Kas ir ultraskaņa un kā to izmanto rūpniecībā?

Ultraskaņu sauc par elastīgiem viļņiem (viļņi, kas elastīgo spēku darbības rezultātā izplatās šķidrā, cietā un gāzveida vidē), kuru frekvence atrodas ārpus cilvēkiem dzirdamā diapazona - no aptuveni 20 kHz un vairāk.

Sākotnēji ultraskaņas un dzirdamās skaņas tika atšķirtas tikai pēc cilvēka auss uztveres vai neuztveršanas. Dzirdes slieksnis dažādiem cilvēkiem svārstās no 7 līdz 25 kHz, un ir noskaidrots, ka cilvēks ultraskaņu uztver ar frekvenci 30 - 40 kHz caur kaulu vadīšanas mehānismu. Tāpēc parasti tiek pieņemta ultraskaņas frekvences apakšējā robeža.

Ultraskaņas frekvences augšējā robeža sniedzas līdz frekvencēm 1013 — 1014 Hz, t.i. līdz frekvencēm, kurās viļņa garums kļūst salīdzināms ar starpmolekulārajiem attālumiem cietās vielās un šķidrumos. Gāzēs šī robeža atrodas zemāk, un to nosaka molekulas brīvais ceļš.

Ultraskaņas viļņu noderīgas funkcijas

Un, lai gan fiziski ultraskaņa ir tāda pati kā dzirdamai skaņai, kas atšķiras tikai nosacīti (augstāka frekvence), tieši augstākas frekvences dēļ ultraskaņa ir piemērojama vairākos noderīgos virzienos.

Tātad, mērot ultraskaņas ātrumu cietā, šķidrā vai gāzveida vielā, tiek iegūtas ļoti nelielas kļūdas, novērojot ātrus procesus, nosakot īpatnējo siltumu (gāzi), mērot cietvielu elastības konstantes.

Augsta frekvence pie zemām amplitūdām ļauj sasniegt palielinātu enerģijas plūsmu blīvumu, jo elastīgā viļņa enerģija ir proporcionāla tā frekvences kvadrātam. Turklāt ultraskaņas viļņi, ja tos izmanto pareizi, var radīt vairākus ļoti īpašus akustiskus efektus un parādības.

Viena no šīm neparastajām parādībām ir akustiskā kavitācija, kas rodas, ja spēcīgs ultraskaņas vilnis tiek novirzīts šķidrumā. Šķidrumā ultraskaņas darbības zonā mazi tvaika vai gāzes burbuļi (submikroskopiskā izmēra) sāk augt līdz milimetra diametra daļām, pulsējot ar viļņa frekvenci un sabrūkot pozitīva spiediena fāzē.

Sabrūkošais burbulis lokāli ģenerē augstspiediena impulsu, ko mēra tūkstošos atmosfēru, kļūstot par sfērisku triecienviļņu avotu. Šādu pulsējošu burbuļu tuvumā radušās akustiskās mikroplūsmas ir bijušas noderīgas emulsiju pagatavošanai, detaļu tīrīšanai utt.

Fokusējot ultraskaņu, tiek iegūti skaņas attēli akustiskās hologrāfijas un skaņas redzes sistēmās, un skaņas enerģija tiek koncentrēta, veidojot virziena staru ar definētiem un kontrolētiem virziena raksturlielumiem.

Izmantojot ultraskaņas viļņu kā gaismas difrakcijas režģi, ir iespējams mainīt gaismas laušanas koeficientus dažādiem mērķiem, jo ​​blīvums ultraskaņas vilnī, tāpat kā elastīgajā vilnī, parasti periodiski mainās.

Visbeidzot, īpašības, kas saistītas ar ultraskaņas izplatīšanās ātrumu. Neorganiskajā vidē ultraskaņa izplatās ar ātrumu, kas ir atkarīgs no vides elastības un blīvuma.

Runājot par organiskajām vidēm, šeit ātrumu ietekmē robežas un to raksturs, tas ir, fāzes ātrums ir atkarīgs no frekvences (dispersijas) Ultraskaņa samazinās līdz ar viļņu frontes attālumu no avota — fronte atšķiras, ultraskaņa. ir izkaisīts, uzsūcas.

