Dmitrij Levkin

Ultrazvuk- mechanické vibrácie nad frekvenčným rozsahom počuteľným ľudským uchom (zvyčajne 20 kHz). Ultrazvukové vibrácie sa šíria v tvare vlny, podobne ako pri šírení svetla. Avšak na rozdiel od svetelných vĺn, ktoré sa môžu pohybovať vo vákuu, ultrazvuk vyžaduje elastické médium, ako je plyn, kvapalina alebo pevná látka.

, (3)

Pre priečne vlny sa určuje podľa vzorca

Rozptyl zvuku- závislosť fázovej rýchlosti monochromatických zvukových vĺn od ich frekvencie. Rozptyl rýchlosti zvuku možno určiť ako fyzikálne vlastnosti prostredie, a prítomnosť cudzích inklúzií v ňom a prítomnosť hraníc tela, v ktorom sa zvuková vlna šíri.

Odrody ultrazvukových vĺn

Väčšina ultrazvukových metód využíva buď pozdĺžne alebo priečne vlny. Existujú aj iné formy šírenia ultrazvuku, vrátane povrchových vĺn a jahňacích vĺn.

Pozdĺžne ultrazvukové vlny– vlny, ktorých smer šírenia sa zhoduje so smerom posunov a rýchlostí častíc média.

Priečne ultrazvukové vlny- vlny šíriace sa v smere kolmom na rovinu, v ktorej ležia smery posuvov a rýchlostí častíc telesa, rovnako ako šmykové vlny.

Povrchové (Rayleighove) ultrazvukové vlny majú eliptický pohyb častíc a šíria sa po povrchu materiálu. Ich rýchlosť je približne 90% rýchlosti šírenia šmykovej vlny a ich prienik do materiálu je približne jedna vlnová dĺžka.

Jahňacia vlna- elastická vlna šíriaca sa v pevnej doske (vrstve) s voľnými hranicami, v ktorej k oscilačnému posunu častíc dochádza tak v smere šírenia vlny, ako aj kolmo na rovinu dosky. Jahňacie vlny sú jedným z typov normálnych vĺn v elastickom vlnovode - v doske s voľnými hranicami. Pretože tieto vlny musia spĺňať nielen rovnice teórie pružnosti, ale aj okrajové podmienky na povrchu platne, vzorec pohybu v nich a ich vlastnosti sú zložitejšie ako u vĺn v neohraničených tuhých látkach.

Vizualizácia ultrazvukových vĺn

Pre rovinnú sínusovú postupnú vlnu je intenzita ultrazvuku I určená vzorcom

, (5)

V sférická postupujúca vlna Intenzita ultrazvuku je nepriamo úmerná štvorcu vzdialenosti od zdroja. V stojatá vlna I = 0, t.j. v priemere nedochádza k toku zvukovej energie. Intenzita ultrazvuku v harmonická rovina postupujúca vlna sa rovná hustote energie zvukovej vlny vynásobenej rýchlosťou zvuku. Tok zvukovej energie sa vyznačuje tzv Umov vektor- vektor hustoty toku energie zvukovej vlny, ktorý možno znázorniť ako súčin intenzity ultrazvuku a vlnového normálového vektora, t.j. jednotkový vektor kolmý na čelo vlny. Ak je zvukové pole superpozíciou harmonických vĺn rôznych frekvencií, potom pre vektor priemernej hustoty toku zvukovej energie existuje aditívnosť zložiek.

O žiaričoch, ktoré vytvárajú rovinnú vlnu, sa hovorí intenzita žiarenia, čo znamená toto špecifický výkon žiariča t.j. vyžarovaný akustický výkon na jednotku plochy vyžarujúceho povrchu.

Intenzita zvuku sa meria v jednotkách SI vo W/m 2 . V ultrazvukovej technike je interval zmeny intenzity ultrazvuku veľmi veľký - od prahových hodnôt ~ 10 -12 W/m 2 až po stovky kW/m 2 v ohnisku ultrazvukových koncentrátorov.

Tabuľka 1 - Vlastnosti niektorých bežných materiálov

Materiál	Hustota, kg/m3	Rýchlosť pozdĺžnej vlny, m/s	Rýchlosť šmykovej vlny, m/s	, 10 3 kg / (m 2 * s)
Akryl	1180	2670	-	3,15
Vzduch	0,1	330	-	0,00033
hliník	2700	6320	3130	17,064
Mosadz	8100	4430	2120	35,883
Meď	8900	4700	2260	41,830
sklo	3600	4260	2560	15,336
nikel	8800	5630	2960	49,544
Polyamid (nylon)	1100	2620	1080	2,882
Oceľ (nízkolegovaná)	7850	5940	3250	46,629
titán	4540	6230	3180	26,284
Volfrám	19100	5460	2620	104,286
Voda (293 K)	1000	1480	-	1,480

Útlm ultrazvuku

Jednou z hlavných charakteristík ultrazvuku je jeho útlm. Útlm ultrazvuku je pokles amplitúdy, a teda aj zvuková vlna pri jej šírení. K útlmu ultrazvuku dochádza z viacerých dôvodov. Hlavné sú:

Prvý z týchto dôvodov súvisí so skutočnosťou, že keď sa vlna šíri z bodového alebo guľového zdroja, energia vyžarovaná zdrojom sa rozdeľuje na stále sa zväčšujúcu plochu čela vlny a podľa toho aj energetický tok cez jednotku povrch klesá, tzn . Pre guľovú vlnu, ktorej vlnová plocha rastie so vzdialenosťou r od zdroja ako r 2 , sa amplitúda vlny zmenšuje úmerne , a pre valcovú vlnu - úmerne .

Koeficient útlmu sa vyjadruje buď v decibeloch na meter (dB/m) alebo v neperoch na meter (Np/m).

Pre rovinnú vlnu je koeficient útlmu v amplitúde so vzdialenosťou určený vzorcom

, (6)

Stanoví sa faktor tlmenia v závislosti od času

, (7)

Na meranie koeficientu sa v tomto prípade používa aj jednotka dB / m

, (8)

Decibel (dB) je logaritmická jednotka na meranie pomeru energií alebo výkonov v akustike.

, (9)

• kde A1 je amplitúda prvého signálu,
• A 2 - amplitúda druhého signálu

Potom vzťah medzi jednotkami merania (dB/m) a (1/m) bude:

Odraz ultrazvuku od rozhrania

Keď zvuková vlna dopadne na rozhranie medzi médiami, časť energie sa odrazí do prvého média a zvyšok energie prejde do druhého média. Pomer medzi odrazenou energiou a energiou prechádzajúcou do druhého média je určený vlnovou impedanciou prvého a druhého média. Pri absencii rozptylu rýchlosti zvuku vlnový odpor nezávisí od tvaru vlny a je vyjadrená vzorcom:

Koeficienty odrazu a priepustnosti sa určia nasledovne

• kde D je koeficient prenosu akustického tlaku

Treba si tiež uvedomiť, že ak je druhé médium akusticky „mäkšie“, t.j. Z 1 >Z 2, potom sa fáza vlny pri odraze zmení o 180˚.

Koeficient prenosu energie z jedného média do druhého je určený pomerom intenzity vlny prechádzajúcej do druhého média k intenzite dopadajúcej vlny.

, (14)

Interferencia a difrakcia ultrazvukových vĺn

Rušenie zvuku- nerovnomernosť priestorového rozloženia amplitúdy výslednej zvukovej vlny v závislosti od pomeru medzi fázami vĺn, ktoré sa tvoria v určitom bode priestoru. Keď sa pridajú harmonické vlny rovnakej frekvencie, výsledné priestorové rozloženie amplitúd vytvorí časovo nezávislý interferenčný obrazec, ktorý zodpovedá zmene fázového rozdielu vlnenia zložiek pri pohybe z bodu do bodu. Pre dve rušivé vlny má tento vzor v rovine podobu striedajúcich sa pásiem zosilnenia a zoslabenia amplitúdy veličiny charakterizujúcej zvukové pole (napríklad akustický tlak). Pre dve rovinné vlny sú pásy priamočiare s amplitúdou meniacou sa naprieč pásmami podľa zmeny fázového rozdielu. Dôležitým špeciálnym prípadom interferencie je pridanie rovinnej vlny s jej odrazom od hranice roviny; v tomto prípade sa vytvorí stojatá vlna s rovinami uzlov a antinód umiestnenými rovnobežne s hranicou.

difrakcia zvuku- odchýlka správania zvuku od zákonov geometrickej akustiky, v dôsledku vlnovej povahy zvuku. Výsledkom difrakcie zvuku je divergencia ultrazvukových lúčov pri pohybe od žiariča alebo po prechode cez otvor v obrazovke, ohyb zvukových vĺn do oblasti tieňa za prekážkami, ktoré sú v porovnaní s vlnovou dĺžkou veľké, absencia tieň za prekážkami, ktoré sú v porovnaní s vlnovou dĺžkou malé a pod.. n Zvukové polia vznikajúce difrakciou pôvodnej vlny na prekážkach umiestnených v médiu, na nehomogenitách samotného média, ako aj na nepravidelnostiach a nehomogenitách prostredia. hranice média, sa nazývajú rozptýlené polia. Pre objekty, na ktorých dochádza k difrakcii zvuku, ktoré sú veľké v porovnaní s vlnovou dĺžkou, závisí stupeň odchýlky od geometrického vzoru od hodnoty parametra vlny.

