Какво е ултразвук и как се използва в промишлеността

Ултразвукът се нарича еластични вълни (вълни, разпространяващи се в течни, твърди и газообразни среди поради действието на еластични сили), чиято честота лежи извън диапазона, чуваем за хората — от около 20 kHz и повече.

Първоначално ултразвуковите и чуваемите звуци се разграничаваха само въз основа на възприятието или невъзприемането от човешкото ухо. Прагът на слуха при различните хора варира от 7 до 25 kHz и е установено, че човек възприема ултразвук с честота 30 — 40 kHz чрез механизма на костната проводимост. Поради това конвенционално се приема долната граница на честотата на ултразвука.

Горната граница на честотата на ултразвука се простира до честоти 1013 — 1014 Hz, т.е. до честоти, при които дължината на вълната става сравнима с междумолекулните разстояния в твърди тела и течности. В газовете тази граница се намира отдолу и се определя от свободния път на молекулата.

Полезни функции на ултразвуковите вълни

И въпреки че физически ултразвукът има същата природа като чуваемия звук, различаващ се само условно (по -висока честота), именно поради по -високата честота ултразвукът е приложим в редица полезни посоки.

Така че при измерване на скоростта на ултразвук в твърдо, течно или газообразно вещество се получават много незначителни грешки при наблюдение на бързите процеси, при определяне на специфичната топлина (газ), при измерване на еластичните константи на твърдите тела.

Високата честота при ниски амплитуди прави възможно постигането на увеличени плътности на енергийните потоци, тъй като енергията на еластичната вълна е пропорционална на квадрата на нейната честота. В допълнение, ултразвуковите вълни, използвани по правилния начин, могат да произведат редица много специални акустични ефекти и явления.

Един от тези необичайни явления е акустичната кавитация, която възниква, когато мощна ултразвукова вълна се насочи в течност. В течност, в областта на ултразвуково действие, малки мехурчета пара или газ (субмикроскопичен размер) започват да растат до части от милиметър в диаметър, пулсирайки с честотата на вълната и се срутват във фазата на положителното налягане.

Срутващият се балон генерира локално импулс с високо налягане, измерен в хиляди атмосфери, превръщайки се в източник на сферични ударни вълни. Акустичните микро потоци, генерирани близо до такива пулсиращи мехурчета, са били полезни за приготвяне на емулсии, почистване на части и т.н.

Чрез фокусиране на ултразвук се получават звукови изображения в акустична холография и в системи за звуково зрение, а звуковата енергия се концентрира, за да се образува насочено излъчване с определени и контролирани характеристики на насоченост.

Използвайки ултразвукова вълна като дифракционна решетка за светлина, е възможно да се променят показателите на пречупване на светлината за различни цели, тъй като плътността в ултразвукова вълна, както в еластична вълна, по принцип се променя периодично.

И накрая, характеристиките, свързани със скоростта на разпространение на ултразвук. В неорганичните среди ултразвукът се разпространява със скорост, която зависи от еластичността и плътността на средата.

Що се отнася до органичните среди, тук скоростта се влияе от границите и тяхната природа, тоест скоростта на фазата зависи от честотата (дисперсия).Ултразвукът се разпада с разстоянието на фронта на вълната от източника — фронтът се разминава, ултразвукът се разсейва, абсорбира.

Вътрешното триене на средата (срязващ вискозитет) води до класическата абсорбция на ултразвук, освен това релаксационната абсорбция за ултразвук превъзхожда класическата. В газ, ултразвукът е отслабен по -силно, в твърди вещества и в течности, той е много по -слаб. Във водата например се разпада 1000 пъти по -бавно, отколкото във въздуха. По този начин промишлените приложения на ултразвука са почти изцяло свързани с твърди вещества и течности.

Използването на ултразвук

Използването на ултразвук се развива в следните направления:

• ултразвукова технология, която позволява да се произведат необратими ефекти върху дадено вещество и върху протичането на физико -химичните процеси чрез ултразвук с интензитет на единици W / cm2 до стотици хиляди W / cm2;
• ултразвуков контрол, основан на зависимостта на абсорбцията и скоростта на ултразвука от състоянието на средата, през която се разпространява;
• ултразвукови методи за местоположение, линии на забавяне на сигнала, медицинска диагностика и др., базирани на способността на ултразвукови вибрации с по -високи честоти да се разпространяват в праволинейни лъчи (лъчи), следват законите на геометричната акустика и в същото време се разпространяват при относително ниска скорост.