Vides iekšējā berze (bīdes viskozitāte) noved pie klasiskās ultraskaņas absorbcijas, turklāt ultraskaņas relaksācijas absorbcija ir pārāka par klasisko. Gāzē ultraskaņa tiek vājināta spēcīgāk, cietās vielās un šķidrumos tā ir daudz vājāka. Piemēram, ūdenī tas sadalās 1000 reižu lēnāk nekā gaisā. Tādējādi ultraskaņas rūpnieciskie pielietojumi gandrīz pilnībā ir saistīti ar cietām vielām un šķidrumiem.

Ultraskaņas izmantošana

Ultraskaņas izmantošana attīstās šādos virzienos:

• ultraskaņas tehnoloģija, kas ļauj radīt neatgriezenisku ietekmi uz konkrēto vielu un fizikāli ķīmisko procesu gaitu ar ultraskaņas palīdzību ar intensitāti no W / cm2 līdz simtiem tūkstošu W / cm2;
• ultraskaņas kontrole, kuras pamatā ir ultraskaņas absorbcijas un ātruma atkarība no vides stāvokļa, caur kuru tā izplatās;
• ultraskaņas lokalizācijas metodes, signāla aizkaves līnijas, medicīniskā diagnostika u.c., pamatojoties uz augstāku frekvenču ultraskaņas vibrāciju spēju izplatīties taisnos staros, ievērot ģeometriskās akustikas likumus un vienlaikus izplatīties ar salīdzinoši mazu ātrumu.

Ultraskaņai ir īpaša nozīme vielas struktūras un īpašību izpētē, jo ar to palīdzību ir salīdzinoši viegli noteikt visdažādākās materiālās vides īpašības, piemēram, elastības un viskoelastības konstantes, termodinamiskos raksturlielumus, Fermi virsmu formas, dislokācijas, kristāla režģa nepilnības utt. Attiecīgo ultraskaņas pētījumu nozari sauc par molekulāro akustiku.

Ultraskaņa eholokācijā un sonārā (pārtika, aizsardzība, kalnrūpniecība)

Pirmo sonāra prototipu, lai novērstu kuģu sadursmes ar ledus bluķiem un aisbergiem, izveidoja krievu inženieris Šilovskis kopā ar franču fiziķi Langevinu 1912. gadā.

Ierīce izmanto skaņas viļņu atstarošanas un uztveršanas principu. Signāls bija vērsts uz noteiktu punktu, un pēc atbildes signāla (atbalss) aizkaves, zinot skaņas ātrumu, bija iespējams novērtēt attālumu līdz šķērslim, kas atspoguļoja skaņu.

Šilovskis un Langevins sāka padziļinātu hidroakustikas izpēti un drīz vien radīja ierīci, kas spēj atklāt ienaidnieka zemūdenes Vidusjūrā līdz 2 kilometru attālumā. Visi mūsdienu hidrolokatori, tostarp militārie, ir šīs ierīces pēcteči.

Mūsdienu eholotes dibena reljefa izpētei sastāv no četriem blokiem: raidītāja, uztvērēja, devēja un ekrāna.Raidītāja funkcija ir sūtīt dziļi ūdenī ultraskaņas impulsus (50 kHz, 192 kHz vai 200 kHz), kas izplatās pa ūdeni ar ātrumu 1,5 km/s, kur tos atstaro zivis, akmeņi, citi priekšmeti. un zemāk, pēc tam, kad šī atbalss sasniedz uztvērēju, tiek apstrādāts pārveidotājs un rezultāts tiek parādīts displejā vizuālai uztverei ērtā formā.

Ultraskaņa elektronikas un elektriskajā nozarē

Daudzas mūsdienu fizikas jomas nevar iztikt bez ultraskaņas. Cietvielu un pusvadītāju fizika, kā arī akustoelektronika daudzējādā ziņā ir cieši saistīta ar ultraskaņas izpētes metodēm — ar efektiem 20 kHz un lielākā frekvencē. Īpašu vietu šeit ieņem akustoelektronika, kur ultraskaņas viļņi mijiedarbojas ar elektriskajiem laukiem un elektroniem cietos ķermeņos.