, (15)

• kde D je priemer objektu (napríklad priemer ultrazvukového žiariča alebo prekážky),
• r - vzdialenosť pozorovacieho bodu od tohto objektu

Ultrazvukové žiariče

Ultrazvukové žiariče- prístroje používané na vybudenie ultrazvukových vibrácií a vĺn v plynných, kvapalných a pevných prostrediach. Ultrazvukové žiariče premieňajú inú formu energie na energiu.

Najpoužívanejšie ako žiariče prijatého ultrazvuku elektroakustické meniče. V prevažnej väčšine ultrazvukových žiaričov tohto typu, a to v piezoelektrické meniče , magnetostrikčné prevodníky, elektrodynamické žiariče, elektromagnetických a elektrostatických žiaričov sa elektrická energia premieňa na energiu vibrácií nejakého pevného telesa (vyžarujúca platňa, tyč, membrána a pod.), ktoré vyžaruje v životné prostredie akustické vlny. Všetky menované meniče sú spravidla lineárne, a preto oscilácie vyžarovacieho systému reprodukujú budiaci elektrický signál vo forme; len pri veľmi veľkých amplitúdach kmitov v blízkosti hornej hranice dynamického rozsahu ultrazvukového žiariča sa môžu vyskytnúť nelineárne skreslenia.

V prevodníkoch určených na vyžarovanie monochromatickej vlny sa tento jav využíva rezonancia: pracujú na jednom z vlastných kmitov mechanického kmitacieho systému, ktorého frekvencia je naladená na generátor elektrických kmitov, ktorý budí menič. Elektroakustické prevodníky, ktoré nemajú polovodičový vyžarovací systém, sa ako ultrazvukové žiariče používajú pomerne zriedka; patria sem napríklad ultrazvukové žiariče založené na elektrickom výboji v kvapaline alebo na elektrostrikcii kvapaliny.

Charakteristika ultrazvukového žiariča

Hlavnými charakteristikami ultrazvukových žiaričov sú ich frekvenčné spektrum, emitované zvuková sila, smerovosť žiarenia. V prípade monofrekvenčného žiarenia sú hlavné charakteristiky prevádzková frekvencia ultrazvukový žiarič a jeho frekvenčné pásmo, ktorého hranice sú určené dvojnásobným poklesom vyžiareného výkonu v porovnaní s jeho hodnotou pri frekvencii maximálneho žiarenia. Pre rezonančné elektroakustické meniče je pracovná frekvencia prirodzená frekvencia f 0 prevodník, a Šírka čiaryΔf je určené jeho faktor kvality Q.

Ultrazvukové žiariče (elektroakustické meniče) sa vyznačujú citlivosťou, elektroakustickou účinnosťou a vlastnou elektrickou impedanciou.

Citlivosť ultrazvukového meniča- pomer akustického tlaku v maxime smerovej charakteristiky v určitej vzdialenosti od žiariča (najčastejšie vo vzdialenosti 1 m) k elektrickému napätiu na ňom alebo k prúdu, ktorý v ňom preteká. Táto špecifikácia platí pre ultrazvukové prevodníky používané v klaksónových systémoch, sonaroch a iných podobných aplikáciách. Pre žiariče na technologické účely, používané napríklad na ultrazvukové čistenie, koaguláciu, vplyv na chemické procesy, je hlavnou charakteristikou výkon. Spolu s celkovým vyžiareným výkonom, odhadovaným vo W, charakterizujú ultrazvukové žiariče hustota výkonu t.j. priemerný výkon na jednotku plochy vyžarujúceho povrchu alebo priemerná intenzita žiarenia v blízkom poli, odhadovaná vo W/m2.

Účinnosť elektroakustických meničov, ktoré vyžarujú akustickú energiu do ozvučovaného prostredia, charakterizuje ich hodnota elektroakustická účinnosť, čo je pomer emitovaného akustického výkonu k spotrebovanému elektrickému výkonu. V akustoelektronike sa na hodnotenie účinnosti ultrazvukových žiaričov používa takzvaný koeficient elektrickej straty, ktorý sa rovná pomeru (v dB) elektrického výkonu k akustickému výkonu. Účinnosť ultrazvukových nástrojov používaných pri ultrazvukovom zváraní, obrábaní a podobne je charakterizovaná takzvaným faktorom účinnosti, čo je pomer druhej mocniny amplitúdy oscilačného posunu na pracovnom konci koncentrátora k elektrickému energie spotrebovanej prevodníkom. Niekedy sa na charakterizáciu premeny energie v ultrazvukových žiaričoch používa efektívny elektromechanický väzbový koeficient.

Emitor zvukového poľa

Zvukové pole meniča je rozdelené do dvoch zón: blízka zóna a vzdialená zóna. blízkej zóny toto je oblasť priamo pred prevodníkom, kde amplitúda ozveny prechádza sériou vysokých a nízkych úrovní. Blízka zóna končí na poslednom maxime, ktoré sa nachádza vo vzdialenosti N od prevodníka. Je známe, že miesto posledného maxima je prirodzeným ohniskom prevodníka. vzdialená zóna toto je oblasť za N, kde tlak akustického poľa postupne klesá na nulu.

Poloha posledného maxima N na akustickej osi zase závisí od priemeru a vlnovej dĺžky a pre kotúčový kruhový žiarič je vyjadrená vzorcom

, (17)

Keďže však D je zvyčajne oveľa väčšie, rovnicu možno zjednodušiť do tvaru

Charakteristiky zvukového poľa sú určené konštrukciou ultrazvukového meniča. V dôsledku toho šírenie zvuku v skúmanej oblasti a citlivosť snímača závisia od jeho tvaru.

Aplikácia ultrazvuku

Rozmanité aplikácie ultrazvuku, v ktorých sa využívajú jeho rôzne vlastnosti, možno podmienečne rozdeliť do troch oblastí. spojené s príjmom informácií pomocou ultrazvukových vĺn, - s aktívnym pôsobením na látku a - so spracovaním a prenosom signálov (smery sú uvedené v poradí ich historického vývoja). V každej konkrétnej aplikácii sa používa ultrazvuk určitého frekvenčného rozsahu.

Ak v spojitom prostredí - plynoch, kvapalinách alebo pevných látkach, častice média sú odstránené z rovnovážnej polohy, potom elastické sily pôsobiace na ne od iných častíc ich vrátia do rovnovážnej polohy. V tomto prípade budú častice oscilovať. Šírenie elastických vibrácií v spojitom prostredí je proces podobný vlnám.
Nazývajú sa oscilácie s frekvenciou od jednotiek Hertz (Hz) do 20 Hertzov infrazvukové, pri frekvencii 20 Hz až 16 ... 20 kHz sa vytvárajú oscilácie počuteľné zvuky. ultrazvukové vibrácie zodpovedajú frekvenciám od 16 ... 20 kHz do 10 8 Hz a oscilácie s frekvenciou vyššou ako 10 8 Hz sú tzv. hypersonický. Obrázok 1.1 ukazuje logaritmickú frekvenčnú škálu založenú na výraze log 2 f = 1, 2, 3 …, n, kde 1, 2, 3 ..., č sú oktávové čísla.

