Dmitrijus Levkinas

Ultragarsas- mechaninės vibracijos, esančios virš žmogaus ausiai girdimo dažnių diapazono (paprastai 20 kHz). Ultragarso virpesiai sklinda bangos pavidalu, panašiai kaip šviesos sklidimas. Tačiau, skirtingai nei šviesos bangos, kurios gali sklisti vakuume, ultragarsu reikalinga elastinga terpė, tokia kaip dujos, skystis ar kieta medžiaga.

, (3)

Skersinėms bangoms jis nustatomas pagal formulę

Garso sklaida- monochromatinių garso bangų fazinio greičio priklausomybė nuo jų dažnio. Garso greičio sklaidą gali lemti tiek terpės fizinės savybės, tiek pašalinių intarpų buvimas joje, tiek kūno, kuriame sklinda garso banga, ribos.

Ultragarso bangų įvairovė

Dauguma ultragarso metodų naudoja išilgines arba šlyties bangas. Taip pat yra ir kitų ultragarso sklidimo formų, įskaitant paviršines ir ėriukų bangas.

Išilginės ultragarso bangos- bangos, kurių sklidimo kryptis sutampa su terpės dalelių poslinkių ir greičių kryptimi.

Skersinės ultragarso bangos- bangos, sklindančios statmenai plokštumai, kurioje yra kūno dalelių poslinkio ir greičio kryptys, tokia pat kryptimi kaip ir šlyties bangos.

Paviršinės (Rayleigh) ultragarso bangos turi elipsinį dalelių judesį ir pasiskirsto per medžiagos paviršių. Jų greitis yra maždaug 90% šlyties bangų sklidimo greičio, o jų įsiskverbimas giliai į medžiagą yra lygus maždaug vienam bangos ilgiui.

Avinėlio banga- elastinga banga, sklindanti vientisoje plokštumoje (sluoksnyje) su laisvomis ribomis, kurioje dalelių vibracinis poslinkis įvyksta tiek bangos sklidimo kryptimi, tiek statmenai plokštės plokštumai. Avinėlio bangos yra viena iš įprastų bangų tipų elastingame bangolaidyje - plokštelėje su laisvomis ribomis. Kadangi šios bangos turi atitikti ne tik elastingumo teorijos lygtis, bet ir plokštumos paviršiaus ribines sąlygas, judėjimo modelį jose ir jų savybes yra sudėtingesnės nei bangų esant neribotoms kietosioms medžiagoms.

Ultragarso bangų vizualizacija

Plokščiajai sinusoidinei keliaujančiai bangai ultragarso intensyvumas I nustatomas pagal formulę

, (5)

V sferinė keliaujanti banga ultragarso intensyvumas yra atvirkščiai proporcingas atstumo nuo šaltinio kvadratui. V stovinčioji banga I = 0, tai yra, vidutiniškai nėra garso energijos srauto. Ultragarso intensyvumas harmoninės plokštumos sklindanti banga lygus garso bangos energijos tankiui ir garso greičiui. Garso energijos srautui būdingas vadinamasis pagal Umovo vektorių- garso bangos energijos srauto tankio vektorius, kuris gali būti pavaizduotas kaip ultragarso intensyvumo sandauga bangos normalusis vektorius, t. y. vieneto vektorius, statmenas bangos frontui. Jei garso laukas yra skirtingų dažnių harmoninių bangų superpozicija, tada komponentų adityvumas įvyksta vidutinio garso energijos srauto tankio vektoriui.

Skleidėjams, sukuriantiems lėktuvo bangą, jie kalba apie spinduliuotės intensyvumas suprantant tai specifinė spinduliuotės galia y., spinduliuojamo garso galia spinduliuojančio paviršiaus ploto vienetui.

Garso intensyvumas matuojamas SI vienetais W / m2. Ultragarso technologijoje ultragarso intensyvumo pokyčių diapazonas yra labai didelis - nuo ribinių verčių ~ 10 -12 W / m 2 iki šimtų kW / m 2 ultragarso koncentratorių dėmesio centre.

1 lentelė. Kai kurių įprastų medžiagų savybės

Medžiaga	Tankis, kg / m 3	Išilginis bangos greitis, m / s	Šlyties bangos greitis, m / s	, 10 3 kg / (m 2 * s)
Akrilas	1180	2670	-	3,15
Oras	0,1	330	-	0,00033
Aliuminis	2700	6320	3130	17,064
Žalvaris	8100	4430	2120	35,883
Varis	8900	4700	2260	41,830
Stiklas	3600	4260	2560	15,336
Nikelis	8800	5630	2960	49,544
Poliamidas (nailonas)	1100	2620	1080	2,882
Plienas (mažai legiruotas)	7850	5940	3250	46,629
Titanas	4540	6230	3180	26,284
Volframas	19100	5460	2620	104,286
Vanduo (293K)	1000	1480	-	1,480

Ultragarso slopinimas

Viena iš pagrindinių ultragarso savybių yra jos susilpnėjimas. Ultragarso silpnėjimas Ar garso bangos amplitudės, taigi ir sklidimo, sumažėjimas. Ultragarso susilpnėjimas atsiranda dėl kelių priežasčių. Pagrindiniai yra šie:

Pirmoji iš šių priežasčių yra susijusi su tuo, kad bangai sklindant iš taško ar sferinio šaltinio, šaltinio skleidžiama energija pasiskirsto ant didėjančio bangos fronto paviršiaus ir atitinkamai sumažėja energijos srautas per vieneto paviršių, t.y ... Sferinei bangai, kurios bangos paviršius auga atstumu r nuo šaltinio kaip r 2, bangos amplitudė mažėja proporcingai, o cilindrinei - proporcingai.

Silpninimo koeficientas išreiškiamas decibelais metrui (dB / m) arba nepers metrais (Np / m).

Plokščiajai bangai amplitudės ir atstumo slopinimo koeficientas nustatomas pagal formulę

, (6)

Nustatomas slopinimo koeficientas, palyginti su laiku

, (7)

Koeficientui matuoti šiuo atveju taip pat naudojamas vienetas dB / m

, (8)

Decibelas (dB) yra logaritminis vienetas, skirtas matuoti energijos ar galios santykį akustikoje.

, (9)

• kur A 1 yra pirmojo signalo amplitudė,
• A 2 - antrojo signalo amplitudė

Tada santykis tarp matavimo vienetų (dB / m) ir (1 / m) bus:

Ultragarso atspindys iš sąsajos

Kai garso banga pasiekia sąsają tarp laikmenų, dalis energijos atsispindi pirmoje terpėje, o likusi energija pereina į antrąją terpę. Santykį tarp atspindėtos energijos ir energijos, patenkančios į antrąją terpę, lemia pirmosios ir antrosios terpės bangų varža. Nesant garso greičio dispersijos bangos varža nepriklauso nuo bangos formos ir išreiškiama formule:

Atspindžio ir perdavimo koeficientai bus nustatyti taip

• kur D yra garso slėgio perdavimo koeficientas

Taip pat reikėtų pažymėti, kad jei antroji terpė yra akustiškai minkštesnė, t.y. Z 1> Z 2, tada atspindint bangos fazė pasikeičia 180 °.

Energijos pralaidumą iš vienos terpės į kitą lemia bangos, patenkančios į antrąją terpę, intensyvumo ir krintančios bangos intensyvumo santykis

, (14)

Ultragarso bangų trukdžiai ir difrakcija

Garso trukdžiai- susidariusios garso bangos amplitudės erdvinio pasiskirstymo nevienodumas, atsižvelgiant į ryšį tarp bangų fazių, pridėtų viename ar kitame erdvės taške. Pridėjus to paties dažnio harmonines bangas, susidaręs erdvinis amplitudžių pasiskirstymas sudaro nuo laiko nepriklausomą trukdžių modelį, kuris atitinka sudedamųjų bangų fazių skirtumo pasikeitimą, einant iš taško į tašką. Dviejų trukdančių bangų atveju šis modelis plokštumoje yra kintamųjų garso lauką apibūdinančio kiekio amplitudės stiprinimo ir slopinimo juostų forma (pavyzdžiui, garso slėgis). Dviejoms plokštuminėms bangoms juostos yra tiesios, o amplitudė kinta per juosteles pagal fazių skirtumo pokytį. Svarbus ypatingas trukdžių atvejis yra plokštumos bangos pridėjimas, atspindint ją nuo plokštumos ribos; šiuo atveju susidaro stovinčioji banga su mazgų ir antinodų plokštumomis, esančiomis lygiagrečiai sienai.

