Физика ультразвука в металле
13.08.2014 22:29
дата обновления страницы
Ультразвук. Ультразвук в металлургии.
Дата создания сайта: 1 5 / 0 1/201 3
Дата обновления страницы: 13.08.2014 22:29
Металлурги знают, что одна из основных металла - это наличие в нем газов. Даже ничтожное количество (сотые и даже тысячные доли процента) газовых и неметаллических примесей в металлах и сплавах снижает их прочность и пластичность, что, естественно, сказывается потом на дальнейшей обработке (прокатке, штамповке, например) и качестве изготовленных из них изделий. Избежать такого можно с помощью все того же ультразвука. Под действием ультразвуковых колебаний из расплава выделяется растворенный в нем газ и неметаллические включения. Этот процесс металлурги назвали дегазацией.
Ультразвуковая обработка металлов один из новых эффективных способов, применяющихся в металлургии для улучшения качества металлов. Облучение ультразвуком расплавленного металла приводит к заметному измельчению зерна и уменьшению пористости. Кроме того, ультразвук повышает механические свойства затвердевших расплавов и намного улучшает способность металла к пластической деформации.
Известно, что большинство металлов и сплавов в процессе литья активно взаимодействуют с газами. Но особенно старательно и, можно сказать, жадно это делает алюминий. Причем из всех газов, попадающих в расплавленный алюминий и его сплавы, 80 процентов приходится на долю водорода. Избавляться от водорода и от других примесей помогает ультразвук, вызывающий в расплавленном металле кавитацию. Именно она ускоряет процесс выделения газовых пузырьков, то есть ускоряет дегазацию. Дегазирующее действие ультразвука возрастает с увеличением количества кавитационных зародышей - мельчайших газовых пузырьков и нерастворенных примесей.
При дегазации алюминиевых сплавов немаловажную роль играют интенсивность ультразвука и материал, из которого сделан излучатель ультразвуковых колебаний. Материал должен сам обладать способностью вступать в соединение с водородом, или, как говорят, быть гидрообразующим. Между тем известно, что таким свойством обладают титан и другие химические элементы этой группы. Титан, введенный в расплав даже в очень небольшом количестве (0,005 процента), поглощает много водорода.
Использование инструмента из титана, ниобия, молибдена при дегазации алюминия или его сплавов желательно и по другой причине. Поскольку поверхность излучателя ультразвуковых колебаний, введенного в жидкий металл, под воздействием кавитации разрушается, то это на первый взгляд вредное явление можно обратить в полезное, подобрать соответствующий материал для излучателя. Титан, ниобий, молибден или какие-либо другие элементы, переходя из инструмента в расплав и равномерно распределяясь по всему объему расплава, придают ему те свойства, которые нужны, желательны.
Разработанный в Советском Союзе новый технологический процесс дегазации алюминиевых сплавов ультразвуком нашел широкое применение. Центральным научно-исследовательским институтом технологии машиностроения разработаны ультразвуковые дегазаторы серии УЗД. Принцип действия их одинаков, различие состоит только в конструктивном исполнении и производительности. Один из промышленных ультразвуковых дегазаторов, а именно УЗД-200М, обрабатывает алюминиево-магниевые расплавы в тигле или ковше емкостью 50-200 килограммов. Головка дегазатора состоит из четырех магнитострикционных преобразователей. Другой промышленный дегазатор - УЗД-ЗОО - выполнен на восьми преобразователях.
Одной из новых областей применения ультразвука является процесс кристаллизации, определяющий качество готовых деталей, особенно таких, которые получаю методом литья. Если расплавленный кристаллизирующийся металл обработать ультразвуком, произойдет измельчение зерен, уменьшится пористость, а структура отливки будет более равномерной. Впервые идею механического расплава для улучшения качества металла при его кристаллизации высказал известный русский металлург Д. К. Чернов. В 1935 год С. Я- Соколов предложил воздействовать ультразвуком на процесс затвердевания расплавленных металлов.
Опытами установлено, что механическая вибрация сообщенная расплаву в процессе затвердевания, улучшает его свойства. Механические колебания звуковой и особенно ультразвуковой частоты оказывают наибольшее воздействие, так как, кроме механического встряхивания, на кристаллизующийся расплав накладывается ряд физических воздействий, способствующих измельчению литой структуры, что имеет большое значение для] получения материалов с улучшенными физико-химическими характеристиками.
