Dmitrij Levkin

ultrazvok- mehanske vibracije nad frekvenčnim območjem, ki ga sliši človeško uho (običajno 20 kHz). Ultrazvočne vibracije potujejo v valovni obliki, podobno kot pri širjenju svetlobe. Vendar pa za razliko od svetlobnih valov, ki lahko potujejo v vakuumu, ultrazvok zahteva elastičen medij, kot je plin, tekočina ali trdna snov.

, (3)

Za prečne valove se določi s formulo

Zvočna disperzija- odvisnost fazne hitrosti monokromatskih zvočnih valov od njihove frekvence. Disperzijo hitrosti zvoka lahko določimo kot fizične lastnosti okolje, in prisotnost tujih vključkov v njem ter prisotnost meja telesa, v katerem se širi zvočni val.

Vrste ultrazvočnih valov

Večina ultrazvočnih metod uporablja vzdolžne ali prečne valove. Obstajajo tudi druge oblike širjenja ultrazvoka, vključno s površinskimi valovi in ​​Lambovimi valovi.

Vzdolžni ultrazvočni valovi– valovi, katerih smer širjenja sovpada s smerjo premikov in hitrostmi delcev medija.

Prečni ultrazvočni valovi- valovi, ki se širijo v smeri, pravokotni na ravnino, v kateri ležijo smeri premikov in hitrosti telesnih delcev, enako kot strižni valovi.

Površinski (Rayleighovi) ultrazvočni valovi imajo eliptično gibanje delcev in se razprostirajo po površini materiala. Njihova hitrost je približno 90 % hitrosti širjenja strižnega vala, njihov prodor v material pa je približno ena valovna dolžina.

Lamb val- elastični val, ki se širi v trdni plošči (plasti) s prostimi mejami, pri katerem se nihajni premik delcev pojavlja tako v smeri širjenja valov kot pravokotno na ravnino plošče. Lambovi valovi so ena od vrst normalnih valov v elastičnem valovodu - v plošči s prostimi mejami. Ker ti valovi morajo izpolnjevati ne le enačbe teorije elastičnosti, temveč tudi mejne pogoje na površini plošče, vzorec gibanja v njih in njihove lastnosti so bolj zapletene kot pri valovih v neomejenih trdnih snoveh.

Vizualizacija ultrazvočnih valov

Za ravni sinusni potujoči val se intenzivnost ultrazvoka I določi s formulo

, (5)

V sferični potujoči val Intenzivnost ultrazvoka je obratno sorazmerna s kvadratom razdalje od vira. V stoječi val I = 0, torej v povprečju ni pretoka zvočne energije. Ultrazvočna intenzivnost v harmonski ravninski potujoči val je enaka energijski gostoti zvočnega vala, pomnoženi s hitrostjo zvoka. Za tok zvočne energije je značilen t.i Umov vektor- vektor gostote pretoka energije zvočnega valovanja, ki ga lahko predstavimo kot zmnožek jakosti ultrazvoka in vektorja normale valov, to je vektor enote, pravokoten na valovno fronto. Če je zvočno polje superpozicija harmoničnih valov različnih frekvenc, potem za vektor povprečne gostote toka zvočne energije obstaja aditivnost komponent.

Govorimo o oddajnikih, ki ustvarjajo ravni val intenzivnost sevanja, kar pomeni s tem specifična moč oddajnika, to je moč sevanja zvoka na enoto površine sevalne površine.

Intenzivnost zvoka se meri v enotah SI v W/m 2 . Pri ultrazvočni tehnologiji je interval spremembe jakosti ultrazvoka zelo velik - od mejnih vrednosti ~ 10 -12 W/m 2 do stotih kW/m 2 v žarišču ultrazvočnih koncentratorjev.

Tabela 1 - Lastnosti nekaterih običajnih materialov

Material	Gostota, kg / m 3	Hitrost vzdolžnega valovanja, m/s	Hitrost strižnega valovanja, m/s	, 10 3 kg / (m 2 * s)
Akril	1180	2670	-	3,15
Zrak	0,1	330	-	0,00033
aluminij	2700	6320	3130	17,064
Medenina	8100	4430	2120	35,883
baker	8900	4700	2260	41,830
Steklo	3600	4260	2560	15,336
nikelj	8800	5630	2960	49,544
poliamid (najlon)	1100	2620	1080	2,882
Jeklo (nizko legirano)	7850	5940	3250	46,629
titan	4540	6230	3180	26,284
Volfram	19100	5460	2620	104,286
voda (293K)	1000	1480	-	1,480

Oslabitev ultrazvoka

Ena od glavnih značilnosti ultrazvoka je njegovo dušenje. Oslabitev ultrazvoka je zmanjšanje amplitude in s tem zvočnega vala, ko se širi. Do oslabitve ultrazvoka pride zaradi številnih razlogov. Glavni so:

Prvi od teh razlogov je povezan z dejstvom, da se ob širjenju vala iz točkovnega ali sferičnega vira energija, ki jo oddaja vir, porazdeli po vse večji površini valovne fronte in s tem tudi pretok energije skozi enoto. površina se zmanjša, tj . Za sferični val, katerega valovna površina raste z oddaljenostjo r od vira kot r 2 , se amplituda valovanja zmanjša sorazmerno z , za valjasti val pa sorazmerno z .

Koeficient slabljenja je izražen v decibelih na meter (dB/m) ali v neperjih na meter (Np/m).

Za ravni val je koeficient slabljenja v amplitudi z razdaljo določen s formulo

, (6)

Določi se faktor dušenja glede na čas

, (7)

Za merjenje koeficienta se v tem primeru uporablja tudi enota dB / m

, (8)

Decibel (dB) je logaritemska enota za merjenje razmerja energij ali moči v akustiki.

, (9)

• kjer je A 1 amplituda prvega signala,
• A 2 - amplituda drugega signala

Potem bo razmerje med merskima enotama (dB/m) in (1/m) naslednje:

Odsev ultrazvoka od vmesnika

Ko zvočni val pade na vmesnik med mediji, se del energije odbije v prvi medij, preostanek energije pa preide v drugi medij. Razmerje med odbito energijo in energijo, ki prehaja v drugi medij, določata valovna impedanca prvega in drugega medija. V odsotnosti disperzije hitrosti zvoka valovni upor ni odvisna od valovne oblike in je izražena s formulo:

Odbojni in prepustni koeficienti se določijo na naslednji način

• kjer je D koeficient prenosa zvočnega tlaka

Upoštevati je treba tudi, da če je drugi medij akustično »mehkejši«, t.j. Z 1 >Z 2, potem se faza vala ob odboju spremeni za 180˚.

Koeficient prenosa energije iz enega medija v drugega je določen z razmerjem med intenzivnostjo vala, ki prehaja v drugi medij, in intenzivnostjo vpadnega vala.

, (14)

Interferenca in difrakcija ultrazvočnih valov

Zvočne motnje- neenakomernost prostorske porazdelitve amplitude nastalega zvočnega vala, odvisno od razmerja med fazami valov, ki nastanejo na določeni točki v prostoru. Ko se dodajo harmonični valovi enake frekvence, nastala prostorska porazdelitev amplitud tvori časovno neodvisen interferenčni vzorec, ki ustreza spremembi fazne razlike komponentnih valov pri premikanju od točke do točke. Za dva moteča valova ima ta vzorec na ravnini obliko izmeničnih pasov ojačanja in slabljenja amplitude količine, ki označuje zvočno polje (na primer zvočni tlak). Pri dveh ravnih valovih so pasovi premočrtni, pri čemer se amplituda spreminja po pasovih glede na spremembo fazne razlike. Pomemben poseben primer interference je dodatek ravnega vala z njegovim odbojom od ravne meje; v tem primeru se oblikuje stoječi val z ravninami vozlišč in antinod, ki se nahajajo vzporedno z mejo.

difrakcija zvoka- odstopanje zvočnega obnašanja od zakonov geometrijske akustike, zaradi valovne narave zvoka. Rezultat difrakcije zvoka je razhajanje ultrazvočnih žarkov pri odmiku od oddajnika ali po prehodu skozi luknjo v zaslonu, upogibanje zvočnih valov v senčno območje za ovirami, ki so velike v primerjavi z valovno dolžino, odsotnost senca za ovirami, ki so majhne v primerjavi z valovno dolžino itd. n. Zvočna polja, ki nastanejo z uklonom izvirnega valovanja na ovirah, ki so postavljene v medij, na nehomogenosti samega medija, pa tudi na nepravilnostih in nehomogenostih meje medija, se imenujejo razpršena polja. Za predmete, na katerih se pojavi difrakcija zvoka, ki so v primerjavi z valovno dolžino velike, je stopnja odstopanja od geometrijskega vzorca odvisna od vrednosti parametra valovanja

, (15)

• kjer je D premer predmeta (na primer premer ultrazvočnega oddajnika ali ovire),
• r - oddaljenost opazovalne točke od tega objekta

Ultrazvočni oddajniki

Ultrazvočni oddajniki- naprave, ki se uporabljajo za vzbujanje ultrazvočnih vibracij in valov v plinastih, tekočih in trdnih medijih. Ultrazvočni oddajniki pretvorijo neko drugo obliko energije v energijo.