Obrázok 1.1 - Rozsahy elastických vibrácií v materiálových médiách

Fyzikálny charakter elastických kmitov je rovnaký v celom frekvenčnom rozsahu. Aby ste pochopili povahu elastických vibrácií, zvážte ich vlastnosti.
Tvar vlny je tvar čela vlny, t.j. množina bodov, ktoré majú rovnakú fázu. Vibrácie roviny vytvárajú rovinnú zvukovú vlnu, ak sa valec periodicky stláča a rozťahuje v smere svojho polomeru slúži ako žiarič, potom vzniká valcová vlna. Bodový žiarič alebo pulzujúca guľa, ktorej rozmery sú malé v porovnaní s vlnovou dĺžkou emitovanej vlny, generuje sférickú vlnu.

Zvukové vlny sú klasifikované podľa vlnový typ : môžu byť pozdĺžne, priečne, ohybové, torzné - v závislosti od podmienok budenia a šírenia. V kvapalinách a plynoch sa šíria len pozdĺžne vlny, v pevných látkach sa môžu vyskytovať aj priečne a iné z vymenovaných druhov vĺn. V pozdĺžnej vlne sa smer kmitov častíc zhoduje so smerom šírenia vlny (obrázok 1.2, a), priečna vlna sa šíri kolmo na smer oscilácií častíc (obrázok 1.2, b) .

a) pohyb častíc média pri šírení pozdĺžnej vlny; b) pohyb častíc média pri šírení priečnej vlny.

Obrázok 1.2 - Pohyb častíc pri šírení vlny

Akékoľvek vlnenie, ako kmitanie šíriace sa v čase a priestore, možno charakterizovať frekvencia , vlnová dĺžka a amplitúda (Obrázok 3) . V tomto prípade vlnová dĺžka λ súvisí s frekvenciou f cez rýchlosť šírenia vĺn v danom materiáli c: λ = c/f.

Obrázok 1.3 - Charakteristika oscilačného procesu

1.6 Praktická aplikácia nízkoenergetických ultrazvukových vibrácií

Oblasť použitia ultrazvukových vibrácií s nízkou intenzitou (podmienečne do 1 W/cm 2 ) je veľmi rozsiahla a budeme postupne zvažovať niekoľko hlavných aplikácií ultrazvukových vibrácií nízkej intenzity.
1. Ultrazvukové zariadenia na monitorovanie chemických vlastností rôzne materiály a prostredia. Všetky sú založené na zmene rýchlosti ultrazvukových vibrácií v médiu a umožňujú:
- určiť koncentráciu binárnych zmesí;
- hustota roztokov;
- stupeň polymerizácie polymérov;
- prítomnosť nečistôt, plynových bublín v roztokoch;
- určiť rýchlosť chemických reakcií;
- obsah tuku v mlieku, smotane, kyslej smotane;
- disperzia v heterogénnych systémoch a pod.
Rozlišovacia schopnosť moderných ultrazvukových prístrojov je 0,05 %, presnosť merania rýchlosti šírenia na vzorkách dlhých 1 m je 0,5 -1 m/s (rýchlosť v kove je viac ako 5000 m/s). Takmer všetky merania sa vykonávajú porovnaním s normou.
2. Prístroje na kontrolu fyzikálnych a chemických charakteristík na základe meraní útlmu ultrazvuku. Takéto zariadenia umožňujú meranie viskozity, meranie hustoty, zloženia, obsahu nečistôt, plynov atď. Použité metódy vychádzajú aj z metód porovnávania s normou.
3. Ultrazvukové prietokomery na kvapaliny v potrubiach. Ich pôsobenie je tiež založené na meraní rýchlosti šírenia ultrazvukových vibrácií pozdĺž prúdu tekutiny a proti prúdu. Porovnanie dvoch rýchlostí umožňuje určiť prietok a pri známom úseku potrubia prietok. Príklad jedného z prietokomerov (č. 15183 v Štátnom registri meradiel) je na obrázku 1.4.

Obrázok 1.4 - Stacionárny ultrazvukový prietokomer "AKRON"

Takýto prietokomer zabezpečuje meranie objemového prietoku a celkového objemu (množstva) kvapalín prúdiacich v tlakových potrubiach vodovodných, kanalizačných a ropných systémov bez napojenia na existujúce potrubie. Princíp činnosti prietokomeru je meranie rozdielu v čase prechodu ultrazvuková vlna pozdĺž toku a proti prúdu riadenej kvapaliny, prepočítajúc ju na okamžitý prietok s následnou integráciou.
Chyba prístroja je 2% hornej hranice merania. Hornú a dolnú hranicu merania nastavuje operátor. Prietokomer obsahuje snímačovú jednotku (pozostáva z dvoch ultrazvukových snímačov a zariadenia na ich montáž na potrubie) a elektronickú jednotku prepojenú rádiofrekvenčným káblom s dĺžkou až 50 m (štandard - 10 m.). Snímače sa inštalujú na rovný úsek potrubia na vonkajšom povrchu, očistený od nečistôt, farby a hrdze. Podmienkou pre správnu inštaláciu snímačov je prítomnosť rovného úseku potrubia minimálne 10 priemerov potrubia - pred a 5 priemerov - za snímačmi.
4. Indikátory úrovne
Princíp činnosti je založený na lokalizácii hladiny kvapalných alebo sypkých materiálov ultrazvukovými impulzmi prechádzajúcimi plynným médiom a na jave odrazu týchto impulzov od rozhrania "plyn - riadené médium". V tomto prípade je mierou úrovne čas šírenia zvukových vibrácií z vysielača do riadeného rozhrania medzi médiom a späť do prijímača. Výsledok merania je zobrazený na osobnom počítači, kde sú uložené všetky merania s následnou možnosťou ich prezerania a analýzy, ako aj napojenia na automatizovaný systém zberu a spracovania dát. Hladinomer ako súčasť systému môže obsahovať koncové automaty, čerpadlá a iné zariadenia na úrovniach nad maximálnou a pod minimálnou hodnotou, čo umožňuje automatizáciu technologického procesu. Okrem toho je vytvorený prúdový výstup (0,5 mA, 0-20 mA) pre samonahrávacie zariadenia.
Ukazovateľ hladiny umožňuje kontrolovať teplotu média v nádržiach. Hlavným výstupným formátom je vzdialenosť od vrchu nádrže k povrchu látky, ktorú obsahuje. Na želanie zákazníka, pri poskytnutí potrebných informácií, je možné spresniť zariadenie na zobrazenie výšky, hmotnosti alebo objemu látky v nádrži.
5. Ultrazvukové analyzátory zloženia plynu sú založené na využití závislosti rýchlosti ultrazvuku v zmesi plynov od rýchlostí v každom z plynov tvoriacich túto zmes.
6. Bezpečnostné ultrazvukové prístroje sú založené na meraní rôznych parametrov ultrazvukových polí (amplitúdy kmitov pri zablokovaní priestoru medzi vysielačom a prijímačom, zmeny frekvencie pri odraze od pohybujúceho sa objektu a pod.).
7. Merače teploty plynu a požiarne hlásiče založené na zmene rýchlosti šírenia v dôsledku zmien okolitej teploty alebo výskytu dymu.
8. Zariadenia na ultrazvukové nedeštruktívne skúšanie. Nedeštruktívne skúšanie je jednou z hlavných technologických metód na zabezpečenie kvality materiálov a výrobkov. Žiadny výrobok by sa nemal používať bez kontroly. Je možné vykonať overenie testovaním, ale takto môžete otestovať 1-10 produktov, ale nemôžete skontrolovať 100% všetkých produktov, pretože kontrola - to znamená pokaziť všetky produkty. Preto je potrebné kontrolovať bez zničenia.
Jednou z najlacnejších, najjednoduchších a najcitlivejších je ultrazvuková metóda nedeštruktívneho testovania. Hlavné výhody v porovnaní s inými nedeštruktívnymi testovacími metódami sú:

- detekcia defektov nachádzajúcich sa hlboko vo vnútri materiálu, čo bolo možné vďaka zlepšenej penetračnej schopnosti. Ultrazvukové vyšetrenie sa vykonáva do hĺbky niekoľkých metrov. Kontrole podliehajú rôzne výrobky, napr.: dlhé oceľové tyče, rotačné výkovky atď.;
- vysoká citlivosť pri detekcii extrémne malých defektov s dĺžkou niekoľkých milimetrov;
- presné určenie miesta vnútorných defektov, posúdenie ich veľkosti, charakteristika smeru, tvaru a povahy;
- dostatočný prístup len k jednej zo strán výrobku;
- riadenie procesu elektronickými prostriedkami, ktoré poskytuje takmer okamžitú detekciu chýb;
- objemové skenovanie, ktoré vám umožňuje preskúmať objem materiálu;
- nedostatok požiadaviek na zdravotné opatrenia;
- prenosnosť zariadenia.