Garso difrakcija- garso elgesio nukrypimas nuo geometrinės akustikos dėsnių dėl garso bangos pobūdžio. Garso difrakcijos rezultatas yra ultragarso spindulių išsiskyrimas, kai jie tolsta nuo spinduliuotės arba praeina pro skylę ekrane, garso bangos sulenkiamos į šešėlių sritį, esančią už kliūčių, kurios yra didelės, palyginti su bangos ilgiu. šešėlis už kliūčių, kurios yra mažos, palyginti su bangos ilgiu ir pan. terpė, vadinami išsklaidytais laukais. Objektų, kuriuose vyksta garso difrakcija, didelis, palyginti su bangos ilgiu, nukrypimų nuo geometrinio modelio laipsnis priklauso nuo bangos parametro vertės

, (15)

• kur D yra objekto skersmuo (pvz., ultragarso spinduliuotės ar kliūties skersmuo),
• r yra stebėjimo taško atstumas nuo šio objekto

Ultragarso skleidėjai

Ultragarso skleidėjai- prietaisai, naudojami sužadinti ultragarso vibracijas ir bangas dujinėse, skystose ir kietose terpėse. Ultragarso spinduoliai bet kokios rūšies energiją paverčia energija.

Plačiausiai naudojami kaip ultragarso skleidėjai elektroakustiniai keitikliai... Daugumoje šio tipo ultragarso skleidėjų, būtent pjezoelektriniai keitikliai , magnetostrikciniai keitikliai, elektrodinaminiai spinduoliai, elektromagnetiniai ir elektrostatiniai skleidėjai, elektros energija paverčiama bet kurio kieto kūno (skleidžiančios plokštės, strypo, diafragmos ir kt.) vibracine energija, kuri skleidžia akustines bangas į aplinką. Visi šie keitikliai paprastai yra tiesiniai, todėl spinduliuojančios sistemos svyravimai atkuria jaudinančio elektros signalo formą; tik esant labai didelei virpesių amplitudei, esančiai netoli viršutinės ultragarso spinduliuotės dinaminio diapazono ribos, gali atsirasti netiesinių iškraipymų.

Keitikliuose, skirtuose skleisti monochromatinę bangą, naudojamas šis reiškinys rezonansas: jie veikia esant vienam iš natūralių mechaninės virpesių sistemos svyravimų, kurio dažniu yra sureguliuotas elektros virpesių generatorius, kuris sužadina keitiklį. Elektroakustiniai keitikliai, neturintys kietojo kūno spinduliavimo sistemos, palyginti retai naudojami kaip ultragarso skleidėjai; tai apima, pavyzdžiui, ultragarso skleidėjus, pagrįstus skysčio elektros iškrova arba skysčio elektrostrikcija.

Ultragarso keitiklio charakteristikos

Pagrindinės ultragarso skleidėjų savybės yra jų dažnių spektras spinduliavo garso galia, spinduliuotės kryptingumas... Vieno dažnio spinduliuotės atveju pagrindinės charakteristikos yra veikimo dažnis ultragarso skleidėjas ir jo dažnių juosta kurių ribas lemia spinduliuotės galios sumažėjimas du kartus, lyginant su jos verte maksimalios spinduliuotės dažniu. Rezonansinių elektroakustinių keitiklių veikimo dažnis yra natūralus dažnis f 0 keitiklio ir Linijos plotisΔf lemia jo kokybės veiksnys Q.

Ultragarso skleidėjai (elektroakustiniai keitikliai) pasižymi jautrumu, elektroakustiniu efektyvumu ir savo elektrine varža.

Ultragarso keitiklio jautrumas- garso slėgio santykis, esant maksimaliai kryptingumo charakteristikai tam tikru atstumu nuo emiterio (dažniausiai 1 m atstumu), prie jo esančios elektros įtampos arba joje tekančios srovės. Ši charakteristika taikoma ultragarso skleidėjams, naudojamiems garso signalizacijose, sonarų sistemose ir kituose panašiuose prietaisuose. Technologiniais tikslais skleidžiamų teršalų, naudojamų, pavyzdžiui, valymui ultragarsu, krešėjimui, cheminių procesų veikimui, pagrindinė charakteristika yra galia. Kartu su visa spinduliuotės galia, apskaičiuota W, būdingi ultragarso skleidėjai specifinė galia, tai yra vidutinė spinduliuojančio paviršiaus ploto vieneto galia arba vidutinis radiacijos intensyvumas artimame lauke, įvertintas W / m 2.

Akustinę energiją į skleidžiamą aplinką skleidžiančių elektroakustinių keitiklių efektyvumas pasižymi jų verte elektroakustinis efektyvumas, kuris yra skleidžiamos akustinės galios ir suvartotos elektros energijos santykis. Akustoelektronikoje ultragarso skleidėjų efektyvumui įvertinti naudojamas vadinamasis elektros nuostolių koeficientas, kuris yra lygus elektros galios ir akustinės galios santykiui (dB). Ultragarsinių įrankių, naudojamų ultragarsiniam suvirinimui, apdirbimui ir pan., Efektyvumui būdingas vadinamasis efektyvumo koeficientas, kuris yra vibracijos poslinkio amplitudės kvadrato ir koncentratoriaus darbinio galo santykis. keitiklio pagalba. Kartais efektyvus elektromechaninis sukabinimo koeficientas naudojamas energijos konversijai ultragarso spinduliuotėse apibūdinti.

Skleidėjo garso laukas

Keitiklio garso laukas yra padalintas į dvi zonas: artimą ir tolimą zoną. Netoli zonos tai sritis prieš keitiklį, kur aido amplitudė eina per aukštumų ir žemumų serijas. Artimoji zona baigiasi paskutine maksimumu, esančiu N atstumu nuo keitiklio. Yra žinoma, kad paskutinio maksimumo vieta yra natūralus keitiklio dėmesys. Tolimoji zona tai sritis už N, kur garso lauko slėgis palaipsniui mažėja iki nulio.

Paskutinio didžiausio N padėtis akustinėje ašyje savo ruožtu priklauso nuo skersmens ir bangos ilgio, o apskrito disko radiatorius išreiškiamas formule

, (17)

Tačiau kadangi D paprastai yra daug didesnis, lygtį galima supaprastinti ir sumažinti iki formos

Garso lauko charakteristikas lemia ultragarso keitiklio konstrukcija. Vadinasi, garso sklidimas tiriamoje srityje ir jutiklio jautrumas priklauso nuo jo formos.

Ultragarso taikymas

Įvairios ultragarso programos, kuriose naudojamos įvairios jo savybės, gali būti sąlygiškai suskirstytos į tris kryptis. susijęs su informacijos gavimu ultragarso bangomis, - turinčiu aktyvų poveikį medžiagai ir - su signalų apdorojimu ir perdavimu (kryptys išvardytos jų istorinio susidarymo tvarka). Kiekvienam konkrečiam atvejui naudojamas tam tikro dažnių diapazono ultragarsas.

Jei nepertraukiamoje terpėje - dujose, skysčiuose ar kietose medžiagose, terpės dalelės pasirodo išimtos iš pusiausvyros padėties, tada jas veikiančios elastingos jėgos iš kitų dalelių grąžina jas į pusiausvyros padėtį. Tokiu atveju dalelės atliks virpesius. Elastingų vibracijų sklaida ištisinėje terpėje yra į bangą panašus procesas.
Vadinamos vibracijos, kurių dažnis nuo hercų (Hz) iki 20 hercų infragarsinis, dažniu nuo 20 Hz iki 16 ... 20 kHz sukuria virpesius girdimi garsai. Ultragarsiniai virpesiai atitinka dažnius nuo 16 ... 20 kHz iki 10 8 Hz, o virpesiai, kurių dažnis didesnis kaip 10 8 Hz, vadinami hipergarsas... 1.1 paveiksle parodyta logaritminio dažnio skalė, pagrįsta išraiška lg 2 f = 1, 2, 3 ..., n, kur 1, 2, 3 ..., n- oktavos skaičiai.

1.1 pav. Elastinių vibracijų diapazonas medžiagos terpėje

Fizinė elastinių vibracijų prigimtis yra vienoda visame dažnių diapazone. Norėdami suprasti elastinių vibracijų pobūdį, apsvarstykime jų savybes.
Bangos forma yra bangos fronto forma, t.y. taškų rinkinys, turintis tą pačią fazę. Lėktuvo svyravimai sukuria plokštumos garso bangą, jei cilindras tarnauja kaip radiatorius, kuris periodiškai susitraukia ir plečiasi savo spindulio kryptimi, tada atsiranda cilindrinė banga. Taškinis spinduolis arba pulsuojantis rutulys, kurio matmenys yra maži, palyginti su skleidžiamos bangos ilgiu, sukuria sferinę bangą.