Najpogosteje uporabljeni kot oddajniki ultrazvoka prejeli elektroakustični pretvorniki. V veliki večini tovrstnih ultrazvočnih oddajnikov, in sicer v piezoelektrični pretvorniki , magnetostriktivni pretvorniki, elektrodinamični oddajniki, elektromagnetnih in elektrostatičnih oddajnikov, se električna energija pretvori v vibracijsko energijo trdnega telesa (sevalna plošča, palica, membrana itd.), ki v okolje oddaja akustične valove. Vsi našteti pretvorniki so praviloma linearni in posledično nihanja sevalnega sistema reproducirajo vzbujevalni električni signal v obliki; le pri zelo velikih amplitudah nihanja blizu zgornje meje dinamičnega razpona ultrazvočnega oddajnika lahko pride do nelinearnih popačenj.

V pretvornikih, zasnovanih za oddajanje monokromatskega valovanja, se ta pojav uporablja resonanca: delujejo na eno izmed lastnih nihanj mehanskega nihajnega sistema, katerega frekvenca je naravnana na generator električnih nihanj, ki vzbuja pretvornik. Elektroakustični pretvorniki, ki nimajo polprevodniškega sevalnega sistema, se relativno redko uporabljajo kot ultrazvočni oddajniki; ti vključujejo na primer ultrazvočne oddajnike, ki temeljijo na električni razelektritvi v tekočini ali na elektrostrikcije tekočine.

Značilnosti ultrazvočnega oddajnika

Glavne značilnosti ultrazvočnih oddajnikov so njihove frekvenčni spekter, oddaja moč zvoka, usmerjenost sevanja. Pri monofrekvenčnem sevanju so glavne značilnosti delovna frekvenca ultrazvočni oddajnik in njegov frekvenčni pas, katerega meje določa padec sevane moči za faktor dva v primerjavi z njeno vrednostjo pri frekvenci največjega sevanja. Za resonančne elektroakustične pretvornike je delovna frekvenca naravna frekvenca f 0 pretvornik in Širina črteΔf je določen s svojim faktor kakovosti Q

Za ultrazvočne oddajnike (elektroakustični pretvorniki) so značilna občutljivost, elektroakustična učinkovitost in lastna električna impedanca.

Občutljivost ultrazvočnega pretvornika- razmerje zvočnega tlaka pri maksimumu smerne karakteristike na določeni razdalji od oddajnika (najpogosteje na razdalji 1 m) do električne napetosti na njem ali toka, ki teče v njem. Ta specifikacija velja za ultrazvočne pretvornike, ki se uporabljajo v sistemih hupov, sonarjev in drugih podobnih aplikacijah. Za oddajnike za tehnološke namene, ki se uporabljajo na primer za ultrazvočno čiščenje, koagulacijo, vpliv na kemične procese, je glavna značilnost moč. Skupaj s skupno močjo sevanja, ocenjeno v W, so značilni ultrazvočni oddajniki gostota moči, to je povprečna moč na enoto površine sevalne površine ali povprečna intenzivnost sevanja v bližnjem polju, ocenjena v W / m 2.

Učinkovitost elektroakustičnih pretvornikov, ki oddajajo akustično energijo v ozvočeno okolje, je značilna njihova vrednost elektroakustična učinkovitost, kar je razmerje med oddano akustično močjo in porabljeno električno močjo. V akustoelektroniki se za oceno učinkovitosti ultrazvočnih oddajnikov uporablja tako imenovani koeficient električnih izgub, ki je enak razmerju (v dB) električne moči in zvočne moči. Učinkovitost ultrazvočnih orodij, ki se uporabljajo pri ultrazvočnem varjenju, strojni obdelavi in ​​podobno, je značilen tako imenovani faktor učinkovitosti, ki je razmerje med kvadratom amplitude oscilatornega premika na delovnem koncu koncentratorja in električnim moč, ki jo porabi pretvornik. Včasih se za karakterizacijo pretvorbe energije v ultrazvočnih oddajnikih uporablja efektivni elektromehanski sklopni koeficient.

Oddajnik zvočnega polja

Zvočno polje pretvornika je razdeljeno na dve coni: bližnje in daljno območje. bližnja cona to je območje neposredno pred pretvornikom, kjer gre amplituda odmeva skozi niz visokih in nizkih vrednosti. Bližnje območje se konča pri zadnjem maksimumu, ki se nahaja na razdalji N od pretvornika. Znano je, da je lokacija zadnjega maksimuma naravno žarišče pretvornika. oddaljeno območje to je območje onkraj N, kjer se tlak zvočnega polja postopoma zmanjšuje na nič.

Položaj zadnjega največjega N na akustični osi pa je odvisen od premera in valovne dolžine, za okrogli disk radiator pa je izražen s formulo

, (17)

Ker pa je D običajno veliko večji, lahko enačbo poenostavimo na obliko

Značilnosti zvočnega polja so določene z zasnovo ultrazvočnega pretvornika. Posledično sta širjenje zvoka na preučevanem območju in občutljivost senzorja odvisna od njegove oblike.

Uporaba ultrazvoka

Različne aplikacije ultrazvoka, v katerih se uporabljajo njegove različne lastnosti, lahko pogojno razdelimo na tri področja. povezane s sprejemanjem informacij z ultrazvočnimi valovi, - z aktivnim učinkom na snov in - z obdelavo in prenosom signalov (smeri so navedene po vrstnem redu njihovega zgodovinskega razvoja). V vsaki specifični aplikaciji se uporablja ultrazvok določenega frekvenčnega območja.

Če se v neprekinjenem mediju - plinih, tekočinah ali trdnih snoveh, izkaže, da so delci medija odstranjeni iz ravnotežnega položaja, jih bodo elastične sile, ki delujejo nanje iz drugih delcev, vrnile v ravnotežni položaj. V tem primeru bodo delci nihali. Širjenje elastičnih nihanj v neprekinjenem mediju je valovno podoben proces.
Imenujejo se nihanja s frekvenco od enot Hertz (Hz) do 20 Hertz infrazvočni, pri frekvenci od 20 Hz do 16 ... 20 kHz nastanejo nihanja slišni zvoki. ultrazvočne vibracije ustrezajo frekvencam od 16 ... 20 kHz do 10 8 Hz, nihanja s frekvenco več kot 10 8 Hz pa se imenujejo hiperzvočni. Slika 1.1 prikazuje logaritemsko frekvenčno lestvico, ki temelji na izrazu log 2 f = 1, 2, 3 …, n, kje 1, 2, 3 ..., št so oktavne številke.

Slika 1.1 - Razponi elastičnih vibracij v materialnih medijih

Fizična narava elastičnih nihanj je enaka v celotnem frekvenčnem območju. Če želite razumeti naravo elastičnih vibracij, upoštevajte njihove lastnosti.
Valovna oblika je oblika valovne fronte, t.j. niz točk, ki imajo isto fazo. Vibracije ravnine ustvarjajo ravni zvočni val, če se valj občasno stisne in razširi vzdolž smeri svojega polmera, potem nastane valjasti val. Točkovni oddajnik ali pulzirajoča krogla, katere dimenzije so majhne v primerjavi z valovno dolžino oddanega vala, ustvarja sferični val.