У отливок, обработанных ультразвуком в процессе кристаллизации, значительно повышаются механические! свойства. Чугун, например, становится прочнее, сопротивление разрыву возрастает более чем в три раза. Kpoме того, после такой операции металл почти не поддается коррозии. Важно, что обработанный таким образом! чугун приобретает свойства стали, а по некоторым данным даже превосходит ее.
Ультразвук применяется и при обработке металлов и сплавов в твердом состоянии. Он улучшает физико-механические, технологические и эксплуатационные свойства! металлов и сплавов и ускоряет процессы термической и химико-термической обработки. Когда производят закалку, ультразвуковые колебания повышают охлаждающую! способность закалочной жидкости, разрушают паровую рубашку, возникающую вокруг закаливаемой детали, а также повышают механические свойства и прокаливаемость стали. Закалке с помощью ультразвука поддаются не только стали, но и твердые сплавы, при этом значительно повышается их прочность.
Все большее значение в промышленности приобретает порошковая металлургия. Детали различных машин, юлученные под очень большим давлением из металлического порошка, не требуют дополнительной механической обработки - они сразу поступают на сборку. Небольшая доза ультразвукового облучения в процессе переработки металлического порошка намного повышает физико-механические свойства . Крупинки металла под воздействием ультразвуковых колебаний как бы , каждая из них находит свое место в общей массе, плотно прилегает к соседним. Естественно, что после этого отпадает необходимость уплотнять порошок слишком высоким механическим давлением.
Повышение производительности труда в машиностроении, металообработке и многих других областях промышленности во многом зависит от уровня инструментального производства, от широкого применения алмазов. Но алмазы очень дороги. К тому же долгое время возможности алмаза полностью не использовались, так как не было хорошей связки зерен алмаза с металлом инструмента. При повышенных нагрузках алмаз крошится, не успевая сработаться и на 30 процентов.
В разрешении инструментальной проблемы большую роль сыграл ультразвуковой метод получения сплавов. По этому методу металлурги стали получать синтетические дисперсные сплавы, обладающие надежной металлической связкой. В инструменте из таких сплавов алмаз держится прочно, не крошится и при эксплуатации срабатывается почти до конца. Ультразвуковой метод получения металлической связки позволил применить алмазные инструменты для обработки различных материалов, включая такие, как жаропрочная сталь, твердые сплавы, чугун, неметаллические изделия из феррита, фарфора, стекла и т. п.
Каждый знает, что трение - машиностроителей и эксплуатационников. В борьбе с ним используются многие средства, прежде всего смазка. Можно представить себе, сколько различных смазочных материалов нужно для удовлетворения нужд современного машинного парка в промышленности, на транспорте и т. д. Совершенно очевидно, что создание материалов не требующих смазки,- насущная задача. Поиски здесь ведутся во многих направлениях. Одно из них - сделать самосмазывающимися материалы, которые давно используются в машиностроении для изготовления втулок, под шипников. Например, пропитать бронзу графитом. Но задача эта не простая, и тем не менее ее удалось решить благодаря ультразвуку. Он смог соединить между собой эти полярные вещества. Так удалось создать материал, обладающий отличными антифрикционными свойствами. Детали из него, например, на тепловозах работают в 10 раз дольше, чем прежние углеграфитные уплотнения. Точно таким же методом удалось получить еще один антифрикционный материал. Его из алюминия и свинца (до одного процента ко всей массе вновь полученного материала). Свинец, введенный в сплав обычными методами, сохраняет самостоятельность и не вступает в химические соединения. При ультразвуковой! технологии свинец в считанные минуты равномерно распределяется по всему объему алюминия. Изготовленные из такого материала подшипники намного устойчивее в работе. Переход на новые подшипники позволит сэкономить много средств. Полученный антифрикционный материал очень перспективен, особенно в устройствах и агрегатах, где подшипники испытывают огромные нагрузки и где нужна высокая точность.