Garso bangos klasifikuojamos pagal bangų tipas : jie gali būti išilginiai, skersiniai, lenkiantys, sukantys - priklausomai nuo sužadinimo ir plitimo sąlygų. Skysčiuose ir dujose sklinda tik išilginės bangos; kietose medžiagose taip pat gali atsirasti skersinių ir kitų išvardytų tipų bangų. Išilginėje bangoje dalelių virpesių kryptis sutampa su bangų sklidimo kryptimi (1.2 pav., a), šlyties banga sklinda statmenai dalelių svyravimo krypčiai (1.2 pav., b) .

a) terpės dalelių judėjimas sklindant išilginei bangai; b) terpės dalelių judėjimas sklindant skersinei bangai.

1.2 pav. - Dalelių judėjimas bangų sklidimo metu

Galima apibūdinti bet kokią bangą, kaip svyravimus, sklindančius laike ir erdvėje dažnis , bangos ilgis ir amplitudė (3 pav.). Šiuo atveju bangos ilgis λ yra susijęs su dažniu f per bangos sklidimo tam tikroje medžiagoje greitį c: λ = c / f.

1.3 pav. - Virpesių proceso charakteristikos

1.6 Mažos energijos ultragarso vibracijų praktinis pritaikymas

Mažo intensyvumo (įprastai iki 1 W / cm 2) ultragarsinių vibracijų taikymo sritis yra labai plati ir mes savo ruožtu apsvarstysime keletą pagrindinių mažo intensyvumo ultragarsinių vibracijų taikymo sričių.
1. Ultragarsiniai prietaisai cheminėms savybėms kontroliuotiįvairios medžiagos ir aplinka. Visi jie pagrįsti ultragarso vibracijų greičio keitimu terpėje ir leidžia:
- nustatyti dvejetainių mišinių koncentraciją;
- tirpalų tankis;
- polimerų polimerizacijos laipsnis;
- priemaišų, dujų burbuliukų buvimas tirpaluose;
- nustatyti cheminių reakcijų atsiradimo greitį;
- riebumas piene, grietinėje, grietinėje;
- dispersija nevienalytėse sistemose ir kt.
Šiuolaikinių ultragarso prietaisų skiriamoji geba yra 0,05%, plitimo greičio matavimo tikslumas 1 m ilgio mėginiuose yra 0,5-1 m / s (greitis metale yra didesnis nei 5000 m / s). Beveik visi matavimai atliekami lyginant su standartu.
2. Prietaisai fizinėms ir cheminėms charakteristikoms kontroliuoti pagrįstas ultragarso slopinimo matavimu. Tokie prietaisai leidžia išmatuoti klampumą, matuoti tankį, sudėtį, priemaišų, dujų ir kt. Naudojami metodai taip pat grindžiami lyginamosios analizės metodais.
3. Ultragarsiniai srauto matuokliai skysčiams vamzdynuose... Jų veiksmai taip pat grindžiami ultragarso vibracijų sklidimo greičio išilgai skysčio srauto ir prieš srovę matavimu. Dviejų greičių palyginimas leidžia nustatyti srautą, o esant žinomam dujotiekio skerspjūviui-srautą. Vieno srauto matuoklio pavyzdys (Nr. 15183 Valstybiniame matavimo priemonių registre) parodytas 1.4 paveiksle.

1.4 pav. Stacionarus ultragarsinis srauto matuoklis „AKRON“

Toks srauto matuoklis matuoja tūrinį srautą ir bendrą skysčių, tekančių vandens tiekimo, kanalizacijos ir naftos produktų tiekimo sistemų slėginiuose vamzdynuose, tūrį (kiekį) be prijungimo prie veikiančio vamzdyno. Srauto matuoklio veikimo principas yra išmatuoti ultragarso bangos tranzito laiko skirtumą išilgai srauto ir nuo valdomo skysčio srauto, perskaičiuoti jį į momentinę srauto vertę, vėliau integruojant.
Prietaiso paklaida yra 2% viršutinės matavimo ribos. Viršutinę ir apatinę matavimo ribas nustato operatorius. Srauto matuoklį sudaro jutiklis (susideda iš dviejų ultragarso jutiklių ir prietaiso, skirto jiems pritvirtinti prie vamzdžio) ir elektroninis blokas, prijungtas iki 50 m ilgio radijo dažnio kabeliu (standartiškai 10 m). Jutikliai montuojami tiesioje dujotiekio dalyje ant išorinio paviršiaus, be purvo, dažų ir rūdžių. Tinkamo jutiklių įrengimo sąlyga yra tiesi vamzdžio atkarpa, kurios skersmuo yra ne mažesnis kaip 10 vamzdžių skersmens - priešais ir 5 skersmens - po jutiklių.
4. Lygio rodikliai
Veikimo principas grindžiamas skystų ar birių medžiagų lygio buvimu ultragarso impulsais, einančiais per dujų terpę, ir šių impulsų atspindžio reiškiniu iš „dujomis valdomos terpės“ sąsajos. Šiuo atveju lygio matas yra garso vibracijų sklidimo laikas nuo emiterio iki valdomos sąsajos tarp laikmenos ir atgal į imtuvą. Matavimo rezultatas rodomas asmeniniame kompiuteryje, kuriame visi matavimai yra įsimenami, vėliau galima juos peržiūrėti ir analizuoti, taip pat prisijungti prie automatinės duomenų rinkimo ir apdorojimo sistemos. Lygio matuoklis, kaip sistemos dalis, gali apimti valstybines mašinas, siurblius ir kitus prietaisus, kurių lygis yra didesnis nei didžiausias ir mažesnis už minimalią vertę, o tai leidžia automatizuoti technologinį procesą. Be to, įrašymo įrenginiams suformuojama srovės išvestis (0,5 mA, 0-20 mA).
Lygio jungiklis leidžia stebėti talpyklose esančios terpės temperatūrą. Pagrindinis išvesties formatas yra atstumas nuo bako viršaus iki jame esančios medžiagos paviršiaus. Kliento pageidavimu, pateikus reikiamą informaciją, galima modifikuoti prietaisą, rodantį bake esančios medžiagos aukštį, masę ar tūrį.
5. Dujų sudėties ultragarsiniai analizatoriai yra pagrįsti ultragarso greičio dujų mišinyje priklausomybės naudojimu nuo kiekvieno šio mišinio sudarančių dujų greičio.
6. Apsauginiai ultragarso prietaisai remiantis įvairių ultragarso laukų parametrų matavimais (svyravimų amplitudė, kai tarpas tarp emiterio ir imtuvo sutampa, dažnio pokyčiai atspindint nuo judančio objekto ir kt.).
7. Dujų temperatūros matuokliai ir priešgaisrinės signalizacijos, pagrįstos sklidimo greičio pasikeitimu, kai keičiasi aplinkos temperatūra arba atsiranda dūmų.
8. Neardomieji ultragarso bandymo prietaisai. Neardomasis bandymas yra vienas iš pagrindinių technologinių metodų, užtikrinančių medžiagų ir gaminių kokybę. Be bandymų negalima naudoti daugiau nei vieno produkto. Galite patikrinti bandydami, bet galite išbandyti 1–10 elementų, tačiau negalite patikrinti 100% visų elementų, nes patikrinti - tai reiškia sugadinti visus produktus. Todėl būtina patikrinti jo nesunaikinant.
Vienas iš pigiausių, paprasčiausių ir jautriausių yra ultragarsinis neardomojo bandymo metodas. Pagrindiniai pranašumai prieš kitus neardomuosius bandymo metodus yra šie:

- defektų, esančių giliai medžiagos viduje, aptikimas, kuris tapo įmanomas dėl geresnio įsiskverbimo gebėjimo. Ultragarsinis tyrimas atliekamas iki kelių metrų gylio. Tikrinami įvairūs gaminiai, pavyzdžiui: ilgi plieniniai strypai, sukamieji štampai ir tt;
- didelis jautrumas aptinkant itin mažus kelių milimetrų ilgio defektus;
- tikslus vidinių defektų vietos nustatymas, jų dydžio, krypties, formos ir pobūdžio charakteristikų įvertinimas;
- pakankama prieiga prie tik vienos produkto pusės;
- proceso valdymas elektroninėmis priemonėmis, kuris leidžia beveik akimirksniu nustatyti defektus;
- tūrinis nuskaitymas, leidžiantis ištirti medžiagos tūrį;
- nėra jokių atsargumo priemonių;
- įrangos perkeliamumas.

1.7 Praktinis didelio intensyvumo ultragarsinių vibracijų taikymas

Šiandien pagrindiniai procesai, įgyvendinti ir suintensyvinti naudojant didelės energijos ultragarso vibracijas, paprastai yra suskirstyti į tris pagrindinius pogrupius, priklausomai nuo aplinkos, kurioje jie yra įgyvendinami (1.5 pav.).