Volumetriskos ultraskaņas viļņus izmanto aizkaves līnijās un kvarca rezonatoros frekvences stabilizēšanai mūsdienu elektroniskajās informācijas apstrādes un pārraidīšanas sistēmās Virsmas akustiskie viļņi ieņem īpašu vietu joslas caurlaides filtros televīzijai, frekvenču sintezatoros, akustisko viļņu pārraides ierīcēs. atmiņā un attēlu lasīšanas ierīcēs. Visbeidzot, korelatori un konvolveri savā darbībā izmanto šķērsvirziena akustoelektrisko efektu.

Radioelektronika un ultraskaņa

Ultraskaņas aizkaves līnijas ir noderīgas, lai aizkavētu vienu elektrisko signālu attiecībā pret otru.Elektriskais impulss tiek pārveidots par impulsu mehānisku vibrāciju ar ultraskaņas frekvenci, kas izplatās daudzkārt lēnāk nekā elektromagnētiskais impulss; mehāniskā vibrācija tiek pārveidota atpakaļ elektriskajā impulsā un tiek radīts signāls, kas ir aizkavēts attiecībā pret sākotnējo ieeju.

Šādai pārveidei parasti izmanto pjezoelektriskos vai magnetostriktīvos devējus, tāpēc aizkaves līnijas sauc arī par pjezoelektriskām vai magnetostriktīvām.

Pjezoelektriskajā aizkaves līnijā elektriskais signāls tiek pievadīts kvarca plāksnei (pjezoelektriskajam devējam), kas ir stingri savienota ar metāla stieni.

Otrs pjezoelektriskais devējs ir savienots ar stieņa otru galu. Ieejas devējs saņem signālu, ģenerē mehāniskas vibrācijas, kas izplatās gar stieni, un, kad vibrācijas caur stieni sasniedz otro devēju, atkal tiek radīts elektriskais signāls.

Vibrāciju izplatīšanās ātrums pa stieni ir daudz mazāks nekā elektriskā signāla ātrums, tāpēc signāls, kas iet cauri stieņam, tiek aizkavēts attiecībā pret ieeju par summu, kas saistīta ar elektromagnētisko un ultraskaņas vibrāciju ātrumu starpību.

Magnetostriktīvā aizkaves līnija satur ieejas devēju, magnētus, skaņas vadu, izejas devēju un absorbētājus. Ieejas signāls tiek pievadīts pirmajai spolei, no magnetostriktīva materiāla izgatavotā stieņa akustiskajā vadītājā sākas ultraskaņas frekvences svārstības - mehāniskās svārstības - magnēts šeit rada pastāvīgu magnetizāciju transformācijas zonā un sākotnējo magnētisko indukciju.

Stieņā vibrācijas izplatās ar ātrumu 5000 m / s, piemēram, ja stieņa garums ir 40 cm, aizkave būs 80 μs. Vājinātāji abos stieņa galos novērš nevēlamu signālu atspīdumu. Magnetostriktīvie traucējumi izraisīs izmaiņas otrā tinuma (izejas pārveidotāja) EMF indukcijā.

Ultraskaņa apstrādes rūpniecībā (griešana un metināšana)

Starp ultraskaņas avotu un apstrādājamo priekšmetu ievieto abrazīvu materiālu (kvarca smiltis, dimants, akmens utt.). Ultraskaņa iedarbojas uz abrazīvām daļiņām, kas savukārt skar daļu ar ultraskaņas frekvenci. Apstrādājamās detaļas materiāls tiek iznīcināts daudzu mazu abrazīvu graudu sitienu ietekmē - šādi tiek veikta apstrāde.

Griešana tiek pievienota ar padeves kustību, savukārt gareniskās griešanas svārstības ir galvenās. Ultraskaņas apstrādes precizitāte ir atkarīga no abrazīvās vielas graudu lieluma un sasniedz 1 mikronu. Tādā veidā tiek veikti sarežģīti griezumi, kas nepieciešami metāla detaļu ražošanā, slīpēšanā, gravēšanā un urbšanā.

Ja nepieciešams metināt atšķirīgus metālus (vai pat polimērus) vai apvienot biezu daļu ar plānu plāksni, ultraskaņa atkal nāk palīgā. Šis ir tā sauktais aukstā ultraskaņas metināšana… Ultraskaņas ietekmē metināšanas zonā metāls kļūst ļoti plastisks, detaļas var ļoti viegli griezties savienošanas laikā jebkurā leņķī. Un ir vērts izslēgt ultraskaņu - detaļas nekavējoties savienosies, noķers.