"Звук, ультразвук, инфразвук" автор: И.Г. Хорбченко, Издательство "Знание" Москва 1986 год.
Каталог тематических ссылок:
Каталог статей:
Каталог фирм:
Каталог объявлений:
Добавить Ваши данные
VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015
Целью данной работы является изучение особенностей ультразвуковых волн, их применение, а так же ускорения производственных процессов с помощью ультразвука.
УЛЬТРАЗВУК- это упругие волны высокой частоты. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16 000 колебаний в секунду (Гц); колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости). Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до нескольких миллиардов герц[2].
Хотя о существовании ультразвука известно давно, его практическое использование достаточно молодо. В наше время ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах.
По своей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этом он не отличается от звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами поэтому условна; она определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует усреднённой верхней границе слышимого звука. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн ультразвук имеет ряд особенностей:
1) измерения скорости на ультразвуковых частотах позволяет с весьма малыми погрешностями определять, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоёмкости газов, упругие постоянные твёрдых тел[3].
2) возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть описаны лишь законами нелинейной акустики[1].
3) К числу важных явлений, возникающих при распространении интенсивного ультразвука в жидкостях, относится акустическая Кавитация — рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкостях до размеров в доли мм, которые начинают пульсировать с частотой У. и захлопываются в положительной фазе давления. При захлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысяч атмосфер, образуются сферические ударные волны. Возле пульсирующих пузырьков образуются акустические микропотоки. Явления в кавитационном поле приводят к ряду полезных (получение эмульсий, очистка загрязнённых деталей и др.) явлений[1].
4) Фокусировка УЗ позволяет не только получать звуковые изображения (системы звуковидения и акустической голографии), но и концентрировать звуковую энергию. С помощью УЗ-вых фокусирующих систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими[8].
5)Периодическое изменение показателя преломления световых волн, связанное с изменением плотности в УЗ-волне, вызывает дифракцию света на ультразвуке, наблюдаемую на частотах ультразвукавого диапазона. Ультразвуковую волну при этом можно рассматривать как дифракционную решетку[8].
Скорость распространения ультразвука
Скорость распространения ультразвуковых волн в неограниченной среде определяется характеристиками упругости и плотностью среды. В ограниченных средах на скорость распространения волн влияет наличие и характер границ, что приводит к частотной зависимости скорости (дисперсия скорости звука). Уменьшение амплитуды и интенсивности ультразвуковых волны по мере ее распространения в заданном направлении, то есть затухание звука, вызывается, как и для волн любой частоты, расхождением фронта волны с удалением от источника, рассеянием и поглощением звука. На всех частотах как слышимого, так и неслышимых диапазонов имеет место так называемое «классическое» поглощение, вызванное сдвиговой вязкостью (внутренним трением) среды. Кроме того, существует дополнительное (релаксационное) поглощение, часто существенно превосходящее «классическое» поглощение[8].
Применение ультразвука
В разных средах ультразвук ведет себя по-разному. В газах и, в частности, в воздухе распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Поэтому области использования ультразвука относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам[1].
В военных целях
В обработке металлов
1Применение ультразвук в природе
Летучие мыши, использующие при ночном ориентировании эхолокацию (Рис.1), испускают при этом ртом или имеющим форму параболического зеркала носовым отверстием сигналы чрезвычайно высокой интенсивности. На расстоянии 1 — 5 см от головы животного давление ультразвука достигает 60 мбар, то есть соответствует в слышимой нами частотной области давлению звука, создаваемого молотком. Эхо своих сигналов летучие мыши способны воспринимать при давлении всего 0,001 мбар, то есть в 10000 раз меньше, чем у испускаемых сигналов. При этом летучие мыши могут обходить при полете препятствия даже в том случае, когда на эхолокационные сигналы накладываются ультразвуковые помехи с давлением 20 мбар. Механизм этой высокой помехоустойчивости еще неизвестен. При локализации летучими мышами предметов, например, вертикально натянутых нитей с диаметром всего 0,005 — 0,008 мм на расстоянии 20см (половина размаха крыльев), решающую роль играют сдвиг во времени и разница в интенсивности между испускаемым и отраженным сигналами[3].