1.7 Praktická aplikácia vysokointenzívnych ultrazvukových vibrácií

K dnešnému dňu sa hlavné procesy realizované a zintenzívnené pomocou vysokoenergetických ultrazvukových vibrácií zvyčajne delia do troch hlavných podskupín v závislosti od typu prostredia, v ktorom sú realizované (obrázok 1.5).

Obrázok 1.5 - Použitie vysokoenergetických ultrazvukových vibrácií

V závislosti od typu prostredia sú procesy podmienene rozdelené na procesy v kvapalných, pevných a termoplastických materiáloch a plynných (vzduchových) médiách. V nasledujúcich častiach sa budú podrobnejšie zaoberať procesmi a zariadeniami na intenzifikáciu procesov v kvapalných, pevných a termoplastických materiáloch, plynných médiách.
Ďalej zvážime príklady hlavných technológií implementovaných pomocou vysokoenergetických ultrazvukových vibrácií.
1. Rozmerové spracovanie.

Ultrazvukové vibrácie sa používajú na spracovanie krehkých a extra tvrdých materiálov a kovov.
Hlavné technologické procesy zintenzívnené ultrazvukovými vibráciami sú vŕtanie, zahlbovanie, závitovanie, ťahanie drôtu, leštenie, brúsenie, vŕtanie zložitých tvarov. K zintenzívneniu týchto technologických procesov dochádza v dôsledku pôsobenia ultrazvukových vibrácií na nástroj.
2. Čistenie ultrazvukom.
Dnes existuje mnoho spôsobov, ako vyčistiť povrchy od rôznych nečistôt. Ultrazvukové čistenie je rýchlejšie, poskytuje vysokú kvalitu a čistí ťažko dostupné miesta. To zaisťuje nahradenie vysoko toxických, horľavých a drahých rozpúšťadiel obyčajnou vodou.
Pomocou vysokofrekvenčných ultrazvukových vibrácií sa karburátory a vstrekovače áut vyčistia za pár minút.
Dôvodom urýchlenia čistenia je kavitácia, zvláštny jav, pri ktorom sa v kvapaline tvoria drobné bublinky plynu. Tieto bubliny prasknú (explodujú) a vytvárajú silné vodné prúdy, ktoré zmyjú všetku špinu. Na tomto princípe dnes existujú práčky a malé umývacie zariadenia. Vlastnosti implementácie kavitačného procesu a jeho možnosti sa budú posudzovať samostatne. Ultrazvuk čistí kovy od leštiacich pást, valcovaný kov od vodného kameňa, drahé kamene z leštiacich miest. Čistenie tlačových platní, pranie látok, umývanie ampuliek. Čistenie potrubí zložitého tvaru. Okrem čistenia je ultrazvuk schopný odstraňovať malé otrepy a leštiť.
Ultrazvukové pôsobenie v tekutých médiách ničí mikroorganizmy, a preto je široko používané v medicíne a mikrobiológii.
Je možná aj iná implementácia ultrazvukového čistenia.
- čistenie dymu od pevných častíc vo vzduchu. Na to sa využívajú aj ultrazvukové efekty na hmlu a dym. Častice v ultrazvukovom poli sa začnú aktívne pohybovať, zrážať a lepiť sa spolu, ukladajú sa na stenách. Tento jav sa nazýva ultrazvuková koagulácia a používa sa na boj proti hmle na letiskách, cestách a námorných prístavoch.
3. Ultrazvukové zváranie.
V súčasnosti sa pomocou ultrazvukových vibrácií vysokej intenzity zvárajú polymérne termoplastické materiály. Zváranie polyetylénových rúr, škatúľ, pohárov poskytuje vynikajúcu tesnosť. Na rozdiel od iných metód je možné pomocou ultrazvuku vyvárať znečistené plasty, rúrky s kvapalinou a pod. V tomto prípade sa obsah sterilizuje.
Pomocou ultrazvukového zvárania sa najtenšia fólia alebo drôt privarí na kovovú časť. Okrem toho je ultrazvukové zváranie zváraním za studena, pretože šev sa vytvára pri teplote pod bodom topenia. Zváraním sa teda spája hliník, tantal, zirkónium, niób, molybdén atď.
V súčasnosti našlo ultrazvukové zváranie najväčšie uplatnenie pri vysokorýchlostných baliacich procesoch a výrobe polymérnych obalových materiálov.
4. Spájkovanie a cínovanie
Hliník je spájkovaný pomocou vysokofrekvenčných ultrazvukových vibrácií. Pomocou ultrazvuku môžete pocínovať a následne spájkovať keramiku, sklo, čo bolo predtým nemožné. Ferity, spájkovanie polovodičových kryštálov na pozlátené puzdrá, sa dnes implementujú pomocou ultrazvukovej technológie.
5. Ultrazvuk v modernej chémii
V súčasnosti, ako vyplýva z literatúry, sa v chémii sformoval nový smer - ultrazvuková chémia. Štúdiom chemických transformácií, ktoré sa vyskytujú pri pôsobení ultrazvuku, vedci zistili, že ultrazvuk nielen urýchľuje oxidáciu, ale v niektorých prípadoch poskytuje aj redukčný účinok. Železo sa teda redukuje z oxidov a solí.
Dobré pozitívne výsledky sa dosiahli pri intenzifikácii ultrazvuku nasledujúcich chemicko-technologických procesov:
- elektrolytické nanášanie, polymerizácia, depolymerizácia, oxidácia, redukcia, dispergácia, emulgácia, aerosólová koagulácia, homogenizácia, impregnácia, rozpúšťanie, striekanie, sušenie, spaľovanie, činenie atď.
Elektrodepozícia - nanesený kov získava jemnozrnnú štruktúru, znižuje sa pórovitosť. Vykonáva sa teda pokovovanie medi, cínovanie, striebrenie. Proces je rýchlejší a kvalita náteru je vyššia ako pri bežných technológiách.
Získanie emulzií: voda a tuk, voda a éterické oleje, voda a ortuť. Bariéru nemiešateľnosti prekonávajú USA.
Polymerizácia (spojenie molekúl do jednej) – stupeň polymerizácie je regulovaný frekvenciou ultrazvuku.
Disperzia - získanie ultra jemných pigmentov na získanie farbív.
Sušenie - bez zahrievania biologicky aktívnych látok. V potravinárskom, farmaceutickom priemysle.
Striekanie kvapalín a tavenín. Intenzifikácia procesov v rozprašovacích sušičkách. Získavanie kovového prášku z tavenín. Tieto striekacie zariadenia eliminujú rotujúce a trecie časti.
Ultrazvuk zvyšuje účinnosť spaľovania kvapalných a pevných palív 20-krát.
Impregnácia. Kvapalina prechádza kapilárami impregnovaného materiálu stokrát rýchlejšie. Používa sa pri výrobe strešnej lepenky, podvalov, cementových dosiek, textolitu, getinakov, impregnácie dreva modifikovanými živicami
6. Ultrazvuk v metalurgii.
- Je známe, že pri tavení kovy absorbujú plyny hliníka a jeho zliatin. 80% všetkých plynov v roztavenom kove je H2. To vedie k zhoršeniu kvality kovu. Plyny sa dajú odstraňovať pomocou ultrazvuku, čo u nás umožnilo vytvoriť špeciálny technologický cyklus a široko ho využívať pri výrobe kovov.
- Ultrazvuk podporuje kalenie kovov
- V práškovej metalurgii ultrazvuk podporuje priľnavosť častíc vyrábaného materiálu. To eliminuje potrebu vysokotlakového tesnenia.
7. Ultrazvuk v baníctve.
Použitie ultrazvuku umožňuje implementovať nasledujúce technológie:
- Odstránenie parafínu zo stien ropných vrtov;
- Vylúčenie výbuchov metánu v baniach z dôvodu jeho rozptylu;
- ultrazvuková koncentrácia rúd (flotačná metóda s využitím ultrazvuku).
8. KM v poľnohospodárstve.
Ultrazvukové vibrácie priaznivo ovplyvňujú semená a zrná pred ich zasadením. Spracovanie semien paradajok pred výsadbou teda poskytuje zvýšenie počtu plodov, skracuje dobu dozrievania a zvyšuje množstvo vitamínov.
Ultrazvukové ošetrenie semien melónu a kukurice vedie k zvýšeniu výnosu o 40%.
Pri spracovaní ultrazvukových semien je možné zabezpečiť dezinfekciu a zaviesť potrebné mikroelementy z kvapaliny
9. Potravinársky priemysel.
V praxi sa už dnes implementujú tieto technológie:
- Úprava mlieka na homogenizačnú sterilizáciu;
- Spracovanie na zvýšenie trvanlivosti a kvality mrazeného mlieka
- Získanie vysoko kvalitného sušeného mlieka;
- Získanie emulzií na pečenie;
- Ošetrenie kvasiniek o 15% zvyšuje ich fermentačnú silu;
- Získavanie aromatických látok, pyré, extrakcia tuku z pečene;
- izolácia zubného kameňa;
- Ťažba rastlinných a živočíšnych surovín;
- Výroba parfumov (6...8 hodín namiesto roka).
10. Ultrazvuk v biológii.
- Veľké dávky ultrazvuku zabíjajú mikroorganizmy (stafylokoky, streptokoky, vírusy);
- Nízka intenzita pôsobenia ultrazvuku podporuje rast kolónií mikroorganizmov;
11. Vplyv na človeka.
Ultrazvuková expozícia s intenzitou do 0,1 ... 0,4 W / cm má terapeutický účinok. V Amerike sa za ošetrenie považuje efekt s intenzitou do 0,8 W / cm
12. V medicíne.
Ultrazvukové skalpely, prístroje na vonkajšiu a vnútornú liposukciu, laparoskopické nástroje, inhalátory, masážne prístroje sú široko používané a umožňujú liečbu rôznych ochorení.
Nasledujúci kurz prednášok je určený na predbežné oboznámenie študentov, postgraduálnych študentov, inžinierov a technológov rôznych priemyselných odvetví so základmi ultrazvukových technológií a má poskytnúť základné poznatky o teórii vzniku ultrazvukových vibrácií a praxi využívania vysokých -intenzita ultrazvukových vibrácií.