1.5 pav. Didelės energijos ultragarso vibracijų taikymas

Priklausomai nuo aplinkos tipo, procesai paprastai skirstomi į procesus skystose, kietose ir termoplastinėse medžiagose bei dujinėse (oro) terpėse. Tolesniuose skyriuose bus išsamiau išnagrinėti procesai ir įtaisai, skirti intensyvinti procesus skystose, kietose ir termoplastinėse medžiagose bei dujinėse terpėse.
Toliau mes apsvarstysime pagrindinių technologijų, įdiegtų naudojant didelės energijos ultragarso vibracijas, pavyzdžius.
1. Matmenų apdorojimas.

Ultragarsinės vibracijos naudojamos trapių ir ypač kietų medžiagų bei metalų apdirbimui.
Pagrindiniai technologiniai procesai, sustiprinti ultragarso vibracijomis, yra gręžimas, įdubimas, sriegimas, vielos traukimas, poliravimas, šlifavimas, sudėtingų skylių gręžimas. Šių technologinių procesų intensyvėjimas atsiranda dėl to, kad prietaisui yra taikomos ultragarsinės vibracijos.
2. Ultragarsinis valymas.
Šiandien yra daug būdų, kaip išvalyti paviršius nuo įvairių teršalų. Ultragarsinis valymas yra greitesnis, užtikrina aukštą kokybę ir plauna sunkiai pasiekiamas vietas. Tai užtikrina labai toksiškų, degių ir brangių tirpiklių pakeitimą paprastu vandeniu.
Naudojant aukšto dažnio ultragarso vibracijas, automobilių karbiuratoriai ir purkštukai valomi per kelias minutes.
Valymo pagreitėjimo priežastis yra kavitacija - ypatingas reiškinys, kai skystyje susidaro mažiausi dujų burbuliukai. Šie burbuliukai sprogo (sprogo) ir sukuria galingas vandens sroves, kurios nuplauna visus nešvarumus. Tai principas, kad skalbimo mašinos ir mažos skalbimo mašinos egzistuoja šiandien. Kavitacijos proceso įgyvendinimo ypatybės ir jo galimybės bus nagrinėjamos atskirai. UZ valo metalus nuo poliravimo pastų, valcuotus gaminius nuo masto, brangakmenius iš poliravimo vietų. Spausdinimo plokščių valymas, audinių plovimas, ampulių plovimas. Sudėtingų vamzdynų valymas. Be valymo, ultragarsu galima pašalinti mažus įbrėžimus, poliravimą.
Ultragarsinis poveikis skystoje terpėje naikina mikroorganizmus, todėl yra plačiai naudojamas medicinoje ir mikrobiologijoje.
Taip pat galimas kitas ultragarso valymas.
- dūmų valymas iš kietų dalelių ore. Tam taip pat naudojamas ultragarsinis rūko ir dūmų poveikis. Dalelės ultragarso lauke pradeda aktyviai judėti, susiduria ir sulimpa ir nusėda ant sienų. Šis reiškinys vadinamas ultragarso krešėjimu ir naudojamas kovai su rūku aerodromuose, keliuose ir jūrų uostuose.
3. Ultragarsinis suvirinimas.
Šiuo metu, naudojant didelio intensyvumo ultragarsines vibracijas, suvirinamos polimerinės termoplastinės medžiagos. Polietileno vamzdžių, dėžių, skardinių suvirinimas užtikrina puikų sandarumą. Skirtingai nuo kitų metodų, užterštus plastikus, skysčius mėgintuvėlius ir kt. Galima virti ultragarsu. Tokiu atveju turinys sterilizuojamas.
Ultragarsinis suvirinimas naudojamas ploniausiai folijai ar vielai suvirinti prie metalinės dalies. Be to, ultragarsinis suvirinimas yra šaltas suvirinimas, nes siūlė susidaro esant žemesnei lydymosi temperatūrai. Taigi aliuminis, tantalis, cirkonis, niobis, molibdenas ir kt.
Šiuo metu ultragarsinis suvirinimas yra didžiausias pritaikymas greitajam pakavimo procesui ir polimerinių pakavimo medžiagų gamybai.
4. Litavimas ir skardinimas
Aukšto dažnio ultragarso virpesių pagalba aliuminis yra lituojamas. Ultragarso pagalba galima alavuoti, o po to lituoti keramiką, stiklą, kas anksčiau buvo neįmanoma. Feritai, puslaidininkių kristalų litavimas į auksu padengtus korpusus šiandien realizuojami naudojant ultragarso technologiją.
5. Ultragarsas šiuolaikinėje chemijoje
Šiuo metu, kaip matyti iš literatūros šaltinių, susiformavo nauja chemijos kryptis - ultragarsinė chemija. Tyrinėdami chemines transformacijas, kurios vyksta veikiant ultragarsui, mokslininkai nustatė, kad ultragarsas ne tik pagreitina oksidaciją, bet kai kuriais atvejais suteikia redukuojantį poveikį. Taigi geležis redukuojama iš oksidų ir druskų.
Geri geri teigiami rezultatai intensyvinant šių cheminių-technologinių procesų ultragarsą:
- elektrodinis nusodinimas, polimerizacija, depolimerizacija, oksidacija, redukcija, dispersija, emulsinimas, aerozolio krešėjimas, homogenizavimas, impregnavimas, tirpinimas, purškimas, džiovinimas, degimas, rauginimas ir kt.
Elektrodegradacija - nusėdęs metalas įgauna smulkių kristalų struktūrą, akytumas mažėja. Taigi atliekamas vario dengimas, skardinimas, sidabravimas. Procesas yra greitesnis, o dangos kokybė aukštesnė nei naudojant įprastas technologijas.
Emulsijų gavimas: vanduo ir riebalai, vanduo ir eteriniai aliejai, vanduo ir gyvsidabris. Maišymo barjeras įveikiamas ultragarsu.
Polimerizacija (molekulių derinys į vieną) - polimerizacijos laipsnį reguliuoja ultragarso dažnis.
Dispersija - labai smulkių pigmentų gavimas dažams gauti.
Džiovinimas - biologiškai aktyvios medžiagos be kaitinimo. Maisto, farmacijos pramonėje.
Purškiami skysčiai ir tirpsta. Procesų intensyvinimas purškiamose džiovyklose. Metalo miltelių gavimas iš lydymosi. Šie purškimo įtaisai pašalina besisukančias ir besitrinančias dalis.
Ultragarsas 20 kartų padidina skysto ir kieto kuro degimo efektyvumą.
Įmirkymas. Skystis šimtus kartų greičiau praeina pro impregnuotos medžiagos kapiliarus. Jis naudojamas stogo dangoms, pabėgiams, cemento plokštėms, tekstolitui, getinaksui, medienos impregnavimui modifikuotomis dervomis gaminti
6. Ultragarsas metalurgijoje.
- Yra žinoma, kad lydydamiesi metalai sugeria aliuminio ir jo lydinių dujas. 80% visų išlydyto metalo dujų yra H2. Dėl to pablogėja metalo kokybė. Dujos gali būti pašalintos naudojant ultragarsą, o tai leido mūsų šalyje sukurti specialų technologinį ciklą ir plačiai jį naudoti metalų gamyboje.
- Ultragarsas stimuliuoja metalų sukietėjimą
- Miltelių metalurgijoje ultragarsas skatina pagamintos medžiagos dalelių sukibimą. Tai pašalina aukšto slėgio sandarinimo poreikį.
7. UZ kasyboje.
Naudojant ultragarsą, galima įdiegti šias technologijas:
- parafino pašalinimas iš naftos gręžinių sienų;
- metano sprogimų pašalinimas kasyklose dėl jo purškimo;
- Rūdų sodrinimas ultragarsu (flotacijos metodas naudojant ultragarsą).
8. KM žemės ūkyje.
Ultragarsiniai boono virpesiai maloniai veikia sėklas ir grūdus prieš juos sodinant. Taigi, pomidorų sėklų apdorojimas prieš sodinimą padidina vaisių skaičių, sumažina nokinimo laiką ir padidina vitaminų kiekį.
Ultragarsinis melionų ir kukurūzų sėklų apdorojimas padidina derlių 40%.
Apdorojant ultragarso sėklas, galima užtikrinti dezinfekciją ir iš skysčio įvesti reikiamus mikroelementus
9. Maisto pramonė.
Praktiškai šiandien jau diegiamos šios technologijos:
- pieno apdorojimas homogenizavimo sterilizavimui;
- Perdirbimas siekiant padidinti šaldyto pieno galiojimo laiką ir kokybę
- gauti aukštos kokybės pieno miltelius;
- gauti emulsijų kepimui;
- Mielių perdirbimas 15% padidina jų fermentacijos galią;
- aromatinių medžiagų gavimas, bulvių košė, riebalų išėmimas iš kepenų;
- Dantų akmenų paskirstymas;
- augalinės ir gyvulinės kilmės žaliavų gavyba;
- Kvepalų gamyba (6 ... 8 valandos vietoj metų).
10. Ultragarsas biologijoje.
- didelės ultragarso dozės naikina mikroorganizmus (stafilokokus, streptokokus, virusus);
- mažas ultragarso poveikio intensyvumas skatina mikroorganizmų kolonijų augimą;
11. Įtaka žmogui.
Ultragarso ekspozicija, kurios intensyvumas yra iki 0,1 ... 0,4 W / cm, turi terapinį poveikį. Amerikoje iki 0,8 W / cm intensyvumo poveikis laikomas gydomuoju.
12. Medicinoje.
Plačiai naudojami ultragarsiniai skalpeliai, išorinio ir vidinio riebalų nusiurbimo prietaisai, laparoskopiniai instrumentai, inhaliatoriai, masažuokliai, galintys gydyti įvairias ligas.
Šis paskaitų kursas skirtas išankstiniam įvairių pramonės šakų studentų, magistrantų, inžinierių ir technologų supažindinimui su ultragarso technologijų pagrindais ir skirtas suteikti pagrindines žinias apie ultragarso vibracijų susidarymo teoriją ir ultragarso naudojimo praktiką. didelio intensyvumo vibracijos.