Рис.1 Эхолокация летучей мыши
2Диагностическое применение ультразвука в медицине
Благодаря хорошему распространению ультразвука в мягких тканях человека, его относительной безвредности по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в сравнении с магнитно-резонансной томографией, ультразвук широко применяется для визуализации состояния внутренних органов человека, особенно в брюшной полости и полости таза.
Помимо широкого использования в диагностических целях (см. Ультразвуковое исследование), ультразвук применяется в медицине (в том числе регенеративной) в качестве инструмента лечения[3].
Ультразвук обладает следующими эффектами:
противовоспалительным, рассасывающим действиями;
анальгезирующим, спазмолитическим действиями;
кавитационным усилением проницаемости кожи.
Принцип работы УЗИ-сканера (Рис.2)
Частота ультразвука, необходимая для медицинской визуализации, находится в диапазоне 1 — 20 МГц. Эти колебания получают при использовании пьезоэлектрических материалов. Когда электрическое поле помещается через срезы, оно расширяется или сжимается. При отражении сигнал возвращается, вызывая переменное электрическое поле, которое заставляет кристалл вибрировать[6].
Для достижения пьезоэлектрического эффекта в УЗИ-сканерах используются специальные элементы из кварца, титана или бария. Их толщина подбирается таким образом, чтобы обеспечить лучшее резонирование. На границе двух сред происходит передача или отражение звука, это зависит от того, насколько различны ткани, имеющие общую границу. Чем больше разница, тем сильнее будет отражаться сигнал[6].
уровень сопротивления воздуха и воды различен, поэтому чтобы получить более контрастное изображение кожу пациента смазывают специальным гелем, в котором не могут образовываться воздушные пузырьки[6].
Полученный электрический сигнал усиливается и обрабатывается. Таким образом фиксируется ультразвук, отраженный от препятствия. Обычно кристаллов бывает два – передающий и приемный. Они оба встроены в генератор, представляющий собой устройство, преобразующее электрическую энергию[6].
Изображение передается на экран прибора в виде срезов, окрашенных в виде 64-оттеночной черно-белой шкалы. Эхопозитивные участки при этом имеют темный, а эхонегативные – белый цвет. При обратной регистрации изображении оттенки могут меняться[6].
Рис.2 Принцип работы узи
3Применение ультразвука в военных целях
В 1912 году русский инженер К. В. Шиловский изобрел прибор для предотвращения столкновений судов с айсбергами и массивными льдинами. Работа прибора основывалась на принципе подводной звуковой эхолокации. Эхолокация основана на отражении сигналов различной частоты радиоволн, ультразвука и звука. Первые эхолокационные системы направляли сигнал в определённую точку пространства и по задержке ответа определяли её удалённость при известной скорости перемещения данного сигнала в данной среде и способности препятствия, до которого измеряется расстояние, отражать данный вид сигнала, то есть приема отраженных от объекта эхо-сигналов.
Опытами К. В. Шиловского заинтересовалось французское военное ведомство. В Париже русский инженер приступил к широким исследованиям в области гидроакустики. Вскоре к этим исследованиям подключился французский физик Поль Ланжевен. Их творческое содружество - ученого и инженера - принесло свои плоды: в Средиземном море был испытан созданный ими прибор, способный обнаруживать подводную лодку на расстоянии двух километров. Это был первый в мире гидролокатор, прообраз и основа всех последующих поколений гидролокаторов(эхолотов), включая даже самые современные. Поиск, атака, маневр - все действия и подводных лодок и надводных кораблей зависят теперь от показаний гидроакустических приборов, от четкой и грамотной работы гидроакустиков. Гидроакустик первым обнаруживает противника, по его данным командир корабля принимает решение[4].
Принцип работы эхолотов
Эхолот состоит из четырех основных элементов: передатчика (излучателя), приемника (датчика), преобразователя (тран-дюсера) и экрана (дисплея).
Передатчик вырабатывает следующие через определенные интервалы времени высокочастотные импульсы. В современных эхолотах применяются частоты 50 и 200 кГц, иногда встречается частота 192 кГц. Излучаемые преобразователем звуковые сигналы распространяются в воде со скоростью около 1500 м/сек. и отражаются от дна, рыб, водорослей, камней и пр. предметов (Рис.3). Достигшие до приемника эхо-сигналы возбуждают в нем электрические импульсы, которые затем усиливаются в преобразователе и поступают в дисплей. Преобразованные результаты зондирования отображаются на экране прибора в удобной для восприятия графической или алфавитно-цифровой форме[7].