S rozvojom akustiky na konci 19. storočia bol objavený ultrazvuk, zároveň sa začali prvé štúdie ultrazvuku, no základy jeho aplikácie boli položené až v prvej tretine 20. storočia.

Ultrazvuk a jeho vlastnosti

V prírode sa ultrazvuk nachádza ako súčasť mnohých prírodných zvukov: vo hluku vetra, vodopádu, dažďa, morských kamienkov, navalených príbojom, vo výbojoch bleskov. Mnoho cicavcov, ako sú mačky a psy, má schopnosť vnímať ultrazvuk s frekvenciou až 100 kHz a lokalizačné schopnosti netopierov, nočného hmyzu a morských živočíchov sú každému dobre známe.

Ultrazvuk- mechanické vibrácie nad frekvenčným rozsahom počuteľným ľudským uchom (zvyčajne 20 kHz). Ultrazvukové vibrácie sa šíria v tvare vlny, podobne ako pri šírení svetla. Avšak na rozdiel od svetelných vĺn, ktoré sa môžu pohybovať vo vákuu, ultrazvuk vyžaduje elastické médium, ako je plyn, kvapalina alebo pevná látka.

Hlavnými parametrami vlny sú vlnová dĺžka, frekvencia a perióda. Ultrazvukové vlny sa svojou povahou nelíšia od vĺn počuteľného rozsahu a podliehajú rovnakému fyzikálne zákony. Ultrazvuk má však špecifické vlastnosti, ktoré určili jeho široké využitie vo vede a technike. Tu sú tie hlavné:

• 1. Krátka vlnová dĺžka. Pre najnižší rozsah ultrazvuku nepresahuje vlnová dĺžka vo väčšine médií niekoľko centimetrov. Krátka vlnová dĺžka určuje charakter lúča šírenia ultrazvukových vĺn. V blízkosti žiariča sa ultrazvuk šíri vo forme lúčov s veľkosťou blízkou veľkosti žiariča. Ultrazvukový lúč sa pri dopade na nehomogenity v médiu správa ako svetelný lúč, dochádza k odrazu, lomu a rozptylu, čo umožňuje vytvárať zvukové obrazy v opticky nepriehľadných médiách pomocou čisto optických efektov (zaostrenie, difrakcia atď.).
• 2. Krátka perióda oscilácie, ktorá umožňuje vysielať ultrazvuk vo forme impulzov a vykonávať presnú časovú selekciu šíriacich sa signálov v médiu.

Možnosť získania vysokých hodnôt vibračnej energie pri malej amplitúde, pretože energia kmitov je úmerná druhej mocnine frekvencie. To umožňuje vytvárať ultrazvukové lúče a polia s vysoký stupeň energie bez potreby veľkých zariadení.

V ultrazvukovom poli vznikajú výrazné akustické prúdy. Preto vplyv ultrazvuku na životné prostredie vytvára špecifické účinky: fyzikálne, chemické, biologické a medicínske. Ako je kavitácia, zvukovo-kapilárny efekt, disperzia, emulgácia, odplyňovanie, dezinfekcia, lokálne vykurovanie a mnohé iné.

potreby námorníctvo vedúce mocnosti - Anglicko a Francúzsko, študovať hlbiny mora, vyvolalo záujem mnohých vedcov v oblasti akustiky, tk. toto je jediný typ signálu, ktorý môže vo vode cestovať ďaleko. V roku 1826 teda francúzsky vedec Colladon určil rýchlosť zvuku vo vode. V roku 1838 sa v Spojených štátoch prvýkrát použil zvuk na určenie profilu morského dna s cieľom položiť telegrafný kábel. Výsledky experimentu boli sklamaním. Zvuk zvonu vydával príliš slabú ozvenu, takmer nepočuteľnú medzi ostatnými zvukmi mora. Bolo potrebné prejsť do oblasti vyšších frekvencií, ktoré by umožnili vytvárať smerované zvukové lúče.

Prvý ultrazvukový generátor vyrobil v roku 1883 Angličan Francis Galton. Ultrazvuk vznikol ako píšťalka na ostrí noža, ak naň fúknete. Úlohu takéhoto bodu v Galtonovej píšťalke zohral valec s ostrými hranami. Vzduch alebo iný plyn unikajúci pod tlakom cez prstencovú trysku s priemerom zhodným s okrajom valca nabiehal proti okraju a dochádzalo k vysokofrekvenčným osciláciám. Fúkaním na píšťalku vodíkom bolo možné získať oscilácie až do 170 kHz.

V roku 1880 urobili Pierre a Jacques Curie rozhodujúci objav pre ultrazvukovú technológiu. Bratia Curieovci si všimli, že pri pôsobení tlaku na kremenné kryštály vzniká elektrický náboj, ktorý je priamo úmerný sile pôsobiacej na kryštál. Tento jav sa nazýva "piezoelektrina" z gréckeho slova, ktoré znamená "lisovať". Okrem toho preukázali inverzný piezoelektrický efekt, ktorý nastáva, keď sa na kryštál aplikuje rýchlo sa meniaci elektrický potenciál, čo spôsobí jeho vibráciu. Odteraz bolo technicky možné vyrábať žiariče a prijímače ultrazvuku malých rozmerov.

Smrť Titanicu pri zrážke s ľadovcom, potreba boja s novou zbraňou – ponorkami si vyžiadala rýchly rozvoj ultrazvukovej hydroakustiky. V roku 1914 francúzsky fyzik Paul Langevin spolu s talentovaným ruským emigrantským vedcom Konstantinom Vasiljevičom Shilovskim prvýkrát vyvinuli sonar pozostávajúci z ultrazvukového žiariča a hydrofónu - prijímača ultrazvukových vibrácií založených na piezoelektrickom efekte. Sonar Langevin - Shilovsky, bol prvý ultrazvukový prístroj aplikované v praxi. V rovnakom čase ruský vedec S.Ya.Sokolov vyvinul základy ultrazvukovej detekcie defektov v priemysle. V roku 1937 nemecký psychiater Karl Dussik spolu so svojím bratom Friedrichom, fyzikom, prvýkrát použili ultrazvuk na detekciu mozgových nádorov, ale výsledky, ktoré získali, boli nespoľahlivé. V lekárskej praxi bol ultrazvuk prvýkrát použitý až v 50. rokoch 20. storočia v USA.

21. storočie je storočím rádiovej elektroniky, atómu, výskumu vesmíru a ultrazvuku. Veda o ultrazvuku je dnes relatívne mladá. Koncom 19. storočia viedol svoje prvé štúdie P. N. Lebedev, ruský fyziológ. Potom mnohí významní vedci začali študovať ultrazvuk.

čo je ultrazvuk?