Zvočni valovi so razvrščeni glede na vrsta valovanja : lahko so vzdolžni, prečni, upogibni, torzijski - odvisno od pogojev vzbujanja in širjenja. V tekočinah in plinih se širijo le vzdolžni valovi, v trdnih telesih pa se lahko pojavijo tudi prečni in drugi od naštetih vrst valov. Pri vzdolžnem valu smer nihanja delcev sovpada s smerjo širjenja valov (slika 1.2, a), se prečni val širi pravokotno na smer nihanja delcev (slika 1.2, b) .

a) gibanje delcev medija med širjenjem vzdolžnega vala; b) gibanje delcev medija med širjenjem prečnega vala.

Slika 1.2 – Gibanje delcev med širjenjem valov

Vsak val kot nihanje, ki se širi v času in prostoru, je mogoče opisati frekvenco , valovna dolžina in amplituda (Slika 3) . V tem primeru je valovna dolžina λ povezana s frekvenco f preko hitrosti širjenja valov v danem materialu c: λ = c/f.

Slika 1.3 - Značilnosti nihajnega procesa

1.6 Praktična uporaba nizkoenergijskih ultrazvočnih vibracij

Področje uporabe nizko intenzivnih ultrazvočnih vibracij (pogojno do 1 W/cm 2 ) je zelo obsežno in obravnavali bomo več glavnih aplikacij nizko intenzivnih ultrazvočnih vibracij.
1. Ultrazvočne naprave za spremljanje kemičnih lastnosti različni materiali in okolja. Vsi temeljijo na spremembi hitrosti ultrazvočnih vibracij v mediju in omogočajo:
- določiti koncentracijo binarnih mešanic;
- gostota raztopin;
- stopnja polimerizacije polimerov;
- prisotnost nečistoč, plinskih mehurčkov v raztopinah;
- določiti hitrost kemičnih reakcij;
- vsebnost maščobe v mleku, smetani, kisli smetani;
- disperzija v heterogenih sistemih itd.
Ločljivost sodobnih ultrazvočnih instrumentov je 0,05 %, natančnost meritev hitrosti širjenja na vzorcih dolžine 1 m je 0,5 -1 m/s (hitrost v kovini je več kot 5000 m/s). Skoraj vse meritve se izvajajo v primerjavi s standardom.
2. Instrumenti za kontrolo fizikalnih in kemijskih lastnosti temelji na ultrazvočnih meritvah dušenja. Takšne naprave omogočajo merjenje viskoznosti, merjenja gostote, sestave, vsebnosti nečistoč, plinov itd. Uporabljene metode temeljijo tudi na metodah primerjave s standardom.
3. Ultrazvočni merilniki pretoka za tekočine v cevovodih. Njihovo delovanje temelji tudi na merjenju hitrosti širjenja ultrazvočnih vibracij vzdolž toka tekočine in proti toku. Primerjava dveh hitrosti vam omogoča, da določite pretok, pri znanem odseku cevovoda pa tudi pretok. Primer enega od merilnikov pretoka (št. 15183 v Državnem registru merilnih instrumentov) je prikazan na sliki 1.4.

Slika 1.4 - Stacionarni ultrazvočni merilnik pretoka "AKRON"

Tak merilnik pretoka omogoča merjenje volumskega pretoka in skupne prostornine (količine) tekočin, ki tečejo v tlačnih cevovodih vodovodnih, kanalizacijskih in oskrbovalnih sistemov z naftnimi derivati ​​brez vpetja v obstoječi cevovod. Načelo delovanja merilnika pretoka je merjenje razlike v času prehoda ultrazvočni val vzdolž pretoka in proti toku nadzorovane tekočine, pri čemer se ta preračuna v trenutni pretok z naknadno integracijo.
Napaka naprave je 2 % zgornje meje merjenja. Zgornjo in spodnjo mejo meritve določi operater. Merilnik pretoka vključuje senzorsko enoto (sestavljena je iz dveh ultrazvočnih senzorjev in naprave za njihovo montažo na cev) in elektronsko enoto, ki je povezana z radiofrekvenčnim kablom dolžine do 50 m (standardno - 10 m). Senzorji so nameščeni na ravnem delu cevovoda na zunanji površini, očiščeni umazanije, barve in rje. Pogoj za pravilno namestitev senzorjev je prisotnost ravnega odseka cevi najmanj 10 premerov cevi - pred in 5 premerov - za senzorji.
4. Indikatorji ravni
Načelo delovanja temelji na določanju nivoja tekočih ali razsutih materialov z ultrazvočnimi impulzi, ki prehajajo skozi plinasti medij, in na pojavu odboja teh impulzov od vmesnika "plin - nadzorovan medij". V tem primeru je merilo nivoja čas širjenja zvočnih vibracij od oddajnika do nadzorovanega vmesnika med medijem in nazaj do sprejemnika. Rezultat meritve se prikaže na osebnem računalniku, kjer so shranjene vse meritve, z naknadno možnostjo ogleda in analize ter priključitve na avtomatiziran sistem zbiranja in obdelave podatkov. Nivomer kot del sistema lahko vključuje končne avtomate, črpalke in druge naprave na nivojih nad maksimalno in pod minimalno vrednostjo, kar omogoča avtomatizacijo tehnološkega procesa. Dodatno se oblikuje tokovni izhod (0,5 mA, 0-20 mA) za samosnemalne naprave.
Indikator nivoja vam omogoča nadzor temperature medija v rezervoarjih. Glavni izhodni format je razdalja od vrha rezervoarja do površine snovi, ki jo vsebuje. Na željo naročnika je ob posredovanju potrebnih informacij možno napravo dodelati za prikaz višine, mase ali prostornine snovi v rezervoarju.
5. Ultrazvočni analizatorji plinske sestave temeljijo na uporabi odvisnosti ultrazvočne hitrosti v mešanici plinov od hitrosti v vsakem od sestavnih plinov te mešanice.
6. Varnostne ultrazvočne naprave temeljijo na merjenju različnih parametrov ultrazvočnih polj (amplitude nihanja, ko je prostor med oddajnikom in sprejemnikom blokiran, spremembe frekvence ob odboju od premikajočega se predmeta itd.).
7. Merilniki temperature plina in požarni alarmi, ki temeljijo na spremembi hitrosti širjenja zaradi spremembe temperature okolice ali videza dima.
8. Naprave za ultrazvočno nedestruktivno testiranje. Neporušno testiranje je ena glavnih tehnoloških metod za zagotavljanje kakovosti materialov in izdelkov. Nobenega izdelka ne smete uporabljati brez pregleda. Preverjanje je mogoče izvesti s testiranjem, vendar je na ta način mogoče testirati 1-10 izdelkov, vendar je nemogoče preveriti 100 % vseh izdelkov, ker preveri - pomeni pokvariti vse izdelke. Zato je treba preveriti brez uničenja.
Ena najcenejših, najpreprostejših in najbolj občutljivih je ultrazvočna metoda neporušnega testiranja. Glavne prednosti v primerjavi z drugimi metodami neporušnega preskušanja so:

- odkrivanje napak, ki se nahajajo globoko v materialu, kar je postalo mogoče zaradi izboljšane prodorne sposobnosti. Ultrazvočni pregled se izvaja do globine nekaj metrov. Nadzoru so podvrženi različni izdelki, na primer: dolge jeklene palice, rotacijski odkovki itd.;
- visoka občutljivost pri odkrivanju izjemno majhnih napak, dolgih nekaj milimetrov;
- natančna določitev lokacije notranjih napak, ocena njihove velikosti, karakterizacija smeri, oblike in narave;
- zadosten dostop samo do ene od strani izdelka;
- nadzor procesa z elektronskimi sredstvi, ki zagotavlja skoraj takojšnje odkrivanje napak;
- volumetrično skeniranje, ki vam omogoča pregled volumna materiala;
- pomanjkanje zahtev za varnostne ukrepe, povezane z zdravjem;
- prenosljivost opreme.