Рис. 3. Принцип работы эхолота
Дисплей отображает результаты ультразвукового зондирования и управляет работой прибора. Для этого на нем имеется жидкокристаллический монохромный или цветной экран и клавиатура[7].
4Применение ультразвука в физике
Ультразвук служит мощным методом исследования различных явлений во многих областях физики. Так, например, ультразвуковые методы применяются в физике твёрдого тела и физике полупроводников; возникла целая новая область физики — акусто-электроника.
Акусто-электроника - область науки и техники, изучающая и использующая взаимодействие высокочастотных (с частотой выше 20 кГц) акустических волн с электрическим полем и электронами в твёрдых телах[5,1].
В радиоэлектронных системах обработки и передачи информации объёмные акустические волны используются в линиях задержки и кварцевых резонаторах для стабилизации частоты. Разработаны и широко применяются приборы на поверхностных акустических волнах : полосовые фильтры, линии задержки, полосовые фильтры для телевидения, синтезаторы частоты, усилитель поверхностной акустической волны типа лампы бегущей волны, акусто-инжекционный транзистор, устройство с переносом заряда акустической волной, конвольверы и корреляторы, использующие поперечный акустоэлектрический эффект, устройство считывания изображений, устройства памяти[5,1].
Ультразвук в радиоэлектронике
В радиоэлектронике часто возникает необходимость задержать один электрический сигнал относительно другого. Удачное решение нашли ученые, предложив ультразвуковые линии задержки (ЛЗ). Действие их основано на преобразовании электрических импульсов в импульсы ультрозвуковых механических колебаний, скорость распространения которых значительно меньше скорости распространения электромагнитных колебаний. После обратного преобразования механических колебаний в электрические импульс напряжения на выходе линии будет задержан относительно входного импульса.
Для преобразования электрических колебаний в механические и обратно используют магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи. Соответственно этому ЛЗ подразделяются на магнитострикционные и пьезоэлектрические.
Магнитострикционная ЛЗ состоит из входного и выходного преобразователей, магнитов, звукопровода и поглотителей[8].
Поглотители для уменьшения уровня паразитных отраженных сигналов располагаются на обоих концах звукопровода.
Принцип действия магнитострикционной ЛЗ основан на изменении размеров ферромагнитных материалов под воздействием магнитного поля. Механическое возмущение, вызванное магнитным полем катушки входного преобразователя, передается по звокопроводу и, дойдя до катушки выходного преобразователя, наводит в ней электродвижущую силу.
Пьезоэлектрические ЛЗ устроены следующим образом. На пути электрического сигнала ставят пьезоэлектрический преобразователь (пластинку кварца), который жестко соединен с металлическим стержнем (звукопроводом). Ко второму концу стержня прикреплен второй пьезоэлектрический преобразователь. Сигнал, подойдя к входному преобразователю, вызывает механические колебания ультразвуковой частоты, которые затем распространяются в звукопроводе. Достигнув второго преобразователя, ультразвуковые колебания вновь преобразуются в электрические. Но так как скорость распространения ультразвука в звукопроводе значительно меньше скорости меньше скорости распространения электрического сигнала, сигнал, на пути которого был звукопровод, отстает от другого на величину, равную разности скорости распространения ультразвука и электромагнитных сигналов на определенном участке[8].
Механическая обработка сверхтвердых и хрупких материалов
Если между рабочей поверхностью УЗ-вого инструмента и обрабатываемой деталью ввести абразивный материал, то при работе излучателя частицы абразива будут воздействовать на поверхность детали. Материал разрушается и удаляется при обработке под действием большого числа направленных микроударов (рис.4).
Рис.4 Ультразвуковая обработка материалов.