XIX amžiaus pabaigoje vystantis akustikai, buvo atrastas ultragarsas, tuo pačiu metu pradėti pirmieji ultragarso tyrimai, tačiau pagrindai jo taikymui buvo padėti tik XX amžiaus pirmąjį trečdalį.

Ultragarsas ir jo savybės

Gamtoje ultragarsas randamas kaip daugelio natūralių triukšmų sudedamoji dalis: vėjo, krioklio, lietaus, banglenčių ridenamų jūros akmenukų triukšme, žaibo iškrovose. Daugelis žinduolių, tokių kaip katės ir šunys, turi galimybę suvokti ultragarsą iki 100 kHz dažniu, o šikšnosparnių, naktinių vabzdžių ir jūrų gyvūnų vietos nustatymo galimybės yra gerai žinomos visiems.

Ultragarsas- mechaninės vibracijos, esančios virš žmogaus ausiai girdimo dažnių diapazono (paprastai 20 kHz). Ultragarso virpesiai sklinda bangos pavidalu, panašiai kaip šviesos sklidimas. Tačiau, skirtingai nei šviesos bangos, kurios gali sklisti vakuume, ultragarsu reikalinga elastinga terpė, tokia kaip dujos, skystis ar kieta medžiaga.

Pagrindiniai bangos parametrai yra bangos ilgis, dažnis ir periodas. Ultragarso bangos savo pobūdžiu nesiskiria nuo girdimo diapazono bangų ir paklūsta tiems patiems fiziniams įstatymams. Tačiau ultragarsas turi specifinių savybių, kurios nulėmė jo platų pritaikymą moksle ir technologijoje. Štai pagrindiniai:

• 1. Mažas bangos ilgis. Esant žemiausiam ultragarso diapazonui, bangos ilgis daugelyje terpių neviršija kelių centimetrų. Trumpas bangos ilgis lemia ultragarso bangų sklidimo spindulių charakterį. Netoli spinduliuotės ultragarsas plinta spindulių pavidalu, kurio dydis yra artimas spinduliuotės dydžiui. Kai terpė pasiekia nevienalytiškumą terpėje, ultragarsinis spindulys elgiasi kaip šviesos spindulys, patiria atspindį, lūžimą, sklaidą, o tai leidžia formuoti garso vaizdus optiškai nepermatomoje laikmenoje naudojant grynai optinius efektus (fokusavimą, difrakciją ir kt.).
• 2. Trumpas svyravimų laikotarpis, leidžiantis skleisti ultragarsą impulsų pavidalu ir tiksliai nustatyti laiko sklidimo signalus terpėje.

Galimybė gauti nedideles amplitudės aukštas vibracijos energijos vertes, nes vibracijos energija yra proporcinga dažnio kvadratui. Tai leidžia sukurti didelio energijos lygio ultragarsines sijas ir laukus, nereikalaujant didelio dydžio įrangos.

Ultragarso srityje išsivysto didelės akustinės srovės. Todėl ultragarso poveikis aplinkai sukelia specifinį poveikį: fizinį, cheminį, biologinį ir medicininį. Tokie kaip kavitacija, garso kapiliarų efektas, dispersija, emulsinimas, degazavimas, dezinfekcija, vietinis šildymas ir daugelis kitų.

Vadovaujančių galių - Anglijos ir Prancūzijos - karinio jūrų laivyno poreikiai tyrinėti jūros gelmes sukėlė daugelio mokslininkų susidomėjimą akustikos sritimi, tk. tai vienintelis signalo tipas, galintis toli keliauti vandenyje. Taigi 1826 m. Prancūzų mokslininkas Colladonas nustatė garso greitį vandenyje. 1838 m. Jungtinėse Amerikos Valstijose garsas pirmą kartą buvo naudojamas jūros dugno profiliui nustatyti, siekiant nutiesti telegrafo kabelį. Eksperimento rezultatai nuvylė. Varpelio garsas davė per silpną aidą, beveik negirdimą tarp kitų jūros garsų. Reikėjo eiti į aukštesnių dažnių regioną, leidžiantį sukurti nukreiptus garso spindulius.

Pirmąjį ultragarso generatorių 1883 metais pagamino anglas Francis Galtonas. Ultragarsas buvo sukurtas kaip švilpukas ant peilio galiuko. Tokio taško vaidmenį Galtono švilpuke atliko cilindras aštriais kraštais. Oras ar kitos dujos, išeinančios slėgiu per žiedinį purkštuką, kurio skersmuo yra toks pat kaip cilindro kraštas, pateko į kraštą ir įvyko aukšto dažnio virpesiai. Pūtus švilpuką vandeniliu, buvo galima gauti iki 170 kHz vibracijas.

1880 m. Pierre'as ir Jacques'as Curie padarė lemiamą ultragarso technologijos atradimą. Broliai Curie pastebėjo, kad spaudžiant kvarco kristalus susidaro elektros krūvis, kuris yra tiesiogiai proporcingas kristalui taikomai jėgai. Šis reiškinys buvo pavadintas „pjezoelektrumu“ iš graikų kalbos žodžio, reiškiančio „stumti“. Be to, jie pademonstravo priešingą pjezoelektrinį efektą, kuris pasireiškė, kai kristalui buvo pritaikytas greitai kintantis elektrinis potencialas, dėl kurio jis pradėjo vibruoti. Nuo šiol yra techninė galimybė gaminti mažo dydžio skleidėjus ir ultragarso imtuvus.

„Titaniko“ mirtis nuo susidūrimo su ledkalniu, būtinybė kovoti su naujais ginklais - povandeniniai laivai reikalavo spartios ultragarsinės hidroakustikos plėtros. 1914 metais prancūzų fizikas Paulas Langevinas kartu su talentingu rusų emigrantu mokslininku Konstantinu Vasiljevičiumi Šilovskiu pirmą kartą sukūrė sonarą, susidedantį iš ultragarso skleidėjo ir hidrofono - ultragarsinių virpesių imtuvo, pagrįsto pjezoelektriniu efektu. Sonaras Langevinas - Šilovskis, buvo pirmasis ultragarso aparatas pritaikytas praktikoje. Tuo pat metu rusų mokslininkas S.Y. Sokolovas sukūrė ultragarso trūkumų aptikimo pramonėje pagrindus. 1937 metais vokiečių psichiatras Karlas Dussikas kartu su broliu fiziku Friedrichu pirmą kartą ultragarsu nustatė smegenų auglius, tačiau jų gauti rezultatai buvo nepatikimi. Medicinos praktikoje ultragarsas pirmą kartą buvo naudojamas tik 1950 -aisiais JAV.

XXI amžius yra radijo elektronikos, atomo, kosmoso užkariavimo ir ultragarso amžius. Ultragarso mokslas šiais laikais yra palyginti jaunas. Pabaigoje pirmuosius tyrimus atliko rusų fiziologas P. N. Lebedevas. Po to daugelis puikių mokslininkų pradėjo studijuoti ultragarsą.

Kas yra ultragarsas?