1.7 Praktična uporaba visokointenzivnih ultrazvočnih vibracij

Do danes so glavni procesi, ki se izvajajo in intenzivirajo s pomočjo visokoenergetskih ultrazvočnih vibracij, običajno razdeljeni v tri glavne podskupine, odvisno od vrste okolja, v katerem se izvajajo (slika 1.5).

Slika 1.5 - Uporaba visokoenergetskih ultrazvočnih vibracij

Glede na vrsto okolja so procesi pogojno razdeljeni na procese v tekočih, trdnih in termoplastičnih materialih ter plinastih (zračnih) medijih. V naslednjih poglavjih bodo podrobneje obravnavani postopki in naprave za intenziviranje procesov v tekočih, trdnih in termoplastičnih materialih, plinastih medijih.
Nato obravnavamo primere glavnih tehnologij, ki se izvajajo z uporabo visokoenergetskih ultrazvočnih vibracij.
1. Dimenzionalna obdelava.

Ultrazvočne vibracije se uporabljajo za obdelavo krhkih in izjemno trdih materialov in kovin.
Glavni tehnološki procesi, ki jih intenzivirajo ultrazvočne vibracije, so vrtanje, pogrezenje, vrezovanje navojev, vlečenje žice, poliranje, brušenje, vrtanje lukenj kompleksne oblike. Intenziviranje teh tehnoloških procesov nastane zaradi nalaganja ultrazvočnih vibracij na orodje.
2. Ultrazvočno čiščenje.
Danes obstaja veliko načinov za čiščenje površin pred različnimi onesnaževalci. Ultrazvočno čiščenje je hitrejše, zagotavlja visoko kakovost in očisti težko dostopna mesta. To zagotavlja zamenjavo zelo strupenih, vnetljivih in dragih topil z običajno vodo.
Z visokofrekvenčnimi ultrazvočnimi vibracijami se avtomobilski uplinjači in injektorji očistijo v nekaj minutah.
Razlog za pospeševanje čiščenja je kavitacija, poseben pojav, pri katerem v tekočini nastanejo drobni plinski mehurčki. Ti mehurčki počijo (eksplodirajo) in ustvarijo močne vodne tokove, ki sperejo vso umazanijo. Danes na tem principu obstajajo pralni stroji in majhne pralne naprave. Posebej bomo obravnavali značilnosti izvajanja procesa kavitacije in njegove možnosti. Ultrazvok očisti kovine iz polirnih past, valjane kovine od vodnega kamna, drage kamne iz polirnih mest. Čiščenje tiskarskih plošč, pranje tkanin, pranje ampul. Čiščenje cevovodov kompleksne oblike. Poleg čiščenja je ultrazvok sposoben odstraniti majhne brazgotine in polirati.
Ultrazvočno delovanje v tekočih medijih uničuje mikroorganizme in se zato široko uporablja v medicini in mikrobiologiji.
Možna je tudi druga izvedba ultrazvočnega čiščenja.
- čiščenje dima iz trdnih delcev v zraku. Za to se uporabljajo tudi ultrazvočni učinki na megle in dim. Delci v ultrazvočnem polju se začnejo aktivno premikati, trkati in lepiti skupaj, odlagati se na stene. Ta pojav se imenuje ultrazvočna koagulacija in se uporablja za boj proti megli na letališčih, cestah in morskih pristaniščih.
3. Ultrazvočno varjenje.
Trenutno se s pomočjo ultrazvočnih vibracij visoke intenzivnosti varijo polimerni termoplastični materiali. Varjenje polietilenskih cevi, škatel, kozarcev zagotavlja odlično tesnost. Za razliko od drugih metod je možno s pomočjo ultrazvoka prekuhati kontaminirano plastiko, epruvete s tekočino itd. V tem primeru se vsebina sterilizira.
S pomočjo ultrazvočnega varjenja se na kovinski del privari najtanjša folija ali žica. Poleg tega je ultrazvočno varjenje hladno varjenje, saj se šiv oblikuje pri temperaturi pod tališčem. Tako se z varjenjem spajajo aluminij, tantal, cirkonij, niobij, molibden itd.
Trenutno je ultrazvočno varjenje našlo svojo največjo uporabnost pri hitrih procesih pakiranja in proizvodnji polimernih embalažnih materialov.
4. Spajkanje in kositrnje
Aluminij se spajka z visokofrekvenčnimi ultrazvočnimi vibracijami. S pomočjo ultrazvoka lahko kositrate in nato spajkate keramiko, steklo, kar je bilo prej nemogoče. Feriti, spajkanje polprevodniških kristalov v pozlačena ohišja se danes izvajajo z uporabo ultrazvočne tehnologije.
5. Ultrazvok v sodobni kemiji
Trenutno se je, kot izhaja iz literature, oblikovala nova smer v kemiji - ultrazvočna kemija. Znanstveniki so s preučevanjem kemičnih transformacij, ki nastanejo pod vplivom ultrazvoka, ugotovili, da ultrazvok ne le pospešuje oksidacijo, ampak v nekaterih primerih zagotavlja zmanjševanje učinka. Tako se železo reducira iz oksidov in soli.
Dobri pozitivni rezultati so bili doseženi pri intenziviranju ultrazvoka naslednjih kemijsko-tehnoloških procesov:
- elektrodepozicija, polimerizacija, depolimerizacija, oksidacija, redukcija, disperzija, emulgiranje, aerosolna koagulacija, homogenizacija, impregnacija, raztapljanje, brizganje, sušenje, zgorevanje, strojenje itd.
Elektrodepozicija - odložena kovina pridobi drobnozrnato strukturo, poroznost se zmanjša. Tako se izvajajo bakrene prevleke, kositranje, srebrenje. Postopek je hitrejši in kakovost premaza višja kot pri običajnih tehnologijah.
Pridobivanje emulzij: voda in maščoba, voda in eterična olja, voda in živo srebro. ZDA premagajo oviro nemešljivosti.
Polimerizacija (povezava molekul v eno) - stopnjo polimerizacije uravnava frekvenca ultrazvoka.
Disperzija - pridobivanje ultra finih pigmentov za pridobivanje barvil.
Sušenje - brez segrevanja biološko aktivnih snovi. V prehrambeni, farmacevtski industriji.
Škropljenje tekočin in taline. Intenziviranje procesov v razpršilnih sušilnikih. Pridobivanje kovinskega prahu iz talin. Te razpršilne naprave odpravljajo vrtljive in drgne dele.
Ultrazvok poveča učinkovitost zgorevanja tekočih in trdnih goriv za 20-krat.
Impregnacija. Tekočina prehaja stokrat hitreje skozi kapilare impregniranega materiala. Uporablja se pri proizvodnji strešne kritine, pragov, cementnih plošč, tekstolita, getinakov, impregnacije lesa z modificiranimi smolami
6. Ultrazvok v metalurgiji.
- Znano je, da kovine med taljenjem absorbirajo pline aluminija in njegovih zlitin. 80 % vseh plinov v staljeni kovini je H2. To vodi do poslabšanja kakovosti kovine. Pline je mogoče odstraniti s pomočjo ultrazvoka, kar je pri nas omogočilo ustvarjanje posebnega tehnološkega cikla in njegovo široko uporabo pri proizvodnji kovin.
- Ultrazvok spodbuja strjevanje kovin
- V metalurgiji prahu ultrazvok spodbuja oprijem delcev materiala, ki se proizvaja. To odpravlja potrebo po visokotlačnem tesnjenju.
7. Ultrazvok v rudarstvu.
Uporaba ultrazvoka omogoča izvajanje naslednjih tehnologij:
- Odstranjevanje parafina iz sten naftnih vrtin;
- izključitev eksplozij metana v rudnikih zaradi njegove razpršenosti;
- ultrazvočno koncentriranje rud (metoda flotacije z uporabo ultrazvoka).
8. KM v kmetijstvu.
Ultrazvočne vibracije ugodno vplivajo na semena in zrna pred sajenjem. Tako obdelava semen paradižnika pred sajenjem zagotavlja povečanje števila plodov, skrajša čas zorenja in poveča količino vitaminov.
Ultrazvočna obdelava semen melone in koruze vodi do povečanja pridelka za 40 %.
Pri obdelavi ultrazvočnih semen je mogoče zagotoviti dezinfekcijo in vnesti potrebne mikroelemente iz tekočine
9. Živilska industrija.
V praksi se danes že izvajajo naslednje tehnologije:
- obdelava mleka za homogenizacijsko sterilizacijo;
- Predelava za podaljšanje roka uporabnosti in kakovosti zamrznjenega mleka
- pridobivanje visokokakovostnega mleka v prahu;
- pridobivanje emulzij za peko;
- obdelava kvasovk za 15 % poveča njihovo fermentacijsko moč;
- pridobivanje aromatičnih snovi, pire, ekstrakcija maščobe iz jeter;
- Izolacija zobnega kamna;
- pridobivanje rastlinskih in živalskih surovin;
- Proizvodnja parfumov (6...8 ur namesto enega leta).
10. Ultrazvok v biologiji.
- velike doze ultrazvoka uničijo mikroorganizme (stafilokoke, streptokoke, viruse);
- nizka intenzivnost ultrazvočnega vpliva spodbuja rast kolonij mikroorganizmov;
11. Vpliv na osebo.
Ultrazvočna izpostavljenost z intenzivnostjo do 0,1 ... 0,4 W / cm ima terapevtski učinek. V Ameriki se za zdravljenje šteje učinek z intenzivnostjo do 0,8 W/cm
12. V medicini.
Ultrazvočni skalpeli, pripomočki za zunanjo in notranjo liposukcijo, laparoskopski instrumenti, inhalatorji, masažerji se pogosto uporabljajo in omogočajo zdravljenje različnih bolezni.
Naslednji tečaj predavanj je namenjen predhodnemu seznanjanju študentov, podiplomskih študentov, inženirjev in tehnologov različnih panog z osnovami ultrazvočnih tehnologij in je namenjen pridobivanju temeljnih znanj o teoriji nastanka ultrazvočnih vibracij in praksi uporabe visokih - intenzivne ultrazvočne vibracije.