1 – ультразвуковой инструмент;
2 – абразивные зерна;
3 – обрабатываемая деталь
Кинематика ультразвуковой обработки складывается из главного движения – резания, т.е. продольных колебаний инструмента, и вспомогательного движения – движения подачи. Продольные колебания являются источником энергии абразивных зерен, которые и производят разрушение обрабатываемого материала. Вспомогательное движение – движение подачи – может быть продольным, поперечным и круговым. Ультразвуковая обработка обеспечивает большую точность – от 50 до 1 мк в зависимости от зернистости абразива. Применяя инструменты различной формы можно выполнять не только отверстия, но и сложные вырезы. Кроме того, можно вырезать криволинейные оси, изготавливать матрицы, шлифовать, гравировать и даже сверлить алмаз. Материалы, используемые в качестве абразива – алмаз, корунд, кремень, кварцевый песок[8].
Ультразвуковая сварка
Из существующих методов ни один не подходит для сварки разнородных металлов или если к толстым деталям нужно приварить тонкие пластины. В этом случае УЗ-вая сварка незаменима. Ее иногда называют холодной, потому что детали соединяются в холодном состоянии. Окончательного представления о механизме образования соединений при ультрозвуковой сварке нет. В процессе сварки после ввода ультразвуковых колебаний между свариваемыми пластинами образуется слой высокопластичного металла, при этом пластины очень легко поворачиваются вокруг вертикальной оси на любой угол. Но как только ультразвуковое излучение прекращают, происходит мгновенное «схватывание» пластин.
Ультразвуковая сварка происходит при температуре значительно меньшей температуры плавления, поэтому соединение деталей происходит в твердом состоянии. С помощью УЗ можно сваривать многие металлы и сплавы (медь, молибден, тантал, титан, многие стали). Наилучшие результаты получаются при сварке тонколистовых разнородных металлов и приварке к толстым деталям тонких листов. При УЗ-вой сварке минимально изменяются свойства металла в зоне сварки. Требования к качеству подготовки поверхности значительно ниже, чем при других методах сварки. УЗ сварке хорошо поддаются и неметаллические материалы (пластмасса, полимеры)[3,8].
Ускорение производственных процессов с помощью ультразвука
Ультразвуковая дефектоскопия – один из методов неразрушающего контроля. Свойство УЗ распространяться в однородной среде направленно и без существенных затуханий, а на границе раздела двух сред (например, металл – воздух) почти полностью отражаться позволило применить УЗ-вые колебания для выявления дефектов (раковины, трещины, расслоения и т.п.) в металлических деталях без их разрушения[8].
Рис.5 Теневой метод ультразвуковой дефектоскопии.
При помощи УЗ можно проверять детали больших размеров, так как глубина проникновения УЗ в металле достигает 8¸10 м. Кроме того, ультразвуком можно обнаружить очень мелкие дефекты (до 10-6мм). УЗ-вые дефектоскопы позволяют выявлять не только образовавшиеся дефекты, но и определять момент повышенной усталости металла.
Существует несколько методов ультразвуковой дефектоскопии, основными из которых являются теневой, импульсный, резонансный, метод структурного анализа, ультразвуковой визуализации.
Теневой метод основан на ослаблении проходящих УЗ-вых волн при наличии внутри детали дефектов, создающих УЗ-вую тень. При этом методе используется два преобразователя. Один из них излучает ультразвуковые колебания, другой принимает их (рис. 5). Теневой метод малочувствителен, дефект можно обнаружить если вызываемое им изменение сигнала составляет не менее 15¸20%. Существенный недостаток теневого метода в том, что он не позволяет определить на какой глубине находится дефект[8].
Рис. 6 Принцип действия ультразвукового дефектоскопа, основанный на импульсном методе.
Импульсный метод УЗ-вой дефектоскопии основан на явлении отражения ультразвуковых волн. Принцип действия импульсного дефектоскопа показан на( рис.6). Высокочастотный генератор вырабатывает кратковременные импульсы. Посланный излучателем импульс, отразившись, возвращается обратно к преобразователю, который в это время работает на прием. С преобразователя сигнал поступает на усилитель, а затем на отклоняющие пластины электроннолучевой трубки. Для получения на экране трубки изображения зондирующих и отраженных импульсов предусмотрен генератор развертки. Работой высокочастотного генератора управляет синхронизатор, который с определенной частотой формирует высокочастотные импульсы. Частота посылки импульсов может изменяться с таким расчетом, чтобы отраженный импульс приходил к преобразователю раньше посылки следующего импульса. Импульсный метод позволяет исследовать изделия при одностороннем доступе к ним. Метод обладает повышенной чувствительностью, отражение даже 1% УЗ-вой энергии будет замечено. Преимущество импульсного метода состоит еще и в том, что он позволяет определить на какой глубине находится дефект[8].
XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021
Рассмотрены особенности звуковых колебаний ультразвукового диапазона частот. Описаны генераторы и приемники ультразвуковых колебаний в воздухе и в воде (гидрофон), эхолокаторы, дефектоскопы. Приводится описание ультразвуковых приборов: ультразвуковое диспергирование, ультразвуковая сварка. Показано эффективное применение ультразвука в медицине: противовоспалительное, рассасывающее действие, спазмолитическое и анальгезирующее действие, усиление проницаемости лекарств в кожу, сканирование, ультразвуковое изображение.
Ключевые слова: ультразвук, эхолокаторы, дефектоскопы, сварка, сканирование
The features of sound vibrations of the ultrasonic frequency range are considered. Described are generators and receivers of ultrasonic vibrations in air and in water (hydrophone), sonars, flaw detectors. The description of ultrasonic devices is given: ultrasonic dispersion, ultrasonic welding. The effective use of ultrasound in medicine has been shown: anti-inflammatory, resorption effect, antispasmodic and analgesic effect, increased permeability of drugs into the skin, scanning, ultrasound image.
Key words: ultrasound, sonar, flaw detectors, welding, scanning
Ультразвук - звуковая волна, частота которой выше 20 кГц (выше, чем воспринимает человеческое ухо). Так же, как и привычный человеку звук, он представляет собой упругие колеблющиеся волны, из-за чего границы разделения обычного и ультразвука весьма условны. Данной границей служит диапазон восприятия звуков человеческим ухом.
Ультразвук имеет ряд некоторых особенностей:
-малая волновая длина позволяет получить сфокусированный пучок большой энергии
-способность к отчётливой акустической тени.
-способность отражаться, поглощаться и преломляться при прохождении через границу раздела двух сред.
-фактическое отсутствие распространения в воздухе.
-измерение скорости с помощью ультразвука позволяет с очень малой погрешностью вычислить значение удельной теплоёмкости газов, упругие постоянных твёрдых тел, а также адиабатические характеристики быстропротекающих процессов.
Ультразвуковые частоты делятся на три типа:
-УНЧ-ультразвук низких частот(20-100 кГц).
-УСЧ-ультразвук средних частот(0,1-10 мГц).
-УВЧ-ультразвук высоких частот(10-1000 мГц).
Ультразвук встречается повсеместно. Его источником могут быть как спонтанные природные явления, например, шум ветра, водопада, дождя; стук гальки в море; гроза; так и животные, например, благодаря ультразвуку ориентируются в пространстве летучие мыши и многие морские обитатели, такие как дельфины и киты.
Также ультразвук можно получить искусственным путём, например, с помощью электро- и магнитострикционных, а также пьезокерамических преобразователей или же механическим путём. Данные излучатели стоит разделить на две группы:
-излучатели-генераторы: устройства, возбуждающие ультразвуковые колебания путём препятствия прохождению потока волн струями жидкостей или газов. Сюда также относятся механические источники, например, свистки или сирены.
-электроакустические преобразователи: устройства, преобразующие заранее заданные звуковые колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твёрдого тела.
Приёмниками ультразвука являются приборы с одноимённым названием, показанные ниже (рис.1):
Рис.1. Схема приемника УЗИ
Данные приёмники используют явление пьезоэлектрического эффекта (возникновение поляризации диэлектрика под действием механического движения). Далее возникают колебания кристаллической пластины (1), вследствие чего на электродах (2) возникает напряжение, фиксируемое регистрирующей системой (3).
Типичным УЗИ-приёмником является гидрофон-прибор для приёма звуков и ультразвуков в воде. Используется как для прослушивания звуков, так и для изучения подводного дна и прочих измерительных целей. Первые модели гидрофонов не были электрическими ипредставляли собой колоколообразную трубу. Нынешние же модели основаны на вышеописанном пьезоэлектрическом эффекте, некоторые из которых способны не только принимать, но и передавать сигнал [1].