Ultragarsas yra sklindanti banga, kurią sukuria terpės dalelės. Jis turi savo ypatybes, kurios skiriasi nuo girdimo diapazono garsų. Gana lengva gauti kryptinę spinduliuotę ultragarso diapazone. Be to, jis gerai sufokusuoja, todėl padidėja atliekamų vibracijų intensyvumas. Dauginant kietosiomis medžiagomis, skysčiais ir dujomis, ultragarsu atsiranda įdomių reiškinių, kurie buvo praktiškai pritaikyti daugelyje technologijų ir mokslo sričių. Būtent tai yra ultragarsas, kurio vaidmuo įvairiose gyvenimo srityse šiandien yra labai didelis.

Ultragarso vaidmuo moksle ir praktikoje

Pastaraisiais metais ultragarsas pradėjo atlikti vis didesnį vaidmenį atliekant mokslinius tyrimus. Sėkmingai buvo atlikti eksperimentiniai ir teoriniai tyrimai akustinių srautų ir ultragarsinės kavitacijos srityje, o tai leido mokslininkams sukurti technologinius procesus, kurie atsiranda veikiant ultragarsu skystoje fazėje. Tai galingas metodas tiriant įvairius reiškinius tokioje žinių srityje kaip fizika. Ultragarsas naudojamas, pavyzdžiui, puslaidininkių ir kietojo kūno fizikoje. Šiandien formuojama atskira chemijos sritis, vadinama „ultragarso chemija“. Jo taikymas leidžia pagreitinti daugelį cheminių technologinių procesų. Taip pat gimė molekulinė akustika - nauja akustikos šaka, tirianti molekulinę sąveiką su medžiaga. Atsirado naujos ultragarso taikymo sritys: holografija, introskopija, akustoelektronika, ultragarso fazės matavimas ir kvantinė akustika.

Be eksperimentinio ir teorinio darbo šioje srityje, šiandien buvo atlikta daug praktinių. Buvo sukurtos specialios ir universalios ultragarso mašinos, įrenginiai, veikiantys esant padidintam statiniam slėgiui ir kt. Į gamybą buvo įtraukti ultragarsiniai automatiniai įrenginiai, įtraukti į gamybos linijas, o tai gali žymiai padidinti darbo našumą.

Daugiau apie ultragarsą

Pakalbėkime išsamiau apie tai, kas yra ultragarsas. Mes jau sakėme, kad ši elastinga banga ir ultragarsas yra daugiau nei 15-20 kHz. Subjektyvios mūsų klausos savybės lemia apatinę ultragarso dažnių ribą, kuri atskiria ją nuo girdimo garso dažnio. Todėl ši riba yra sąlyginė, ir kiekvienas iš mūsų skirtingai apibrėžia, kas yra ultragarsas. Viršutinę ribą rodo elastingos bangos, jų fizinis pobūdis. Jie sklinda tik materialioje aplinkoje, tai yra, bangos ilgis turėtų būti žymiai didesnis nei vidutinis laisvas molekulių kelias dujose arba tarpatominiai atstumai kietosiose ir skysčio vietose. Esant normaliam dujų slėgiui, viršutinė ultragarso dažnių riba yra 10 9 Hz, o kietosiose medžiagose ir skysčiuose - 10 12 -10 13 Hz.

Ultragarso šaltiniai

Ultragarsas gamtoje vyksta tiek kaip daugelio natūralių triukšmų (krioklio, vėjo, lietaus, banglenčių ridenamų akmenukų, tiek perkūnijos iškrovos lydimų garsų ir kt.) Sudedamoji dalis, tiek kaip neatsiejama gyvūnų pasaulio dalis. Kai kurios gyvūnų rūšys jį naudoja orientacijai erdvėje, kliūtims aptikti. Taip pat žinoma, kad delfinai gamtoje naudoja ultragarsą (dažniausiai dažnius nuo 80 iki 100 kHz). Tokiu atveju jų skleidžiamų radaro signalų galia gali būti labai didelė. Yra žinoma, kad delfinai sugeba aptikti tuos, kurie yra iki kilometro atstumu nuo jų.

Ultragarso skleidėjai (šaltiniai) yra suskirstyti į 2 dideles grupes. Pirmasis yra generatoriai, kuriuose virpesiai sužadinami dėl juose esančių kliūčių, sumontuoti nuolatinio srauto kelyje - skysčio ar dujų srove. Antroji grupė, į kurią galima sujungti ultragarso šaltinius, yra elektroakustiniai keitikliai, kurie tam tikrus srovės ar elektros įtampos svyravimus paverčia mechaniniais virpesiais, kuriuos atlieka kietas kūnas, skleidžiantis akustines bangas į aplinką.

Ultragarso imtuvai

Vidutinio ir ultragarso imtuvuose elektroakustiniai keitikliai dažniausiai yra pjezoelektrinio tipo. Jie gali atkurti gauto garso signalo formą, vaizduojamą kaip garso slėgio priklausomybė nuo laiko. Įrenginiai gali būti plačiajuosčiai arba rezonansiniai, priklausomai nuo taikymo, kuriam jie yra skirti. Šiluminiai imtuvai naudojami norint gauti laiko vidurkio garso lauko charakteristikas. Tai termistoriai arba termoporos, padengtos garsą sugeriančia medžiaga. Garso slėgį ir intensyvumą taip pat galima įvertinti optiniais metodais, tokiais kaip šviesos difrakcija ultragarsu.

Kur naudojamas ultragarsas?

Yra daug jo taikymo sričių, naudojamos įvairios ultragarso funkcijos. Šias sferas galima apytiksliai suskirstyti į tris kryptis. Pirmasis iš jų yra susijęs su įvairios informacijos gavimu ultragarso bangomis. Antroji kryptis yra jo aktyvus poveikis medžiagai. Ir trečias yra susijęs su signalų perdavimu ir apdorojimu. Kiekvienu atveju naudojamas tam tikras UZ. Apžvelgsime tik keletą iš daugelio sričių, kuriose ji buvo pritaikyta.

Valymas ultragarsu

Tokio valymo kokybės negalima lyginti su kitais metodais. Pavyzdžiui, kai skalaujamos dalys, ant jų paviršiaus lieka iki 80% užteršimo, apie 55% - valant vibraciją, apie 20% - valant rankiniu būdu, o naudojant ultragarsinį valymą, lieka ne daugiau kaip 0,5% užteršimo. Sudėtingos formos dalis galima gerai išvalyti tik ultragarsu. Svarbus jo naudojimo privalumas yra didelis produktyvumas ir mažos fizinio darbo sąnaudos. Be to, brangius ir degius organinius tirpiklius galima pakeisti pigiais ir saugiais vandeniniais tirpalais, naudoti skystą freoną ir kt.

Rimta problema yra oro užteršimas suodžiais, dūmais, dulkėmis, metalo oksidais ir tt Nepriklausomai nuo aplinkos drėgmės ir temperatūros, galite naudoti ultragarsinį oro ir dujų valymo metodą dujų išleidimo angose. Jei ultragarso skleidėjas įdedamas į dulkių nusodinimo kamerą, jo efektyvumas padidės šimtus kartų. Kokia tokio valymo esmė? Dulkių dalelės, atsitiktinai judančios ore, veikiamos ultragarso vibracijų vis labiau ir labiau atsitrenkia viena į kitą. Tuo pačiu metu jų dydis padidėja dėl to, kad jie susilieja. Krešėjimas yra dalelių padidėjimo procesas. Specialūs filtrai sulaiko jų svertines ir padidintas sankaupas.

Mechaninis trapių ir itin kietų medžiagų apdorojimas

Jei ultragarsu įterpiama tarp ruošinio ir įrankio darbinio paviršiaus, abrazyvinės dalelės, veikiančios emiterį, veikia šios dalies paviršių. Tuo pačiu metu medžiaga sunaikinama ir pašalinama, apdorojama veikiant daugeliui nukreiptų mikro smūgių. Apdorojimo kinematika susideda iš pagrindinio judesio - pjovimo, tai yra išilginių įrankio atliekamų vibracijų, ir pagalbinio - padavimo judesio, kurį atlieka aparatas.

Ultragarsas gali atlikti įvairius darbus. Išilginės vibracijos yra energijos šaltinis abrazyviniams grūdams. Jie sunaikina apdorotą medžiagą. Pašarų judėjimas (pagalbinis) gali būti apskritas, skersinis ir išilginis. Ultragarsinis apdorojimas yra labai tikslus. Priklausomai nuo abrazyvo dydžio, jis yra nuo 50 iki 1 mikrono. Naudodami skirtingų formų įrankius, galite padaryti ne tik skyles, bet ir sudėtingus pjūvius, išlenktus kirvius, graviruoti, šlifuoti, gaminti štampus ir net gręžti deimantą. Medžiagos, naudojamos kaip abrazyvas, yra korundas, deimantas, kvarcinis smėlis, titnagas.