Ултразвукът играе специална роля при изследването на структурата и свойствата на дадено вещество, тъй като с тяхна помощ е сравнително лесно да се определят най -разнообразните характеристики на материалните среди, като например еластични и вискоеластични константи, термодинамични характеристики, форми на повърхности на Ферми, дислокации, несъвършенства на кристални решетки и др. Съответният раздел от изследването на ултразвука се нарича молекулярна акустика.

Ултразвук в ехолокация и сонар (храна, отбрана, минно дело)

Първият прототип на сонар е създаден, за да предотврати сблъсъци на кораби с ледени блокове и айсберги от руския инженер Шиловски заедно с френския физик Ланжевен през 1912 г.

Устройството използва принципа на отражение и приемане на звукова вълна. Сигналът беше насочен към определена точка и по забавянето на сигнала за реакция (ехо), знаейки скоростта на звука, беше възможно да се прецени разстоянието до препятствието, което отразява звука.

Шиловски и Лангевин започнаха задълбочено изследване на хидроакустиката и скоро създадоха устройство, способно да открива вражески подводници в Средиземно море на разстояние до 2 километра. Всички съвременни сонари, включително военни, са потомци на това устройство.

Съвременните ехолоти за изучаване на долния релеф се състоят от четири блока: предавател, приемник, преобразувател и екран. Функцията на предавателя е да изпраща ултразвукови импулси (50 kHz, 192 kHz или 200 kHz) дълбоко във водата, които се разпространяват във водата със скорост 1,5 km / s, където се отразяват от риби, камъни, други предмети а отдолу, след това ехото достига до приемника, се обработва преобразувател и резултатът се показва на дисплея във форма, удобна за визуално възприятие.

Ултразвук в електронната и електрическата промишленост

Много области на съвременната физика не могат без ултразвук. Физиката на твърдите тела и полупроводниците, както и акустоелектрониката, са в много отношения тясно свързани с ултразвукови методи на изследване — с ефекти при честота 20 kHz и по -висока. Специално място тук заема акустоелектрониката, където ултразвуковите вълни взаимодействат с електрически полета и електрони вътре в твърдите тела.

Обемните ултразвукови вълни се използват по линии на закъснение и в кварцови резонатори с цел стабилизиране на честотата в съвременните електронни системи за обработка и предаване на информация.Повърхностните акустични вълни заемат специално място в лентовите филтри за телевизия, в честотните синтезатори, в устройствата за пренос на акустични вълни, в паметта и устройствата за четене на изображения. И накрая, корелаторите и конволверите използват напречния акустоелектричен ефект в работата си.

Радиоелектроника и ултразвук

Ултразвуковите линии за забавяне са полезни за забавяне на един електрически сигнал спрямо друг. Електрически импулс се преобразува в импулсна механична вибрация с ултразвукова честота, която се разпространява многократно по -бавно от електромагнитния импулс; след това механичната вибрация се преобразува обратно в електрически импулс и се получава сигнал, който се забавя спрямо първоначално подадения.

За такова преобразуване обикновено се използват пиезоелектрични или магнитострикционни преобразуватели, поради което линиите на забавяне се наричат ​​също пиезоелектрични или магнитострикционни.

В пиезоелектрическа линия на закъснение електрически сигнал се подава към кварцова плоча (пиезоелектричен преобразувател), здраво свързана с метален прът.

Към другия край на пръта е свързан втори пиезоелектричен преобразувател. Входният преобразувател приема сигнала, генерира механични вибрации, разпространяващи се по пръта и когато вибрациите достигнат до втория преобразувател през пръта, отново се получава електрически сигнал.

Скоростта на разпространение на вибрации по протежение на пръта е много по -малка от тази на електрически сигнал, следователно сигналът, който преминава през пръта, се забавя спрямо подадения със сума, свързана с разликата в скоростите на електромагнитни и ултразвукови вибрации .

Линията на магнитострикционно забавяне ще съдържа входния преобразувател, магнити, звуков проводник, изходен преобразувател и абсорбери. Входният сигнал се подава към първата намотка, ултразвукови честотни трептения — механични трептения — започват в акустичния проводник на пръта, направен от магнитострикционен материал — магнитът създава тук постоянно намагнитване в зоната на трансформация и начална магнитна индукция.

В пръта вибрациите се разпространяват със скорост 5000 m / s, като например за дължина на пръта 40 cm забавянето ще бъде 80 μs. Поглъщателите в двата края на пръта предотвратяват нежеланите отражения на сигнала. Магнитострикционните смущения ще предизвикат промяна в индукцията във втората намотка (изходен преобразувател) ЕМП.