Z razvojem akustike ob koncu 19. stoletja je bil odkrit ultrazvok, istočasno so se začele prve študije ultrazvoka, vendar so bili temelji za njegovo uporabo postavljeni šele v prvi tretjini 20. stoletja.

Ultrazvok in njegove lastnosti

V naravi najdemo ultrazvok kot sestavni del številnih naravnih zvokov: v hrupu vetra, slapa, dežja, morskih kamenčkov, ki jih vali surf, v razelektritvah strele. Številni sesalci, kot so mačke in psi, imajo sposobnost zaznavanja ultrazvoka s frekvenco do 100 kHz, lokacijske sposobnosti netopirjev, nočnih žuželk in morskih živali pa so vsem dobro znane.

ultrazvok- mehanske vibracije nad frekvenčnim območjem, ki ga sliši človeško uho (običajno 20 kHz). Ultrazvočne vibracije potujejo v valovni obliki, podobno kot pri širjenju svetlobe. Vendar pa za razliko od svetlobnih valov, ki lahko potujejo v vakuumu, ultrazvok zahteva elastičen medij, kot je plin, tekočina ali trdna snov.

Glavni parametri valovanja so valovna dolžina, frekvenca in obdobje. Ultrazvočni valovi se po svoji naravi ne razlikujejo od valov slišnega obsega in so podvrženi istim fizikalnim zakonom. Toda ultrazvok ima posebne značilnosti, ki so določile njegovo široko uporabo v znanosti in tehnologiji. Tu so glavne:

• 1. Kratka valovna dolžina. Za najnižje ultrazvočno območje valovna dolžina v večini medijev ne presega nekaj centimetrov. Kratka valovna dolžina določa naravo žarka širjenja ultrazvočnih valov. V bližini oddajnika se ultrazvok širi v obliki žarkov, ki so po velikosti blizu velikosti oddajnika. Ko zadene nehomogenosti v mediju, se ultrazvočni žarek obnaša kot svetlobni žarek, doživlja odboj, lom in sipanje, kar omogoča oblikovanje zvočnih slik v optično neprozornih medijih z uporabo izključno optičnih učinkov (fokusiranje, difrakcija itd.).
• 2. Kratko obdobje nihanja, ki omogoča oddajanje ultrazvoka v obliki impulzov in natančno časovno selekcijo širitvenih signalov v mediju.

Možnost pridobivanja visokih vrednosti vibracijske energije pri majhni amplitudi, ker energija nihanja je sorazmerna s kvadratom frekvence. To omogoča ustvarjanje ultrazvočnih žarkov in polj z visoka stopnja energije, ne da bi potrebovali veliko opremo.

V ultrazvočnem polju se razvijejo znatni akustični tokovi. Zato vpliv ultrazvoka na okolje ustvarja specifične učinke: fizikalne, kemične, biološke in medicinske. Kot so kavitacija, zvočno-kapilarni učinek, disperzija, emulgiranje, razplinjevanje, dezinfekcija, lokalno ogrevanje in mnogi drugi.

Potrebe mornarice vodilnih sil - Anglije in Francije, da preučijo morske globine, so vzbudile zanimanje mnogih znanstvenikov na področju akustike, ker. to je edina vrsta signala, ki lahko potuje daleč v vodi. Tako je leta 1826 francoski znanstvenik Colladon določil hitrost zvoka v vodi. Leta 1838 so v Združenih državah Amerike z zvokom prvič določili profil morskega dna, da bi položili telegrafski kabel. Rezultati eksperimenta so bili razočarani. Zvok zvona je dajal prešibak odmev, skoraj neslišen med drugimi zvoki morja. Treba je bilo iti v območje višjih frekvenc, kar bi omogočilo ustvarjanje usmerjenih zvočnih žarkov.

Prvi ultrazvočni generator je leta 1883 izdelal Anglež Francis Galton. Ultrazvok je nastal kot piščalka na robu noža, če pihaš nanj. Vlogo takšne točke v Galtonovi piščalki je odigral valj z ostrimi robovi. Zrak ali drug plin, ki je uhajal pod tlakom skozi obročasto šobo s premerom, enakim robu jeklenke, je tekel ob rob in je prišlo do visokofrekvenčnih nihanj. S pihanjem v piščalko z vodikom je bilo mogoče dobiti nihanja do 170 kHz.

Leta 1880 sta Pierre in Jacques Curie naredila odločilno odkritje za ultrazvočno tehnologijo. Brata Curie sta opazila, da pri pritisku na kristale kremena nastane električni naboj, ki je neposredno sorazmeren s silo, ki deluje na kristal. Ta pojav se imenuje "piezoelektričnost" iz grške besede, ki pomeni "pritiskati". Poleg tega so pokazali inverzni piezoelektrični učinek, ki se pojavi, ko se na kristal nanese hitro spreminjajoči se električni potencial, ki povzroči, da vibrira. Od zdaj naprej je postala tehnično mogoča izdelava majhnih oddajnikov in sprejemnikov ultrazvoka.

Smrt Titanika zaradi trka z ledeno goro, potreba po boju proti novemu orožju - podmornice so zahtevale hiter razvoj ultrazvočne hidroakustike. Leta 1914 je francoski fizik Paul Langevin skupaj z nadarjenim ruskim emigrantskim znanstvenikom Konstantinom Vasiljevičem Šilovskim prvič razvil sonar, sestavljen iz ultrazvočnega oddajnika in hidrofona - sprejemnika ultrazvočnih vibracij, ki temelji na piezoelektričnem učinku. Sonar Langevin - Shilovsky, je bila prva ultrazvočna naprava uporablja v praksi. Hkrati je ruski znanstvenik S.Ya.Sokolov razvil osnove ultrazvočnega odkrivanja napak v industriji. Leta 1937 je nemški psihiater Karl Dussik skupaj z bratom Friedrichom, fizikom, prvič uporabil ultrazvok za odkrivanje možganskih tumorjev, vendar so bili rezultati, ki so jih dobili, nezanesljivi. V medicinski praksi so ultrazvok prvič uporabili šele v 50. letih 20. stoletja v ZDA.

21. stoletje je stoletje radijske elektronike, atoma, raziskovanja vesolja in ultrazvoka. Znanost o ultrazvoku je danes relativno mlada. Konec 19. stoletja je svoje prve študije opravil P. N. Lebedev, ruski fiziolog. Po tem so številni ugledni znanstveniki začeli preučevati ultrazvok.

