaničku vibraciju čvrste tvari, koja emituje akustične valove u okolinu.

Galton zvižduk

Prvu ultrazvučnu zviždaljku napravio je 1883. Englez Galton. Ultrazvuk se ovdje stvara poput visokog zvuka na ivici noža kada na njega udari mlaz zraka. Ulogu takvog vrha u Galtonovom zviždaljku igra "usna" u maloj cilindričnoj rezonantnoj šupljini. Gas pod visokim pritiskom koji prolazi kroz šuplji cilindar udara u ovu usnu; javljaju se vibracije čija je frekvencija (oko 170 kHz) određena veličinom mlaznice i usne. Snaga Galtonovog zvižduka je mala. Uglavnom se koristi za davanje komandi prilikom treninga pasa i mačaka.

Ultrazvučna tečna zviždaljka

Većina ultrazvučnih zviždaljki može se prilagoditi za rad u tečnom okruženju. U poređenju sa električnim izvorima ultrazvuka, tečne ultrazvučne zviždaljke su male snage, ali ponekad, na primer, za ultrazvučnu homogenizaciju, imaju značajnu prednost. Pošto ultrazvučni talasi nastaju direktno u tečnom mediju, nema gubitka energije ultrazvučnih talasa pri prelasku iz jednog medija u drugi. Možda najuspješniji je dizajn tečne ultrazvučne pištaljke, koju su napravili engleski naučnici Kottel i Goodman početkom 50-ih godina XX vijeka. U njemu, mlaz tekućine pod visokim pritiskom izlazi iz eliptične mlaznice i usmjerava se na čeličnu ploču. Različite modifikacije ovog dizajna se široko koriste za dobivanje homogenih medija. Zbog jednostavnosti i stabilnosti njihovog dizajna (uništena je samo oscilirajuća ploča) takvi sistemi su izdržljivi i jeftini.

Sirena

Druga vrsta mehaničkih izvora ultrazvuka je sirena. Ima relativno veliku snagu i koristi se u policijskim i vatrogasnim vozilima. Sve rotacijske sirene sastoje se od komore zatvorene odozgo diskom (statorom), u kojoj je napravljen veliki broj rupa. Na disku koji rotira unutar komore - rotora, postoji isti broj rupa. Kada se rotor rotira, položaj rupa u njemu povremeno se poklapa s položajem rupa na statoru. Komprimirani zrak se kontinuirano dovodi u komoru, koji se izbacuje iz nje u onim kratkim trenucima kada se rupe na rotoru i statoru poklope.

Glavni zadatak u proizvodnji sirena je, prvo, napraviti što više rupa u rotoru, a drugo, postići veliku brzinu njegove rotacije. Međutim, vrlo je teško ispuniti oba ova zahtjeva u praksi.

Ultrazvuk u prirodi

Primjena ultrazvuka

Dijagnostička upotreba ultrazvuka u medicini (ultrazvuk)

Zbog dobrog širenja ultrazvuka u mekim tkivima čovjeka, njegove relativne bezopasnosti u odnosu na rendgenske zrake i jednostavnosti upotrebe u odnosu na magnetnu rezonancu, ultrazvuk se široko koristi za vizualizaciju stanja ljudskih unutrašnjih organa, posebno u trbušnoj šupljini. i karlične šupljine.

Terapeutska upotreba ultrazvuka u medicini

Pored svoje široke upotrebe u dijagnostičke svrhe (vidi Ultrazvuk), ultrazvuk se u medicini koristi kao terapeutsko sredstvo.

Ultrazvuk ima efekat:

• protuupalno, apsorbirajuće
• analgetik, antispazmodik
• kavitacija poboljšanje propusnosti kože

Fonoforeza je kombinovana metoda u kojoj na tkiva djeluje ultrazvuk i uz njegovu pomoć unesene ljekovite supstance (lijekovi i prirodnog porijekla). Provođenje tvari pod djelovanjem ultrazvuka nastaje zbog povećanja propusnosti epiderme i kožnih žlijezda, ćelijskih membrana i vaskularnih zidova za tvari male veličine. molekularna težina, posebno - joni minerala bišofita. Pogodnost fonoforeze lijekova i prirodnih supstanci:

• ljekovita supstanca se ne uništava kada se daje ultrazvukom
• sinergizam djelovanja ultrazvuka i terapeutske supstance

Indikacije za ultrafonoforezu bišofita: osteoartritis, osteohondroza, artritis, burzitis, epikondilitis, petna trna, stanja nakon povreda mišićno-koštanog sistema; Neuritis, neuropatija, radikulitis, neuralgija, ozljeda živaca.

Nanosi se bišofit gel, a radnom površinom emitera vrši se mikromasaža zahvaćenog područja. Tehnika je labilna, uobičajena za fonoforezu (kod UVF zglobova, kičme, intenzitet u cervikalnoj regiji je 0,2-0,4 W/cm2, u torakalnoj i lumbalnoj regiji - 0,4-0,6 W/cm2).