Ултразвук в производствената индустрия (рязане и заваряване)

Между източника на ултразвук и детайла се поставя абразивен материал (кварцов пясък, диамант, камък и др.). Ултразвукът действа върху абразивни частици, които от своя страна удрят частта с честотата на ултразвук. Материалът на детайла под въздействието на огромен брой малки удари от абразивни зърна се унищожава — така се извършва обработката.

Рязането се добавя с движението на подаване, докато надлъжните режещи колебания са основните. Точността на ултразвуковата обработка зависи от размера на зърната на абразива и достига 1 микрона. По този начин се правят сложни разфасовки, които са необходими при производството на метални части, шлайфане, гравиране и пробиване.

Ако е необходимо да заварявате различни метали (или дори полимери) или да комбинирате дебела част с тънка плоча, ултразвукът отново идва на помощ. Това е т.нар студено ултразвуково заваряване… Под въздействието на ултразвук в зоната на заваряване металът става много пластичен, частите могат много лесно да се въртят по време на съединяване под всякакъв ъгъл. И си струва да изключите ултразвука — частите незабавно ще се свържат, ще се хванат.

Особено забележително е, че заваряването се извършва при температура под точката на топене на частите, а тяхното свързване всъщност става в твърдо състояние.Но стоманите, титанът и дори молибденът са заварени по този начин. Най -лесно се заваряват тънките листове. Този метод на заваряване не предполага специална подготовка на повърхността на частите, това се отнася и за метали и полимери.

За откриване на дефекти от плосък тип в метала по време на заваряване (пукнатини, липса на проникване, липса на слепване) се използва ултразвуково изпитване. Този метод е много ефективен за финозърнести стомани.

Ултразвук в металургията (ултразвуково откриване на дефекти)

Ултразвуково откриване на дефекти — откриване на дефекти, основано на промяна на условията на разпространение на еластични, главно ултразвукови вибрации.

Ултразвуковото откриване на дефекти е един от най-ефективните методи за неразрушителен контрол на качеството на металните части.

В хомогенна среда ултразвукът се разпространява по посока без бързо затихване и отражението е характерно за него на границата на средата. Така че металните части се проверяват за наличие на кухини и пукнатини вътре в тях (интерфейс въздух към метал) и се открива повишена метална умора.

Ултразвукът може да проникне в част на дълбочина 10 метра, а размерите на откритите дефекти са от порядъка на 5 мм. Има: сянка, импулс, резонанс, структурен анализ, визуализация, — пет метода за ултразвукова дефектоскопия.

Най -простият метод е ултразвуково откриване на дефекти в сянка, този метод се основава на отслабването на ултразвукова вълна, когато срещне дефект при преминаване през част, тъй като дефектът създава ултразвукова сянка. Работят два преобразувателя: първият излъчва вълна, вторият го приема.

Този метод е безчувствен, дефект се открива само ако влиянието му променя сигнала с поне 15%, освен това е невъзможно да се определи дълбочината, където дефектът се намира в детайла. По -точни резултати се получават чрез импулсен ултразвуков метод, той показва и дълбочината.

За излъчване и приемане на еластични вибрации се използват пиезоелектрични преобразуватели, и в диапазона на звука и ниските ултразвукови честоти — магнитострикционни преобразуватели.

Използват се следните методи за прехвърляне на еластични вибрации от преобразувателя към контролирания продукт и обратно:

• безконтактно;
• сух контакт (главно за ниски честоти);
• контакт с лубрикант (преди изпитването върху чисто обработената повърхност на продукта се нанася слой масло или вода с дебелина много по -малка от еластичната дължина на вълната);
• контакт със струя (чрез поток от течност, протичащ в малка междина между пиезоелектрическия елемент и повърхността на продукта);
• потапяне (контролираният продукт се потапя във вана и се осъществява контакт през слой течност, чиято дебелина трябва да бъде най -малко 1/4 от дебелината на продукта).

Предимството на потапящите, мастилено-струйни и безконтактни методи е липсата на износване на главите за търсене и възможността за използване на по-високи скорости на сканиране, както и възможността за автоматизация на управлението.

Вижте също:

Ултразвуково рязане на метали

Инсталации за ултразвуково почистване на части

Ултразвукови сензори за системи за автоматизация

Сензори и измервателни устройства за определяне на състава и свойствата на веществата