Ultrazvuk je vlnový efekt šírenia častíc média. Má svoje vlastné charakteristiky, v ktorých sa líši od zvukov počuteľného rozsahu. Je pomerne ľahké získať smerované žiarenie v ultrazvukovom rozsahu. Okrem toho je dobre zaostrený a v dôsledku toho sa zvyšuje intenzita vykonávaných kmitov. Pri šírení v pevných látkach, kvapalinách a plynoch vznikajú z ultrazvuku zaujímavé javy, ktoré našli praktické uplatnenie v mnohých oblastiach techniky a vedy. Toto je ultrazvuk, ktorého úloha v rôznych sférach života je dnes veľmi veľká.

Úloha ultrazvuku vo vede a praxi

V posledných rokoch začal hrať ultrazvuk vedecký výskumčoraz dôležitejšiu úlohu. Úspešne sa uskutočnili experimentálne a teoretické štúdie v oblasti akustických tokov a ultrazvukovej kavitácie, čo vedcom umožnilo vyvinúť technologické procesy, ktoré sa vyskytujú pri vystavení kvapalná fáza ultrazvuk. Je to výkonná metóda na štúdium rôznych javov v takej oblasti vedomostí, ako je fyzika. Ultrazvuk sa používa napríklad vo fyzike polovodičov a pevných látok. Dnes sa tvorí samostatný odbor chémie, ktorý sa nazýva „ultrazvuková chémia“. Jeho aplikácia umožňuje urýchlenie mnohých chemicko-technologických procesov. Zrodila sa aj molekulárna akustika - nový odbor akustiky, ktorý študuje molekulárnu interakciu s hmotou Objavili sa nové oblasti použitia ultrazvuku: holografia, introskopia, akustoelektronika, meranie ultrazvukových fáz, kvantová akustika.

Okrem experimentálnych a teoretických prác v tejto oblasti sa dnes urobilo veľa praktických prác. Boli vyvinuté špeciálne a univerzálne ultrazvukové stroje, inštalácie, ktoré pracujú pod zvýšeným statickým tlakom a pod.. Do výroby boli zavedené automatické ultrazvukové zariadenia zaradené do výrobných liniek, ktoré môžu výrazne zvýšiť produktivitu práce.

Viac o ultrazvuku

Povedzme si viac o tom, čo je ultrazvuk. Už sme povedali, že ide o elastické vlny a ultrazvuk má nad 15-20 kHz. Subjektívne vlastnosti nášho sluchu určujú spodnú hranicu ultrazvukových frekvencií, ktorá ho oddeľuje od frekvencie počuteľného zvuku. Táto hranica je teda podmienená a každý z nás inak definuje, čo je ultrazvuk. Horná hranica je označená elastickými vlnami, ich fyzickej povahy. Šíria sa iba v hmotnom prostredí, to znamená, že vlnová dĺžka musí byť výrazne väčšia ako stredná voľná dráha molekúl prítomných v plyne alebo medziatómové vzdialenosti v pevných látkach a kvapalinách. Pri normálnom tlaku v plynoch je horná hranica ultrazvukových frekvencií 10 9 Hz a v pevných látkach a kvapalinách - 10 12 -10 13 Hz.

Zdroje ultrazvuku

Ultrazvuk sa nachádza v prírode ako súčasť mnohých prírodných zvukov (vodopád, vietor, dážď, kamienky valené príbojom, ako aj vo zvukoch sprevádzajúcich výboje búrok atď.), ako aj ako neoddeliteľná súčasť sveta zvierat. Niektoré druhy živočíchov ho využívajú na orientáciu v priestore, detekciu prekážok. Je tiež známe, že delfíny v prírode využívajú ultrazvuk (hlavne frekvencie od 80 do 100 kHz). V tomto prípade môže byť sila signálov polohy, ktoré vysielajú, veľmi veľká. Delfíny sú známe tým, že dokážu odhaliť tie, ktoré sú od nich vzdialené až kilometer.

Emitory (zdroje) ultrazvuku sú rozdelené do 2 veľkých skupín. Prvým sú generátory, v ktorých sú oscilácie excitované v dôsledku prítomnosti prekážok v nich inštalovaných v dráhe konštantného toku - prúdu kvapaliny alebo plynu. Druhou skupinou, do ktorej možno zdroje ultrazvuku kombinovať, sú elektroakustické meniče, ktoré premieňajú dané kolísanie prúdu alebo elektrického napätia na mechanické kmitanie vykonávané pevným telesom, ktoré vyžaruje akustické vlny do okolia.

Ultrazvukové prijímače

Na stredných a ultrazvukových prijímačoch sú elektroakustické meniče najčastejšie piezoelektrického typu. Dokážu reprodukovať podobu prijímaného akustického signálu, vyjadrenú ako časová závislosť akustického tlaku. Zariadenia môžu byť širokopásmové alebo rezonančné v závislosti od podmienok aplikácie, pre ktoré sú určené. Tepelné prijímače sa používajú na získanie časovo spriemerovaných charakteristík zvukového poľa. Sú to termistory alebo termočlánky potiahnuté látkou pohlcujúcou zvuk. Akustický tlak a intenzitu možno odhadnúť aj optickými metódami, ako je difrakcia svetla pomocou ultrazvuku.

Kde sa používa ultrazvuk?

Existuje mnoho oblastí jeho použitia, pričom využíva rôzne funkcie ultrazvuku. Tieto oblasti možno rozdeliť zhruba do troch oblastí. Prvý z nich je spojený so získavaním rôznych informácií pomocou ultrazvukových vĺn. Druhým smerom je jeho aktívny vplyv na látku. A tretí je spojený s prenosom a spracovaním signálov. V každom prípade sa používa špecifikácia USA. Z mnohých oblastí, v ktorých našiel svoje uplatnenie, pokryjeme len niekoľko.

Ultrazvukové čistenie

Kvalita takéhoto čistenia sa nedá porovnávať s inými metódami. Napríklad pri oplachovaní dielov zostáva na ich povrchu až 80% nečistôt, asi 55% - pri vibračnom čistení, asi 20% - pri ručnom čistení a pri čistení ultrazvukom, nie viac ako 0,5% nečistôt. Detaily, ktoré majú zložitý tvar, sa dajú dobre vyčistiť len pomocou ultrazvuku. Dôležitou výhodou jeho použitia je vysoká produktivita, ako aj nízke náklady na fyzickú prácu. Okrem toho je možné nahradiť drahé a horľavé organické rozpúšťadlá lacnými a bezpečnými vodnými roztokmi, použiť tekutý freón atď.

Vážnym problémom je znečistenie ovzdušia sadzami, dymom, prachom, oxidmi kovov a pod. Ultrazvukovú metódu čistenia vzduchu a plynu v plynových vývodoch môžete použiť bez ohľadu na okolitú vlhkosť a teplotu. Ak je ultrazvukový žiarič umiestnený v komore na usadzovanie prachu, jeho účinnosť sa stonásobne zvýši. Čo je podstatou takejto očisty? Častice prachu, ktoré sa náhodne pohybujú vo vzduchu, na seba silnejšie a častejšie pod vplyvom ultrazvukových vibrácií narážajú. Zároveň sa ich veľkosť zväčšuje vďaka tomu, že sa spájajú. Koagulácia je proces zväčšovania častíc. Ich vážené a zväčšené nahromadenia zachytávajú špeciálne filtre.

Obrábanie krehkých a supertvrdých materiálov

Ak vstúpite medzi obrobok a pracovný povrch nástroja, ktorý používa ultrazvuk, častice abrazíva počas prevádzky žiariča ovplyvnia povrch tejto časti. V tomto prípade je materiál zničený a odstránený, podrobený spracovaniu pôsobením rôznych riadených mikroúderov. Kinematika spracovania pozostáva z hlavného pohybu - rezanie, to znamená pozdĺžne vibrácie nástroja, a pomocný pohyb - posuv, ktorý zariadenie vykonáva.

Ultrazvuk môže vykonávať rôzne úlohy. Pre brúsne zrná sú zdrojom energie pozdĺžne vibrácie. Zničia spracovaný materiál. Posuvný pohyb (pomocný) môže byť kruhový, priečny a pozdĺžny. Ultrazvukové spracovanie je presnejšie. V závislosti od zrnitosti brusiva sa pohybuje od 50 do 1 mikrónu. Používanie nástrojov rôzne tvary, môžete robiť nielen otvory, ale aj zložité výrezy, zakrivené osi, gravírovať, brúsiť, vyrábať matrice a dokonca aj vŕtať diamant. Materiály používané ako brusivo sú korund, diamant, kremenný piesok, pazúrik.