Rezanje metala ultrazvukom

Na konvencionalnim mašinama za rezanje metala ne možete izbušiti usku, složenu rupu u metalnom dijelu, na primjer, u obliku petokrake zvijezde. Uz pomoć ultrazvuka moguće je, magnetostriktivni vibrator može izbušiti rupu bilo kojeg oblika. Ultrazvučno dleto u potpunosti zamjenjuje glodalicu. Štoviše, takvo dlijeto je mnogo lakše od glodalice i može obrađivati ​​metalne dijelove jeftinije i brže od glodalice.

Možete čak koristiti ultrazvuk da napravite navoje u metalnim dijelovima, staklu, rubinu ili dijamantu. Obično se konac prvo izrađuje od mekog metala, a zatim se dio kaljuje. Na ultrazvučnoj mašini, navoji se mogu napraviti u već očvrslom metalu iu najtvrđim legurama. Isto je i sa markama. Pečat se obično stvrdne nakon što je pažljivo završen. Na ultrazvučnoj mašini najsloženiju obradu izvodi abraziv (šmirgl, korundni prah) u polju ultrazvučnog talasa. Neprekidno vibrirajući u ultrazvučnom polju, čestice čvrstog praha se urezuju u leguru koja se obrađuje i izrezuje rupu istog oblika kao i na svrdlu.

Priprema smjese ultrazvukom

Ultrazvuk se široko koristi za pripremu homogenih smjesa (homogenizacija). Davne 1927. godine američki naučnici Limus i Wood otkrili su da ako se dvije tekućine koje se ne miješaju (na primjer, ulje i voda) sipaju u jednu čašu i izlože ultrazvuku, tada u čaši nastaje emulzija, odnosno fina suspenzija ulja u vode. Takve emulzije igraju važnu ulogu u industriji: lakovi, boje, farmaceutski proizvodi, kozmetika.

Upotreba ultrazvuka u biologiji

Sposobnost ultrazvuka da razbije ćelijske membrane našla je primjenu u biološkim istraživanjima, na primjer, kada je potrebno odvojiti ćeliju od enzima. Ultrazvuk se također koristi za uništavanje intracelularnih struktura kao što su mitohondrije i hloroplasti kako bi se proučio odnos između njihove strukture i funkcije. Druga primjena ultrazvuka u biologiji povezana je s njegovom sposobnošću da izazove mutacije. Istraživanje na Oksfordu pokazalo je da čak i ultrazvuk niskog intenziteta može oštetiti molekul DNK. Umjetno ciljano stvaranje mutacija igra važnu ulogu u oplemenjivanju biljaka. Glavna prednost ultrazvuka u odnosu na druge mutagene ( X-zrake, ultraljubičastim zracima) je da je s njim izuzetno lako raditi.

Upotreba ultrazvuka za čišćenje

Upotreba ultrazvuka za mehaničko čišćenje zasniva se na pojavi različitih nelinearnih efekata u tečnosti pod njegovim uticajem. To uključuje kavitaciju, akustične struje i zvučni pritisak. Glavnu ulogu igra kavitacija. Njegovi mjehurići, koji se pojavljuju i kolabiraju u blizini zagađenja, uništavaju ih. Ovaj efekat je poznat kao kavitaciona erozija... Ultrazvuk koji se koristi u ove svrhe ima nisku frekvenciju i povećanu snagu.

U laboratorijskim i industrijskim uslovima ultrazvučne kupke punjene rastvaračem (voda, alkohol itd.) koriste se za pranje sitnih delova i posuđa. Ponekad se uz njihovu pomoć ispiru čak i korijenski usjevi (krompir, mrkva, repa, itd.) Od čestica tla.

Primjena ultrazvuka u mjerenju protoka

Ultrazvučni mjerači protoka se u industriji koriste za kontrolu protoka i mjerenja vode i toplotnog nosača od 60-ih godina prošlog stoljeća.

Primjena ultrazvuka u detekciji mana

Ultrazvuk se dobro širi u nekim materijalima, što ga omogućava da se koristi za ultrazvučnu detekciju grešaka na proizvodima napravljenim od ovih materijala. Nedavno se razvija smjer ultrazvučne mikroskopije, koji omogućava proučavanje podzemnog sloja materijala s dobrom rezolucijom.

Ultrazvučno zavarivanje

Ultrazvučno zavarivanje - zavarivanje pod pritiskom koje se izvodi pod uticajem ultrazvučnih vibracija. Ova vrsta zavarivanja se koristi za spajanje dijelova koji se teško zagrijavaju, ili kada se spajaju različiti metali ili metali sa jakim oksidnim filmovima (aluminij, nehrđajući čelici, permalloy magnetna jezgra, itd.). Tako se ultrazvučno zavarivanje koristi u proizvodnji integrisanih kola.

Upotreba ultrazvuka u galvanizaciji

Ultrazvuk se koristi za intenziviranje galvanskih procesa i poboljšanje kvaliteta elektrohemijski proizvedenih premaza.