Kaj je ultrazvok?

Ultrazvok je valovno podoben širitveni učinek srednjih delcev. Ima svoje značilnosti, po katerih se razlikuje od zvokov zvočnega obsega. Relativno enostavno je pridobiti usmerjeno sevanje v ultrazvočnem območju. Poleg tega je dobro osredotočen, zaradi česar se poveča intenzivnost nihanja. Pri širjenju v trdnih snoveh, tekočinah in plinih ultrazvok povzroči zanimive pojave, ki so našli praktično uporabo na številnih področjih tehnologije in znanosti. To je ultrazvok, katerega vloga v različnih sferah življenja danes je zelo velika.

Vloga ultrazvoka v znanosti in praksi

V zadnjih letih je ultrazvok začel igrati znanstvena raziskava vedno pomembnejšo vlogo. Uspešno so bile izvedene eksperimentalne in teoretične študije na področju akustičnih tokov in ultrazvočne kavitacije, ki so znanstvenikom omogočile razvoj tehnoloških procesov, ki nastanejo ob izpostavljenosti tekoča faza ultrazvok. Je močna metoda za preučevanje različnih pojavov na področju znanja, kot je fizika. Ultrazvok se uporablja na primer v fiziki polprevodnikov in trdnih snovi. Danes se oblikuje ločena veja kemije, imenovana "ultrazvočna kemija". Njegova uporaba omogoča pospeševanje številnih kemijsko-tehnoloških procesov. Rodila se je tudi molekularna akustika - nova veja akustike, ki proučuje molekularno interakcijo s snovjo.Pojavila so se nova področja uporabe ultrazvoka: holografija, introskopija, akustoelektronika, ultrazvočno fazno merjenje, kvantna akustika.

Poleg eksperimentalnega in teoretičnega dela na tem področju je bilo danes opravljenega veliko praktičnega dela. Razviti so bili posebni in univerzalni ultrazvočni stroji, inštalacije, ki delujejo pod povečanim statičnim tlakom, itd.. V proizvodnjo so uvedene avtomatske ultrazvočne naprave, vključene v proizvodne linije, ki lahko znatno povečajo produktivnost dela.

Več o ultrazvoku

Pogovorimo se več o tem, kaj je ultrazvok. Rekli smo že, da so to elastični valovi in ​​ultrazvok je preko 15-20 kHz. Subjektivne lastnosti našega sluha določajo spodnjo mejo ultrazvočnih frekvenc, ki ga loči od frekvence slišnega zvoka. Ta meja je torej pogojna in vsak od nas drugače definira, kaj je ultrazvok. Zgornjo mejo označujejo elastični valovi, njihova fizična narava. Razširjajo se le v materialnem mediju, to pomeni, da mora biti valovna dolžina bistveno večja od povprečne proste poti molekul, prisotnih v plinu, ali medatomskih razdalj v trdnih snoveh in tekočinah. Pri normalnem tlaku v plinih je zgornja meja ultrazvočnih frekvenc 10 9 Hz, v trdnih snoveh in tekočinah - 10 12 -10 13 Hz.

Viri ultrazvoka

Ultrazvok v naravi najdemo tako kot sestavni del številnih naravnih hrupov (slap, veter, dež, kamenčki, ki jih vali, kot tudi v zvokih, ki spremljajo nevihtne razelektritve itd.), in kot sestavni del živalskega sveta. Nekatere vrste živali ga uporabljajo za orientacijo v prostoru, odkrivanje ovir. Znano je tudi, da delfini v naravi uporabljajo ultrazvok (predvsem frekvence od 80 do 100 kHz). V tem primeru je moč lokacijskih signalov, ki jih oddajajo, lahko zelo velika. Znano je, da lahko delfini zaznajo tiste, ki so oddaljeni tudi do kilometer od njih.

Oddajniki (viri) ultrazvoka so razdeljeni v 2 veliki skupini. Prvi so generatorji, pri katerih se nihanja vzbujajo zaradi prisotnosti ovir v njih, nameščenih na poti stalnega toka - curka tekočine ali plina. Druga skupina, v katero je mogoče združiti ultrazvočne vire, so elektroakustični pretvorniki, ki pretvarjajo dana tokovna ali električna napetostna nihanja v mehanske vibracije, ki jih izvaja trdno telo, ki v okolje oddaja akustične valove.

Ultrazvočni sprejemniki

Na srednjih in ultrazvočnih sprejemnikih so elektro-akustični pretvorniki najpogosteje piezoelektrične vrste. Reproducirajo lahko obliko prejetega akustičnega signala, ki je predstavljena kot časovna odvisnost zvočnega tlaka. Naprave so lahko širokopasovne ali resonančne, odvisno od pogojev uporabe, za katere so namenjene. Toplotni sprejemniki se uporabljajo za pridobivanje časovno povprečnih značilnosti zvočnega polja. So termistorji ali termoelementi, prevlečeni s snovjo, ki absorbira zvok. Zvočni tlak in intenzivnost je mogoče oceniti tudi z optičnimi metodami, kot je difrakcija svetlobe z ultrazvokom.

Kje se uporablja ultrazvok?

Obstaja veliko področij njegove uporabe, medtem ko se uporabljajo različne funkcije ultrazvoka. Ta področja lahko v grobem razdelimo na tri področja. Prvi od njih je povezan s pridobivanjem različnih informacij s pomočjo ultrazvočnih valov. Druga smer je njegov aktivni vpliv na snov. In tretji je povezan s prenosom in obdelavo signalov. V vsakem primeru se uporablja specifična za ZDA. Pokrili bomo le nekaj od številnih področij, na katerih je našel svojo uporabo.

Ultrazvočno čiščenje

Kakovost takšnega čiščenja se ne more primerjati z drugimi metodami. Pri izpiranju delov, na primer, na njihovi površini ostane do 80 % onesnaževal, približno 55 % - pri čiščenju z vibracijami, približno 20 % - pri ročnem čiščenju, pri ultrazvočnem čiščenju pa ne ostane več kot 0,5 % onesnaževal. Podrobnosti, ki imajo zapleteno obliko, je mogoče dobro očistiti le s pomočjo ultrazvoka. Pomembna prednost njegove uporabe je visoka produktivnost, pa tudi nizki stroški fizičnega dela. Poleg tega je mogoče draga in vnetljiva organska topila zamenjati s poceni in varnimi vodnimi raztopinami, uporabiti tekoči freon itd.

Resna težava je onesnaženost zraka s sajami, dimom, prahom, kovinskimi oksidi ipd. Ultrazvočno metodo čiščenja zraka in plina v plinovodih lahko uporabite ne glede na vlažnost in temperaturo okolice. Če je ultrazvočni oddajnik nameščen v komoro za usedanje prahu, se bo njegova učinkovitost več stokrat povečala. Kaj je bistvo takšnega čiščenja? Delci prahu, ki se naključno gibljejo v zraku, se med seboj udarijo močneje in pogosteje pod vplivom ultrazvočnih vibracij. Hkrati se njihova velikost poveča zaradi dejstva, da se združijo. Koagulacija je proces povečanja delcev. Njihove obtežene in povečane akumulacije lovijo posebni filtri.

Obdelava krhkih in supertrdih materialov

Če vstopite med obdelovanec in delovno površino orodja, ki uporablja ultrazvok, bodo abrazivni delci med delovanjem oddajnika vplivali na površino tega dela. V tem primeru se material uniči in odstrani, podvrže obdelavi pod delovanjem različnih usmerjenih mikro-udarkov. Kinematika obdelave je sestavljena iz glavnega gibanja - rezanja, to je vzdolžnih vibracij, ki jih povzroča orodje, in pomožnega - gibanja podajanja, ki ga izvaja naprava.

Ultrazvok lahko opravlja različna dela. Za abrazivna zrna so vir energije vzdolžne vibracije. Uničijo predelani material. Gibanje podajanja (pomožno) je lahko krožno, prečno in vzdolžno. Ultrazvočna obdelava je bolj natančna. Odvisno od velikosti zrn abraziva se giblje od 50 do 1 mikrona. Uporaba orodij različne oblike, lahko naredite ne samo luknje, temveč tudi zapletene izreze, ukrivljene osi, gravirate, brusite, izdelujete matrice in celo vrtate diamant. Materiali, ki se uporabljajo kot abraziv, so korund, diamant, kremenčev pesek, kremen.