Ultrazvuk v rádiovej elektronike

Ultrazvuk v strojárstve sa často používa v oblasti rádiovej elektroniky. V tejto oblasti je často potrebné oneskoriť elektrický signál v porovnaní s iným. Vedci našli dobré riešenie tým, že navrhli použitie ultrazvukových oneskorovacích liniek (skrátene LZ). Ich pôsobenie je založené na tom, že elektrické impulzy sa premieňajú na ultrazvukové Ako k tomu dochádza? Faktom je, že rýchlosť ultrazvuku je výrazne nižšia ako rýchlosť vyvinutá elektromagnetickými osciláciami. Napäťový impulz po inverznej transformácii na elektrické mechanické kmity bude na výstupe vedenia oneskorený vzhľadom na vstupný impulz.

Piezoelektrické a magnetostrikčné meniče sa používajú na premenu elektrických vibrácií na mechanické a naopak. LZ sa delia na piezoelektrické a magnetostrikčné.

Ultrazvuk v medicíne

Na ovplyvnenie živých organizmov sa používajú rôzne druhy ultrazvuku. V lekárskej praxi je jeho použitie teraz veľmi populárne. Je založená na účinkoch, ktoré sa vyskytujú v biologických tkanivách, keď nimi prechádza ultrazvuk. Vlny spôsobujú kolísanie častíc média, čím vzniká akási tkanivová mikromasáž. A absorpcia ultrazvuku vedie k ich lokálnemu zahrievaniu. Súčasne v biologických médiách dochádza k určitým fyzikálno-chemickým transformáciám. Tieto javy v prípade stredne závažného ireverzibilného poškodenia nespôsobujú. Zlepšujú iba metabolizmus, a preto prispievajú k životne dôležitej aktivite tela, ktoré je im vystavené. Takéto javy sa používajú pri ultrazvukovej terapii.

Ultrazvuk v chirurgii

Kavitácia a silné zahrievanie pri vysokej intenzite vedie k deštrukcii tkaniva. Tento efekt sa dnes využíva v chirurgii. Pri chirurgických operáciách sa používa fokusovaný ultrazvuk, ktorý umožňuje lokálnu deštrukciu v najhlbších štruktúrach (napríklad mozgu), bez poškodenia okolitých. V chirurgii sa používajú aj ultrazvukové nástroje, ktorých pracovný koniec vyzerá ako pilník, skalpel, ihla. Vibrácie, ktoré na ne pôsobia, dávajú týmto nástrojom nové kvality. Požadovaná sila je výrazne znížená, preto sa znižuje traumatizmus operácie. Okrem toho sa prejavuje analgetický a hemostatický účinok. Náraz tupým nástrojom pomocou ultrazvuku sa používa na zničenie určitých typov novotvarov, ktoré sa objavili v tele.

Účinok na biologické tkanivá sa vykonáva na ničenie mikroorganizmov a používa sa v procesoch sterilizácie liekov a lekárskych nástrojov.

Vyšetrenie vnútorných orgánov

V podstate hovoríme o štúdiu brušnej dutiny. Na tento účel možno použiť špeciálny na vyhľadávanie a rozpoznávanie rôznych anomálií tkanív a anatomických štruktúr. Úloha je často nasledovná: existuje podozrenie na malígny útvar a je potrebné ho odlíšiť od benígneho alebo infekčného útvaru.

Ultrazvuk je užitočný pri vyšetrovaní pečene a pri iných úlohách, medzi ktoré patrí zisťovanie obštrukcií a ochorení žlčových ciest, ako aj vyšetrenie žlčníka na zistenie prítomnosti kameňov a iných patológií v ňom. Okrem toho sa môže použiť testovanie na cirhózu a iné difúzne benígne ochorenia pečene.

V oblasti gynekológie, najmä pri analýze vaječníkov a maternice, je použitie ultrazvuku už dlho hlavným smerom, v ktorom sa vykonáva s osobitným úspechom. Často je tu potrebná aj diferenciácia nezhubných a malígnych útvarov, čo si zvyčajne vyžaduje najlepší kontrast a priestorové rozlíšenie. Podobné závery môžu byť užitočné pri štúdiu mnohých ďalších vnútorných orgánov.

Využitie ultrazvuku v zubnom lekárstve

Ultrazvuk sa dostal aj do zubného lekárstva, kde sa používa na odstránenie zubného kameňa. Umožňuje vám rýchlo, bez krvi a bezbolestne odstrániť plak a kameň. Zároveň nie je zranená ústna sliznica a "vrecká" dutiny sú dezinfikované. Namiesto bolesti má pacient pocit tepla.

Ultrazvuk

Ultrazvuk- elastické kmity s frekvenciou nad hranicou sluchu pre človeka. Zvyčajne sa za ultrazvukový rozsah považujú frekvencie nad 18 000 hertzov.

Hoci je existencia ultrazvuku známa už dlho, jeho praktické využitie je skôr mladé. V súčasnosti je ultrazvuk široko používaný v rôznych fyzikálnych a technologických metódach. Takže podľa rýchlosti šírenia zvuku v médiu sa posudzujú jeho fyzikálne vlastnosti. Merania rýchlosti na ultrazvukových frekvenciách umožňujú s veľmi malými chybami určiť napríklad adiabatické charakteristiky rýchlych procesov, hodnoty mernej tepelnej kapacity plynov a elastické konštanty pevných látok.

Zdroje ultrazvuku

Frekvencia ultrazvukových vibrácií používaných v priemysle a biológii leží v rozmedzí rádovo niekoľkých MHz. Takéto vibrácie sa zvyčajne vytvárajú pomocou piezokeramických meničov s titanitom bária. V prípadoch, kde má primárny význam sila ultrazvukových vibrácií, sa zvyčajne používajú mechanické zdroje ultrazvuku. Spočiatku boli všetky ultrazvukové vlny prijímané mechanicky (ladičky, píšťaly, sirény).

V prírode sa USA vyskytujú ako súčasť mnohých prírodných zvukov (v hluku vetra, vodopádu, dažďa, v hluku kamienkov valených morským príbojom, v zvukoch sprevádzajúcich výboje blesku atď.), ako aj medzi zvukmi zvieracieho sveta. Niektoré zvieratá využívajú ultrazvukové vlny na detekciu prekážok, orientáciu v priestore.

Ultrazvukové žiariče možno rozdeliť do dvoch veľkých skupín. Prvý zahŕňa žiariče-generátory; oscilácie v nich sú excitované v dôsledku prítomnosti prekážok na ceste konštantného toku - prúdu plynu alebo kvapaliny. Druhá skupina žiaričov - elektroakustické meniče; premieňajú už dané výkyvy elektrického napätia alebo prúdu na mechanické kmitanie pevného telesa, ktoré vyžaruje do okolia akustické vlny.

Píšťal Galton

Prvú ultrazvukovú píšťalu vyrobil v roku 1883 Angličan Galton. Ultrazvuk tu vzniká ako vysoký zvuk na ostrí noža, keď naň dopadá prúd vzduchu. Úlohu takéhoto hrotu v Galtonovej píšťale zohráva „pysk“ v malej valcovej rezonančnej dutine. Vysokotlakový plyn prechádzajúci cez dutý valec naráža na tento "pysk"; vznikajú kmity, ktorých frekvencia (je to asi 170 kHz) je určená veľkosťou dýzy a pier. Sila Galtonovej píšťaly je nízka. Používa sa hlavne na zadávanie povelov pri výcviku psov a mačiek.

Kvapalná ultrazvuková píšťalka

Väčšina ultrazvukových píšťal môže byť prispôsobená na prácu v tekutom médiu. Kvapalné ultrazvukové píšťaly majú v porovnaní s elektrickými zdrojmi ultrazvuku nízky výkon, no niekedy napríklad pre ultrazvukovú homogenizáciu majú značnú výhodu. Keďže ultrazvukové vlny vznikajú priamo v kvapalnom prostredí, nedochádza pri prechode z jedného média do druhého k strate energie ultrazvukových vĺn. Snáď najúspešnejší je návrh tekutej ultrazvukovej píšťaly, ktorý vyrobili anglickí vedci Kottel a Goodman začiatkom 50. rokov minulého storočia. V ňom vysokotlakový prúd tekutiny vystupuje z eliptickej dýzy a smeruje na oceľovú platňu. Rôzne modifikácie tohto dizajnu sa značne rozšírili, aby sa získali homogénne médiá. Vďaka jednoduchosti a stabilite ich konštrukcie (zničí sa iba oscilačná doska) sú takéto systémy odolné a lacné.