Ultragarsas elektronikoje

Ultragarsas technologijoje dažnai naudojamas radijo elektronikos srityje. Šioje srityje dažnai reikia atidėti elektros signalą, palyginti su kitu. Mokslininkai rado sėkmingą sprendimą, siūlydami naudoti ultragarso uždelsimo linijas (sutrumpintai kaip LZ). Jų veiksmai pagrįsti tuo, kad elektros impulsai paverčiami ultragarsu.Kaip tai atsitinka? Faktas yra tas, kad ultragarso greitis yra žymiai mažesnis nei tas, kurį sukuria elektromagnetiniai virpesiai. Įtampos impulsas po atvirkštinio pavertimo elektrinėmis mechaninėmis vibracijomis bus atidėtas ties linijos išėjimu, palyginti su įėjimo impulsu.

Pjezoelektriniai ir magnetostrikciniai keitikliai naudojami elektrinėms vibracijoms paversti mechaninėmis ir atvirkščiai. LZ atitinkamai skirstomi į pjezoelektrinius ir magnetostrikcinius.

Ultragarsas medicinoje

Norint paveikti gyvus organizmus, naudojami įvairūs ultragarso tipai. Medicinos praktikoje jo naudojimas dabar yra labai populiarus. Jis pagrįstas poveikiu, kuris atsiranda biologiniuose audiniuose, kai pro juos praeina ultragarsas. Bangos sukelia terpės dalelių vibracijas, o tai sukuria audinių mikromasažą. Ir ultragarso absorbcija lemia jų vietinį šildymą. Tuo pačiu metu biologinėje terpėje vyksta tam tikros fizikinės ir cheminės transformacijos. Šie reiškiniai vidutinės negrįžtamos žalos atveju nesukelia. Jie tik gerina medžiagų apykaitą, todėl prisideda prie gyvybinio organizmo, kuriam jie veikia, veiklos. Tokie reiškiniai naudojami ultragarso terapijoje.

Ultragarsas chirurgijoje

Kavitacija ir stiprus kaitinimas dideliu intensyvumu sukelia audinių sunaikinimą. Šis efektas šiandien naudojamas chirurgijoje. Chirurginėms operacijoms naudojamas židinio ultragarsas, leidžiantis sunaikinti giliausius darinius (pavyzdžiui, smegenis), nepažeidžiant aplinkinių. Chirurgijoje taip pat naudojami ultragarsiniai instrumentai, kurių darbinis galas atrodo kaip dildė, skalpelis, adata. Ant jų esanti vibracija suteikia šiems prietaisams naujų savybių. Reikalingos pastangos yra žymiai sumažintos, todėl operacijos sužalojimo lygis sumažėja. Be to, pasireiškia analgezinis ir hemostazinis poveikis. Smūgis su buku instrumentu, naudojant ultragarsą, naudojamas tam tikrų tipų neoplazmų, atsiradusių organizme, naikinimui.

Poveikis biologiniams audiniams atliekamas siekiant sunaikinti mikroorganizmus ir naudojamas sterilizuojant vaistus ir medicinos instrumentus.

Vidaus organų tyrimas

Iš esmės mes kalbame apie pilvo ertmės tyrimą. Šiuo tikslu specialus gali būti naudojamas įvairioms audinių ir anatominių struktūrų anomalijoms surasti ir atpažinti. Užduotis dažnai yra tokia: yra įtarimas dėl piktybinio darinio buvimo ir reikalaujama jį atskirti nuo gerybinio ar infekcinio darinio.

Ultragarsas yra naudingas tiriant kepenis ir sprendžiant kitas problemas, įskaitant tulžies latakų obstrukciją ir ligas, taip pat tulžies pūslės tyrimą, siekiant nustatyti akmenis ir kitas patologijas. Be to, gali būti taikomas cirozės ir kitų difuzinių gerybinių kepenų ligų tyrimas.

Ginekologijos srityje, daugiausia analizuojant kiaušides ir gimdą, ultragarso naudojimas jau seniai yra pagrindinė kryptis, kuria ji atliekama ypač sėkmingai. Dažnai čia taip pat reikia diferencijuoti gerybinius ir piktybinius darinius, kuriems paprastai reikalingas geriausias kontrastas ir erdvinė skiriamoji geba. Panašios išvados gali būti naudingos tiriant daugelį kitų vidaus organų.

Ultragarso naudojimas odontologijoje

Ultragarsas taip pat pateko į odontologiją, kur jis pašalina dantų akmenis. Tai leidžia greitai, be kraujo ir neskausmingai pašalinti apnašas ir akmenis. Tokiu atveju burnos gleivinė nėra sužeista, o ertmės „kišenės“ dezinfekuojamos. Vietoj skausmo pacientas patiria šilumos pojūtį.

Ultragarsas

Ultragarsas- elastingos vibracijos, kurių dažnis viršija žmogaus klausos ribas. Dažnis, viršijantis 18 000 hercų, paprastai laikomas ultragarso diapazonu.

Nors ultragarso egzistavimas žinomas jau seniai, jo praktinis panaudojimas yra gana jaunas. Šiuo metu ultragarsas yra plačiai naudojamas įvairiems fiziniams ir technologiniams metodams. Taigi, atsižvelgiant į garso sklidimo terpėje greitį, galima spręsti apie jo fizines savybes. Greičio matavimai ultragarso dažniais leidžia su labai mažomis klaidomis nustatyti, pavyzdžiui, greitųjų procesų adiabatines charakteristikas, dujų savitosios šilumos talpos vertes ir kietųjų medžiagų elastines konstantas.

Ultragarso šaltiniai

Pramonėje ir biologijoje naudojamų ultragarsinių vibracijų dažnis yra kelių MHz diapazone. Tokios vibracijos dažniausiai sukuriamos naudojant pjezoelektrinius bario titanito keitiklius. Tais atvejais, kai ultragarso virpesių galia yra svarbiausia, dažniausiai naudojami mechaniniai ultragarso šaltiniai. Iš pradžių visos ultragarso bangos buvo gautos mechaniškai (kamertonai, švilpukai, sirenos).

Gamtoje ultragarsas randamas ir kaip daugelio natūralių triukšmų sudedamoji dalis (vėjo, krioklio, lietaus triukšme, banglenčių riedamų akmenukų triukšme, žaibo išlydį lydinčiuose garsuose ir kt.), Ir tarp gyvūnų pasaulio garsai. Kai kurie gyvūnai naudoja ultragarso bangas, kad aptiktų kliūtis ir orientuotųsi erdvėje.

Ultragarso skleidėjus galima suskirstyti į dvi dideles grupes. Pirmasis apima spinduliuotės generatorius; vibracijos juose sužadinamos dėl to, kad nuolatinio srauto kelyje yra kliūčių - dujų ar skysčio srove. Antroji skleidėjų grupė yra elektroakustiniai keitikliai; jie jau nurodytus elektros įtampos ar srovės svyravimus paverčia mechanine kietosios medžiagos vibracija, kuri į aplinką skleidžia akustines bangas.

Galtono švilpukas

Pirmąjį ultragarsinį švilpuką 1883 metais pagamino anglas Galtonas. Ultragarsas čia sukuriamas kaip aukštas garsas ant peilio krašto, kai į jį patenka oro srovė. Tokio patarimo vaidmenį Galtono švilpuke atlieka „lūpa“ mažoje cilindrinėje rezonanso ertmėje. Aukšto slėgio dujos, praeinančios per tuščiavidurį cilindrą, atsitrenkia į šią „lūpą“; atsiranda vibracijos, kurių dažnį (jis yra apie 170 kHz) lemia purkštuko ir lūpos dydis. Galtono švilpuko galia yra maža. Jis daugiausia naudojamas komandoms duoti dresuojant šunis ir kates.

Skystas ultragarsinis švilpukas

Dauguma ultragarsinių švilpukų gali būti pritaikyti veikti skystoje aplinkoje. Lyginant su elektriniais ultragarso šaltiniais, skysti ultragarsiniai švilpukai yra mažos galios, tačiau kartais, pavyzdžiui, ultragarsiniam homogenizavimui, jie turi didelį pranašumą. Kadangi ultragarso bangos kyla tiesiai į skystą terpę, ultragarso bangų energija neprarandama pereinant iš vienos terpės į kitą. Bene sėkmingiausias yra skysto ultragarsinio švilpuko dizainas, kurį 1950 -ųjų pradžioje padarė anglų mokslininkai Kottelis ir Goodmanas. Jame aukšto slėgio skysčio srautas išeina iš elipsės formos purkštuko ir nukreipiamas į plieninę plokštę. Norint gauti vienalytę terpę, plačiai naudojamos įvairios šio dizaino modifikacijos. Dėl savo dizaino paprastumo ir stabilumo (sunaikinama tik svyruojanti plokštė), tokios sistemos yra patvarios ir nebrangios.