Ultrazvok v radijski elektroniki

Ultrazvok v tehniki se pogosto uporablja na področju radijske elektronike. Na tem področju je pogosto potrebno odložiti električni signal glede na drug. Znanstveniki so našli dobro rešitev tako, da so predlagali uporabo ultrazvočnih zakasnitvenih linij (na kratko LZ). Njihovo delovanje temelji na dejstvu, da se električni impulzi pretvarjajo v ultrazvočne.Kako se to zgodi? Dejstvo je, da je hitrost ultrazvoka bistveno manjša od hitrosti, ki jo razvijejo elektromagnetna nihanja. Napetostni impulz po inverzni transformaciji v električna mehanska nihanja bo na izhodu linije zakasnjen glede na vhodni impulz.

Piezoelektrični in magnetostriktivni pretvorniki se uporabljajo za pretvorbo električnih v mehanske vibracije in obratno. LZ se delijo na piezoelektrične in magnetostriktivne.

Ultrazvok v medicini

Za vplivanje na žive organizme se uporabljajo različne vrste ultrazvoka. V medicinski praksi je njegova uporaba zdaj zelo priljubljena. Temelji na učinkih, ki se pojavijo v bioloških tkivih, ko ultrazvok prehaja skozi njih. Valovi povzročajo nihanja v delcih medija, kar ustvarja nekakšno mikromasažo tkiva. In absorpcija ultrazvoka vodi do njihovega lokalnega segrevanja. Vendar pa v biološka okolja pride do določenih fizikalnih in kemičnih transformacij. Ti pojavi v primeru zmerne nepopravljive škode ne povzročajo. Izboljšujejo le presnovo in zato prispevajo k vitalni aktivnosti telesa, ki jim je izpostavljeno. Takšni pojavi se uporabljajo pri ultrazvočni terapiji.

Ultrazvok v kirurgiji

Kavitacija in močno segrevanje pri visoki intenzivnosti vodita do uničenja tkiva. Ta učinek se danes uporablja v kirurgiji. Pri kirurških posegih se uporablja fokusiran ultrazvok, ki omogoča lokalno uničenje najglobljih struktur (na primer možganov), ne da bi pri tem poškodoval okoliške. V kirurgiji se uporabljajo tudi ultrazvočni instrumenti, pri katerih delovni konec izgleda kot pila, skalpel, igla. Vibracije, ki jih vsiljujejo, dajejo tem instrumentom nove lastnosti. Zahtevana sila se znatno zmanjša, zato se zmanjša travmatizem operacije. Poleg tega se kaže analgetični in hemostatski učinek. Udar s topim instrumentom z ultrazvokom se uporablja za uničenje nekaterih vrst novotvorb, ki so se pojavile v telesu.

Vpliv na biološka tkiva se izvaja za uničenje mikroorganizmov in se uporablja v procesih sterilizacije zdravil in medicinskih instrumentov.

Pregled notranjih organov

V bistvu govorimo o študiji trebušne votline. V ta namen lahko s posebnim poiščemo in prepoznamo različne anomalije tkiv in anatomskih struktur. Naloga je pogosto naslednja: obstaja sum na maligno tvorbo in jo je treba razlikovati od benigne ali nalezljive tvorbe.

Ultrazvok je uporaben pri pregledu jeter in pri drugih opravilih, ki vključujejo odkrivanje ovir in bolezni žolčevodov ter pregled žolčnika za odkrivanje prisotnosti kamnov in drugih patologij v njem. Poleg tega se lahko uporabi testiranje za cirozo in druge difuzne benigne bolezni jeter.

Na področju ginekologije, zlasti pri analizi jajčnikov in maternice, je uporaba ultrazvoka že dolgo glavna smer, v kateri se izvaja s posebnim uspehom. Pogosto je tu potrebna tudi diferenciacija benignih in malignih tvorb, kar običajno zahteva najboljši kontrast in prostorsko ločljivost. Podobni zaključki so lahko koristni pri preučevanju mnogih drugih notranjih organov.

Uporaba ultrazvoka v zobozdravstvu

Ultrazvok se je znašel tudi v zobozdravstvu, kjer se uporablja za odstranjevanje zobnega kamna. Omogoča vam hitro, nekrvno in neboleče odstranjevanje oblog in kamnov. Hkrati se ustna sluznica ne poškoduje, "žepi" votline pa so razkuženi. Namesto bolečine pacient doživi občutek toplote.

ultrazvok

ultrazvok- elastična nihanja s frekvenco, ki presega mejo sluha za osebo. Običajno se ultrazvočni obseg šteje za frekvence nad 18.000 hercev.

Čeprav je obstoj ultrazvoka znan že dolgo, je njegova praktična uporaba precej mlada. Danes se ultrazvok široko uporablja v različnih fizikalnih in tehnoloških metodah. Torej, glede na hitrost širjenja zvoka v mediju se presojajo njegove fizikalne lastnosti. Meritve hitrosti pri ultrazvočnih frekvencah omogočajo z zelo majhnimi napakami določitev na primer adiabatskih značilnosti hitrih procesov, vrednosti specifične toplotne kapacitete plinov in elastičnih konstant trdnih snovi.

Viri ultrazvoka

Frekvenca ultrazvočnih vibracij, ki se uporabljajo v industriji in biologiji, je v območju več MHz. Takšne vibracije se običajno ustvarijo z uporabo piezokeramičnih pretvornikov barijevega titanita. V primerih, ko je moč ultrazvočnih vibracij primarnega pomena, se običajno uporabljajo mehanski viri ultrazvoka. Sprva so bili vsi ultrazvočni valovi sprejeti mehansko (uglaste vilice, piščalke, sirene).

V naravi najdemo US tako kot sestavine številnih naravnih zvokov (v hrupu vetra, slapa, dežja, v hrupu kamenčkov, ki jih vali morsko deblo, v zvokih, ki spremljajo razelektritve strele, itd.) in med zvoki živalskega sveta. Nekatere živali uporabljajo ultrazvočne valove za odkrivanje ovir, orientacije v prostoru.

Ultrazvočne oddajnike lahko razdelimo v dve veliki skupini. Prva vključuje emiterje-generatorje; nihanja v njih se vzbujajo zaradi prisotnosti ovir na poti stalnega toka - curka plina ali tekočine. Druga skupina oddajnikov - elektro-akustični pretvorniki; že podana nihanja električne napetosti ali toka pretvorijo v mehansko vibracijo trdnega telesa, ki v okolje oddaja akustične valove.

Whistle Galton

Prvo ultrazvočno piščalko je leta 1883 izdelal Anglež Galton. Ultrazvok tukaj nastane kot visok zvok na robu noža, ko nanj zadene zračni tok. Vlogo takšne konice pri Galtonovi piščalki igra "ustnica" v majhni valjasti resonančni votlini. Visokotlačni plin, ki prehaja skozi votli cilinder, zadene to "ustnico"; pojavijo se nihanja, katerih frekvenca (je približno 170 kHz) je določena z velikostjo šobe in ustnic. Moč Galtonove piščalke je nizka. Uporablja se predvsem za dajanje ukazov pri šolanju psov in mačk.

Tekoča ultrazvočna piščalka

Večino ultrazvočnih piščal je mogoče prilagoditi za delovanje v tekočem mediju. V primerjavi z električnimi viri ultrazvoka so tekoče ultrazvočne piščalke majhne moči, včasih pa imajo, na primer, za ultrazvočno homogenizacijo, pomembno prednost. Ker ultrazvočni valovi nastanejo neposredno v tekočem mediju, pri prehodu iz enega medija v drugega ni izgube energije ultrazvočnih valov. Morda najuspešnejša je zasnova tekoče ultrazvočne piščalke, ki sta jo v zgodnjih petdesetih letih prejšnjega stoletja izdelala angleška znanstvenika Kottel in Goodman. V njej visokotlačni tok tekočine izstopi iz eliptične šobe in se usmeri na jekleno ploščo. Različne modifikacije te zasnove so postale precej razširjene, da bi dobili homogene medije. Zaradi preprostosti in stabilnosti njihove zasnove (uničena je samo nihajna plošča) so takšni sistemi trpežni in poceni.