Siréna

Ďalším druhom mechanických zdrojov ultrazvuku je siréna. Má pomerne vysoký výkon a používa sa v policajných a hasičských autách. Všetky rotačné sirény pozostávajú z komory zhora uzavretej kotúčom (statorom), v ktorej je vytvorený veľký počet otvorov. Na kotúči otáčajúcom sa vnútri komory - rotora je rovnaký počet otvorov. Keď sa rotor otáča, poloha otvorov v ňom sa periodicky zhoduje s polohou otvorov na statore. Do komory je nepretržite privádzaný stlačený vzduch, ktorý z nej uniká v tých krátkych okamihoch, keď sa otvory na rotore a statore zhodujú.

Hlavnou úlohou pri výrobe sirén je po prvé urobiť do rotora čo najviac otvorov a po druhé dosiahnuť vysokú rýchlosť otáčania. Obe tieto požiadavky je však v praxi veľmi ťažké splniť.

Ultrazvuk v prírode

Aplikácia ultrazvuku

Diagnostické využitie ultrazvuku v medicíne (ultrazvuk)

Vďaka dobrému šíreniu ultrazvuku v mäkkých tkanivách človeka, jeho relatívnej neškodnosti v porovnaní s röntgenovým žiarením a jednoduchosti použitia v porovnaní s magnetickou rezonanciou je ultrazvuk široko používaný na vizualizáciu stavu vnútorných orgánov človeka, najmä v dutine brušnej a panvovej dutiny.

Terapeutické aplikácie ultrazvuku v medicíne

Okrem toho, že sa ultrazvuk široko používa na diagnostické účely (pozri Ultrazvuk), používa sa v medicíne ako terapeutické činidlo.

Ultrazvuk má tieto účinky:

• protizápalové, absorbujúce
• analgetikum, spazmolytikum
• kavitačné zvýšenie priepustnosti kože

Fonoforéza je kombinovaná metóda, pri ktorej sú tkanivá ovplyvnené ultrazvukom a s ním zavádzané liečivé látky (lieky aj prírodného pôvodu). Vedenie látok pod pôsobením ultrazvuku je spôsobené zvýšením priepustnosti epidermy a kožných žliaz, bunkové membrány a steny nádob pre látky malé molekulová hmotnosť, najmä - ióny bischofitových minerálov. Pohodlie ultrafonoforézy liekov a prírodných látok:

• liečivá látka sa ultrazvukom nezničí
• synergizmus pôsobenia ultrazvuku a terapeutickej látky

Indikácie pre bischofitovú ultrafonoforézu: artróza, osteochondróza, artritída, burzitída, epikondylitída, pätová ostroha, stavy po úrazoch pohybového aparátu; Neuritída, neuropatia, radikulitída, neuralgia, poranenie nervov.

Nanesie sa Bischofite-gel a pracovná plocha žiariča sa použije na mikromasáž postihnutého miesta. Technika je labilná, bežná pre ultrafonoforézu (pri UVF kĺbov, chrbtice je intenzita v krčnej oblasti 0,2-0,4 W/cm2, v hrudnej a driekovej oblasti - 0,4-0,6 W/cm2).

Rezanie kovov ultrazvukom

Na konvenčných strojoch na obrábanie kovov nie je možné vyvŕtať úzky otvor zložitého tvaru do kovovej časti, napríklad vo forme päťcípej hviezdy. Pomocou ultrazvuku je to možné, magnetostrikčný vibrátor dokáže vyvŕtať otvory akéhokoľvek tvaru. Ultrazvukový sekáč úplne nahrádza frézku. Zároveň je takýto sekáč oveľa jednoduchší ako frézka a je lacnejšie a rýchlejšie s ním opracovávať kovové diely ako s frézou.

Ultrazvuk dokáže dokonca špirálovité rezanie v kovových častiach, v skle, v rubíne, v diamante. Zvyčajne je závit najskôr vyrobený z mäkkého kovu a potom je časť vytvrdená. Na ultrazvukovom stroji je možné vyrobiť závity v už vytvrdenom kove a v najtvrdších zliatinách. To isté so známkami. Typicky sa pečiatka po starostlivom dokončení temperuje. Na ultrazvukovom stroji sa najkomplexnejšie spracovanie vykonáva abrazívom (šmirgľový, korundový prášok) v oblasti ultrazvukovej vlny. Pevné práškové častice sa nepretržite kmitajú v oblasti ultrazvuku do spracovávanej zliatiny a vyrezávajú otvor rovnakého tvaru, ako má dláto.

Príprava zmesí pomocou ultrazvuku

Ultrazvuk je široko používaný na prípravu homogénnych zmesí (homogenizácia). Už v roku 1927 americkí vedci Limus a Wood zistili, že ak sa dve nemiešateľné kvapaliny (napríklad olej a voda) nalejú do jednej kadičky a podrobia sa ožiareniu ultrazvukom, potom sa v kadičke vytvorí emulzia, teda jemná suspenzia olej vo vode. Takéto emulzie hrajú dôležitú úlohu v priemysle: sú to laky, farby, farmaceutické výrobky a kozmetika.

Využitie ultrazvuku v biológii

Schopnosť ultrazvuku rozbíjať bunkové membrány našla uplatnenie v biologickom výskume, napríklad v prípade potreby na oddelenie bunky od enzýmov. Ultrazvuk sa tiež používa na ničenie vnútrobunkových štruktúr, ako sú mitochondrie a chloroplasty, aby sa študoval vzťah medzi ich štruktúrou a funkciou. Ďalšia aplikácia ultrazvuku v biológii súvisí s jeho schopnosťou vyvolať mutácie. Štúdie uskutočnené v Oxforde ukázali, že aj ultrazvuk s nízkou intenzitou môže poškodiť molekulu DNA. Pri šľachtení rastlín hrá dôležitú úlohu umelá účelová tvorba mutácií. Hlavná výhoda ultrazvuku oproti iným mutagénom ( röntgenové lúče, ultrafialové lúče) spočíva v tom, že sa s ním veľmi ľahko pracuje.

Použitie ultrazvuku na čistenie

Použitie ultrazvuku na mechanické čistenie je založené na výskyte rôznych nelineárnych efektov v kvapaline pod jeho vplyvom. Patria sem kavitácia, akustické prúdy, akustický tlak. Hlavnú úlohu hrá kavitácia. Jeho bubliny, ktoré vznikajú a padajú v blízkosti znečistenia, ich ničia. Tento efekt je známy ako kavitačná erózia. Ultrazvuk používaný na tieto účely má nízke frekvencie a zvýšený výkon.

V laboratórnych a výrobných podmienkach sa na umývanie malých dielov a náradia používajú ultrazvukové vane naplnené rozpúšťadlom (voda, lieh a pod.). Niekedy sa s ich pomocou umyjú aj koreňové plodiny (zemiaky, mrkva, repa atď.) Z častíc zeme.

Aplikácia ultrazvuku pri meraní prietoku

Od 60. rokov minulého storočia sa v priemysle používajú ultrazvukové prietokomery na riadenie prietoku a zúčtovanie vody a chladiacej kvapaliny.

Využitie ultrazvuku pri zisťovaní chýb

Ultrazvuk sa v niektorých materiáloch dobre šíri, čo umožňuje jeho použitie na ultrazvukovú detekciu defektov výrobkov vyrobených z týchto materiálov. Nedávno bol vyvinutý smer ultrazvukovej mikroskopie, ktorý umožňuje študovať podpovrchovú vrstvu materiálu s dobrým rozlíšením.

ultrazvukové zváranie

Ultrazvukové zváranie - tlakové zváranie, vykonávané pod vplyvom ultrazvukových vibrácií. Tento typ zvárania sa používa na spájanie častí, ktoré sa ťažko zahrievajú, alebo pri spájaní odlišných kovov alebo kovov so silnými oxidovými filmami (hliník, nehrdzavejúca oceľ, permalloy magnetické jadrá atď.). Takže ultrazvukové zváranie sa používa pri výrobe integrovaných obvodov.

Využitie ultrazvuku pri galvanickom pokovovaní

Ultrazvuk sa používa na zintenzívnenie galvanických procesov a zlepšenie kvality povlakov vyrobených elektrochemickou metódou.