Sirena

Kitas mechaninių ultragarso šaltinių tipas yra sirena. Jis turi gana didelę galią ir yra naudojamas policijos ir priešgaisrinėse mašinose. Visos sukamosios sirenos susideda iš kameros, uždarytos iš viršaus disku (statoriumi), kuriame padaryta daug skylių. Tiek pat skylių yra ant disko, besisukančio kameros viduje - rotoriaus. Kai rotorius sukasi, skylių padėtis jame periodiškai sutampa su statoriaus skylių padėtimi. Į kamerą nuolat tiekiamas suslėgtas oras, kuris iš jos išmetamas per tas trumpas akimirkas, kai sutampa rotoriaus ir statoriaus skylės.

Pagrindinis sirenų gamybos uždavinys yra, pirma, padaryti rotoriuje kuo daugiau skylių, ir, antra, pasiekti didelį jo sukimosi greitį. Tačiau praktiškai įvykdyti abu šiuos reikalavimus yra labai sunku.

Ultragarsas gamtoje

Ultragarso taikymas

Ultragarso diagnostinis naudojimas medicinoje (ultragarsas)

Dėl gero ultragarso sklidimo žmogaus minkštuosiuose audiniuose, santykinio nekenksmingumo, palyginti su rentgeno spinduliais, ir naudojimo paprastumo, palyginti su magnetinio rezonanso tomografija, ultragarsas yra plačiai naudojamas žmogaus vidaus organų būklei vizualizuoti, ypač pilvo ertmėje. ir dubens ertmė.

Terapinis ultragarso naudojimas medicinoje

Be to, kad ultragarsas yra plačiai naudojamas diagnostikos tikslais (žr. Ultragarsas), medicinoje ultragarsas naudojamas kaip terapinė priemonė.

Ultragarsas turi tokį poveikį:

• priešuždegiminis, absorbuojamas
• analgetikas, antispazminis
• odos pralaidumo kavitacija

Fonoforezė yra kombinuotas metodas, kai audiniai veikiami ultragarsu ir jo pagalba įvedamos vaistinės medžiagos (tiek vaistai, tiek natūralios kilmės). Medžiagų laidumas veikiant ultragarsu yra susijęs su padidėjusiu epidermio ir odos liaukų, ląstelių membranų ir kraujagyslių sienelių pralaidumu mažos molekulinės masės medžiagoms, ypač bischofito mineralų jonams. Vaistų ir natūralių medžiagų ultrafonoforezės patogumas:

• vaistinė medžiaga nesunaikinama skiriant ultragarsu
• ultragarso ir terapinės medžiagos veikimo sinergija

Bischofito ultrafonoforezės indikacijos: osteoartritas, osteochondrozė, artritas, bursitas, epikondilitas, kulno atšaka, būklės po raumenų ir kaulų sistemos sužalojimų; Neuritas, neuropatija, radikulitas, neuralgija, nervų pažeidimas.

Užtepamas Bischofite gelis, o paveiktos srities mikromasažas atliekamas skleidėjo darbiniu paviršiumi. Technika yra nestabili, įprasta fonoforezei (esant sąnarių, stuburo UVF, intensyvumas gimdos kaklelio srityje yra 0,2-0,4 W / cm2, krūtinės ląstos ir juosmens srityje-0,4-0,6 W / cm2).

Metalo pjovimas ultragarsu

Įprastose metalo pjovimo staklėse negalima išgręžti siauros, sudėtingos skylės metalinėje dalyje, pavyzdžiui, penkiakampės žvaigždės pavidalu. Ultragarso pagalba magnetostrikcinis vibratorius gali išgręžti bet kokios formos skylę. Ultragarsinis kaltas visiškai pakeičia frezavimo staklę. Be to, toks kaltas yra daug paprastesnis nei frezavimo staklės ir jis gali apdoroti metalines dalis pigiau ir greičiau nei frezavimo staklės.

Jūs netgi galite naudoti ultragarsą, kad padarytumėte metalinių dalių, stiklo, rubino ar deimantų varžtus. Paprastai siūlai pirmiausia gaminami iš minkšto metalo, o tada dalis sukietėja. Ultragarso mašinoje siūlai gali būti pagaminti iš jau sukietėjusio metalo ir iš kietiausių lydinių. Tas pats ir su antspaudais. Paprastai antspaudas sukietėja po to, kai jis yra kruopščiai baigtas. Ultragarso mašinoje sudėtingiausias apdorojimas atliekamas naudojant abrazyvą (švitrinį, korundo miltelius) ultragarso bangos srityje. Nuolat vibruojantys ultragarso lauke, kietų miltelių dalelės supjaustomos į apdorojamą lydinį ir išpjauna tokios pačios formos skylę kaip antgalis.

Mišinių paruošimas naudojant ultragarsą

Ultragarsas plačiai naudojamas homogeniniams mišiniams ruošti (homogenizacijai). Dar 1927 metais amerikiečių mokslininkai Limusas ir Woodas atrado, kad jei į vieną stiklinę pilami du nesimaišantys skysčiai (pavyzdžiui, aliejus ir vanduo) ir veikiami ultragarsu, tada į stiklinę susidaro emulsija, tai yra, smulki aliejaus suspensija. vandens. Tokios emulsijos atlieka svarbų vaidmenį pramonėje: lakai, dažai, farmacija, kosmetika.

Ultragarso naudojimas biologijoje

Ultragarso gebėjimas sulaužyti ląstelių membranas buvo pritaikytas atliekant biologinius tyrimus, pavyzdžiui, kai reikia atskirti ląstelę nuo fermentų. Ultragarsas taip pat naudojamas sunaikinti tarpląstelines struktūras, tokias kaip mitochondrijos ir chloroplastai, siekiant ištirti jų struktūros ir funkcijos ryšį. Kitas ultragarso pritaikymas biologijoje yra susijęs su jo gebėjimu sukelti mutacijas. Oksforde atlikti tyrimai parodė, kad net mažo intensyvumo ultragarsas gali pažeisti DNR molekulę. Dirbtinai nukreiptas mutacijų kūrimas vaidina svarbų vaidmenį augalų selekcijoje. Pagrindinis ultragarso pranašumas prieš kitus mutagenus (rentgeno spindulius, UV spindulius) yra tas, kad su juo labai lengva dirbti.

Ultragarso naudojimas valymui

Ultragarso naudojimas mechaniniam valymui grindžiamas įvairių netiesinių poveikių atsiradimu jo veikiamame skystyje. Tai kavitacija, akustinės srovės ir garso slėgis. Pagrindinis vaidmuo tenka kavitacijai. Jo burbuliukai, atsirandantys ir griūvantys šalia taršos, juos sunaikina. Šis efektas žinomas kaip kavitacijos erozija... Šiems tikslams naudojamas ultragarsas turi žemą dažnį ir didesnę galią.

Laboratorinėmis ir pramoninėmis sąlygomis mažoms dalims ir indams plauti naudojamos ultragarsinės vonios, užpildytos tirpikliu (vandeniu, alkoholiu ir kt.). Kartais su jų pagalba iš dirvos dalelių nuplaunami net šakniavaisiai (bulvės, morkos, burokėliai ir kt.).

Ultragarso taikymas srauto matavimui

Nuo praėjusio šimtmečio 60 -ųjų ultragarso srauto matuokliai buvo naudojami pramonėje vandens ir šilumos nešiklio srautui ir matavimui valdyti.

Ultragarso taikymas aptikti defektus

Kai kuriose medžiagose ultragarsas sklinda gerai, todėl jį galima naudoti gaminant iš šių medžiagų ultragarso defektus. Pastaruoju metu vystosi ultragarso mikroskopijos kryptis, leidžianti ištirti geros skiriamosios gebos medžiagos požeminį sluoksnį.

Ultragarsinis suvirinimas

Ultragarsinis suvirinimas - slėginis suvirinimas, atliekamas veikiant ultragarso vibracijoms. Šio tipo suvirinimas naudojamas sunkiai įkaitinamoms dalims sujungti arba sujungiant skirtingus metalus ar metalus su stipriomis oksido plėvelėmis (aliuminiu, nerūdijančiu plienu, permalloy magnetinėmis šerdimis ir kt.). Taigi ultragarsinis suvirinimas naudojamas integrinių grandynų gamyboje.

Ultragarso naudojimas galvanizuojant

Ultragarsas naudojamas galvaniniams procesams sustiprinti ir elektrochemiškai pagamintų dangų kokybei pagerinti.