Īpaši ievērojams ir fakts, ka metināšana tiek veikta temperatūrā, kas ir zemāka par detaļu kušanas temperatūru, un to savienošana faktiski notiek cietā stāvoklī, taču šādā veidā tiek metināti tēraudi, titāns un pat molibdēns. Plānas loksnes ir visvieglāk metināmas. Šī metināšanas metode nenozīmē īpašu detaļu virsmas sagatavošanu, tas attiecas arī uz metāliem un polimēriem.

Ultraskaņas testēšana tiek izmantota, lai atklātu plakanus defektus metālā metināšanas laikā (plaisas, iespiešanās trūkums, adhēzijas trūkums). Šī metode ir ļoti efektīva smalkgraudainiem tēraudiem.

Ultraskaņa metalurģijā (ultraskaņas defektu noteikšana)

Ultraskaņas defektu noteikšana — defektu noteikšana, pamatojoties uz elastīgo, galvenokārt ultraskaņas vibrāciju izplatīšanās apstākļu maiņu.

Ultraskaņas defektu noteikšana ir viena no efektīvākajām metodēm metāla detaļu nesagraujošai kvalitātes kontrolei.

Homogēnā vidē ultraskaņa izplatās virzienā bez straujas vājināšanās, un tai raksturīga atstarošana pie vides robežas. Tātad metāla daļās tiek pārbaudīts, vai tajās nav tukšumu un plaisu (gaiss-metāla saskarne), un tiek konstatēts palielināts metāla nogurums.

Ultraskaņa var iekļūt daļā 10 metru dziļumā, un konstatēto defektu lielums ir 5 mm. Ir: ēna, impulss, rezonanse, strukturālā analīze, vizualizācija, — piecas ultraskaņas defektu noteikšanas metodes.

Vienkāršākā metode ir ultraskaņas ēnu defektu noteikšana, šīs metodes pamatā ir ultraskaņas viļņa vājināšanās, kad tas saskaras ar defektu, ejot cauri daļai, jo defekts rada ultraskaņas ēnu.Darbojas divi pārveidotāji: pirmais izstaro vilni, otrais to saņem.

Šī metode ir nejutīga, defekts tiek konstatēts tikai tad, ja tā ietekme izmaina signālu vismaz par 15%, turklāt nav iespējams noteikt dziļumu, kurā defekts atrodas daļā. Precīzākus rezultātus iegūst ar impulsu ultraskaņas metodi, tā parāda arī dziļumu.

Elastīgo vibrāciju izstarošanai un uztveršanai izmanto pjezoelektriskie devēji, un skaņas un zemo ultraskaņas frekvenču diapazonā — magnetostriktīvie devēji.

Lai pārnestu elastīgās vibrācijas no devēja uz kontrolēto produktu un otrādi, tiek izmantotas šādas metodes:

• bezkontakta;
• sausais kontakts (galvenokārt zemām frekvencēm);
• saskare ar smērvielu (pirms testa uz izstrādājuma tīri apstrādātas virsmas tiek uzklāts eļļas vai ūdens slānis, kura biezums ir daudz mazāks par elastīgo viļņa garumu);
• strūklas kontakts (caur šķidruma plūsmu, kas plūst nelielā spraugā starp pjezoelektrisko elementu un izstrādājuma virsmu);
• iegremdēšana (kontrolējamais produkts tiek iegremdēts vannā un kontakts notiek caur šķidruma slāni, kura biezumam jābūt vismaz 1/4 no produkta biezuma).

Iegremdēšanas, tintes un bezkontakta metožu priekšrocība ir meklēšanas galviņu nodiluma trūkums un iespēja izmantot lielāku skenēšanas ātrumu, kā arī vadības automatizācijas iespēja.

Skatīt arī:

Metālu ultraskaņas griešana

Instalācijas detaļu tīrīšanai ar ultraskaņu

Ultraskaņas sensori automatizācijas sistēmām

Sensori un mērierīces vielu sastāva un īpašību noteikšanai