Sirena

Druga vrsta mehanskih virov ultrazvoka je sirena. Ima relativno veliko moč in se uporablja v policijskih in gasilskih vozilih. Vse rotacijske sirene so sestavljene iz komore, zaprte od zgoraj z diskom (statorjem), v katerem je narejeno veliko število lukenj. Na disku, ki se vrti znotraj komore - rotorja, je enako število lukenj. Ko se rotor vrti, položaj lukenj v njem občasno sovpada s položajem lukenj na statorju. V komoro se neprekinjeno dovaja stisnjen zrak, ki iz nje uhaja v tistih kratkih trenutkih, ko se luknji na rotorju in statorju ujemata.

Glavna naloga pri izdelavi siren je, prvič, narediti čim več lukenj v rotorju, in drugič, doseči visoko hitrost vrtenja. Vendar je v praksi zelo težko izpolniti obe zahtevi.

Ultrazvok v naravi

Uporaba ultrazvoka

Diagnostična uporaba ultrazvoka v medicini (ultrazvok)

Zaradi dobrega širjenja ultrazvoka v mehkih tkivih človeka, njegove relativne neškodljivosti v primerjavi z rentgenskimi žarki in enostavne uporabe v primerjavi z magnetno resonanco se ultrazvok široko uporablja za vizualizacijo stanja človeških notranjih organov, zlasti v trebušni votlini in medenično votlino.

Terapevtska uporaba ultrazvoka v medicini

Poleg tega, da se ultrazvok pogosto uporablja v diagnostične namene (glej Ultrazvok), se ultrazvok uporablja v medicini kot terapevtsko sredstvo.

Ultrazvok ima učinek:

• protivnetno, vpojno
• analgetik, antispazmodik
• kavitacija izboljša prepustnost kože

Fonoforeza je kombinirana metoda, pri kateri na tkiva vpliva ultrazvok in z njim vnesene zdravilne snovi (tako zdravila kot naravnega izvora). Prevajanje snovi pod vplivom ultrazvoka je posledica povečanja prepustnosti povrhnjice in kožnih žlez, celičnih membran in žilnih sten za majhne snovi. molekularna teža, zlasti - ioni bišofitnih mineralov. Udobje ultrafonoforeze zdravil in naravnih snovi:

• zdravilne snovi ultrazvok ne uniči
• sinergizem delovanja ultrazvoka in terapevtske snovi

Indikacije za ultrafonoforezo bišofita: osteoartritis, osteohondroza, artritis, burzitis, epikondilitis, petna oteklina, stanja po poškodbah mišično-skeletnega sistema; Nevritis, nevropatija, radikulitis, nevralgija, poškodba živca.

Nanese se bišofit-gel, delovna površina oddajnika pa se uporablja za mikromasažo prizadetega območja. Tehnika je labilna, običajna za ultrafonoforezo (pri UVF sklepov, hrbtenice je intenzivnost v predelu materničnega vratu 0,2-0,4 W/cm2, v prsnem in ledvenem delu - 0,4-0,6 W/cm2).

Rezanje kovin z ultrazvokom

Na običajnih strojih za rezanje kovin je v kovinskem delu nemogoče izvrtati ozko luknjo kompleksne oblike, na primer v obliki peterokrake zvezde. S pomočjo ultrazvoka je to mogoče, magnetostriktivni vibrator lahko izvrta luknje katere koli oblike. Ultrazvočno dleto v celoti nadomesti rezkalni stroj. Hkrati je takšno dleto veliko enostavnejše od rezkalnega stroja in je z njim ceneje in hitreje obdelati kovinske dele kot z rezkalnim strojem.

Ultrazvok lahko naredi celo spiralno rezanje kovinskih delov, stekla, rubina, diamanta. Običajno je nit najprej izdelana iz mehke kovine, nato pa je del utrjen. Na ultrazvočnem stroju lahko izdelamo niti v že utrjeni kovini in v najtrših zlitinah. Enako z znamkami. Običajno se žig po tem, ko je skrbno obdelan, temperira. Na ultrazvočnem stroju se najbolj zapletena obdelava izvaja z abrazivom (smirkovim, korundnim prahom) v polju ultrazvočnega valovanja. Nenehno nihajoči v polju ultrazvoka, trdni delci prahu, ki se vrežejo v zlitino, ki se obdeluje, izrežejo luknjo enake oblike kot pri dletu.

Priprava zmesi z ultrazvokom

Ultrazvok se pogosto uporablja za pripravo homogenih mešanic (homogenizacija). Leta 1927 sta ameriška znanstvenika Limus in Wood odkrila, da če v eno čašo vlijemo dve nemešljivi tekočini (na primer olje in vodo) in jo izpostavimo ultrazvočnemu obsevanju, potem v čaši nastane emulzija, to je fina suspenzija olje v vodi. Takšne emulzije igrajo pomembno vlogo v industriji: to so laki, barve, farmacevtski izdelki in kozmetika.

Uporaba ultrazvoka v biologiji

Sposobnost ultrazvoka, da razbije celične membrane, je našla uporabo v bioloških raziskavah, na primer, če je potrebno, ločiti celico od encimov. Ultrazvok se uporablja tudi za uničenje znotrajceličnih struktur, kot so mitohondriji in kloroplasti, da bi preučili razmerje med njihovo strukturo in funkcijo. Druga uporaba ultrazvoka v biologiji je povezana z njegovo sposobnostjo induciranja mutacij. Študije, opravljene na Oxfordu, so pokazale, da lahko celo ultrazvok nizke intenzivnosti poškoduje molekulo DNK. Umetno namensko ustvarjanje mutacij igra pomembno vlogo pri vzreji rastlin. Glavna prednost ultrazvoka pred drugimi mutageni ( rentgenski žarki, ultravijolični žarki) je, da je z njim izjemno enostavno delati.

Uporaba ultrazvoka za čiščenje

Uporaba ultrazvoka za mehansko čiščenje temelji na pojavu različnih nelinearnih učinkov v tekočini pod njegovim vplivom. Sem spadajo kavitacija, akustični tokovi, zvočni tlak. Glavno vlogo igra kavitacija. Njegovi mehurčki, ki nastanejo in se zrušijo v bližini onesnaženja, jih uničijo. Ta učinek je znan kot kavitacijska erozija. Ultrazvok, ki se uporablja za te namene, ima nizke frekvence in povečano moč.

V laboratorijskih in proizvodnih pogojih se ultrazvočne kopeli, napolnjene s topilom (voda, alkohol itd.), uporabljajo za pranje majhnih delov in pripomočkov. Včasih se z njihovo pomočjo iz zemeljskih delcev sperejo celo korenovke (krompir, korenje, pesa itd.).

Uporaba ultrazvoka pri merjenju pretoka

Od 60. let prejšnjega stoletja se ultrazvočni merilniki pretoka uporabljajo v industriji za nadzor pretoka in obračunavanje vode in hladilne tekočine.

Uporaba ultrazvoka pri odkrivanju napak

Ultrazvok se v nekaterih materialih dobro širi, kar omogoča uporabo za ultrazvočno odkrivanje napak pri izdelkih iz teh materialov. V zadnjem času se je razvila smer ultrazvočne mikroskopije, ki omogoča preučevanje podpovršinske plasti materiala z dobro ločljivostjo.

ultrazvočno varjenje

Ultrazvočno varjenje - tlačno varjenje, ki se izvaja pod vplivom ultrazvočnih vibracij. Ta vrsta varjenja se uporablja za spajanje delov, ki jih je težko segreti, ali pri povezovanju različnih kovin ali kovin z močnimi oksidnimi filmi (aluminij, nerjaveče jeklo, magnetna jedra iz permaloja itd.). Tako se ultrazvočno varjenje uporablja pri proizvodnji integriranih vezij.

Uporaba ultrazvoka pri galvanizaciji

Ultrazvok se uporablja za intenziviranje galvanskih procesov in izboljšanje kakovosti premazov, proizvedenih z elektrokemično metodo.