Несмотря на то, что уже в 1830 году стало известно о том, что существуют звуки, которые не входят в подходящий для человеческого уха диапазон, только спустя век началось более глубокое изучение ультразвука, преимущественно в области физики. Лишь в 20-х годах XX века изучение дало свои плоды:
-В 1925 г. Г.В. Пирс изготовил акустический интерферометр, что позволило с большой точностью измерить скорость ультразвука.
-В 1937 г. К. Дуссик предпринял попытку обнаружения головной опухоли с помощью ультразвуковой диагностики. Хотя этот эксперимент не дал ожидаемых результатов, полученные результаты позволили в будущем осуществить успешно реализовать данную идею.
Особенно полезным ультразвук оказался в медицине:
-Благодаря хорошему распространению ультразвука в мягких тканях человека, а также его относительной, по сравнению с рентгеновскими лучами, безопасности для организма, очень точно и успешно проводится УЗИ (ультразвуковое исследование), которое позволяет визуализировать человеческие органы, особенно в брюшной полости и области таза [2].
-Помимо использования в диагностических целях, уз также используется как средство лечения, ведь он обладает следующими эффектами:
- противовоспалительными, рассасывающими действиями.
- спазмолитическим и анальгезирующем действием.
-усилением проницаемости лекарств в кожу.
Наряду с медициной, уз широко используется и в других сферах жизнедеятельности человека:
-эхолокация: в рыбной промышленности применяют эхолокаторы и эхолоты, которые позволяют увидеть косяки рыб, с целью упростить работу и уменьшить время поиска. Эхолот состоит из 4 элементов: излучателя, датчика, преобразователя и дисплея. С помощью излучателя вырабатываются особые высокочастотные импульсы частотой от 50 до 200 кГц. Выработанные им волны распространяются в толще воды со скоростью до 5,5 км/ч и отражаются от встретившихся им на пути препятствий, начиная от рыб и заканчивая морским рельефом. Отражённые от объектов сигналы усиливаются в преобразователе и поступают в дисплей, на экране которого они отображаются в удобной для восприятия форме [7].
-дефектоскопия: в связи с тем, что ультразвук хорошо распространяется в некоторых материалах, специальные приборы позволяют с высокой точностью «просканировать» объект и выявить какие-либо проблемы [3].
-ультразвуковое диспергирование: диспергирование- размельчение жидкостей или твёрдых веществ, или, иным словами, переход в дисперсное состояние под действием ультразвуковых волн. Оно позволяет получать высокодисперсные части веществ, средних размер которых едва достигает мкм, а иногда и доли мкм
-ультразвуковая сварка: сварка, источником энергии которой являются ультразвуковые колебания. Применяется точечной и шовной сварке металлов, а также тканей, полупроводниковых материалов и т.д. Она осуществляется при помощи генерирования непрерывных, воздействующих на объект, волн ультразвука частотой от 18 до 180 кГц. Происходит при воздействии на свариваемые поверхности ВЧ колебаний и внешнего давления (рис.2). При воздействии ВЧ колебаний проявляется сухое трение, за счёт чего разрушаются поверхностные плёнки. Впоследствии сухое трение заменяется чистым, и в этот момент образуются узлы сцепления, из-за которых и образуется общая граница.
Рис.2. Схема УЗИ сварки
Такой метод имеет ряд преимуществ, среди которых [1]:
-отсутствие вредных выделений
-возможность сварки крайне тонких материалов (до 0,0001 мм)
-необязательна чистка поверхности - только обезжиривание.
Также есть и ряд недостатков:
- необходимо использовать дорогие генераторы ультразвука,
-крайне малый диапазон толщин свариваемых материалов.
Акустоэлектроника: область сфера физики, изучающая взаимодействие акустических волн, частота которых превышает 20 кГц, с электрическим полем в твёрдых телах. Есть три основных направления изучения акустоэлектроники: электронное поглощение и изменение скорости электрических волн, акустоэлектрический эффект. Акустические волны используются в кварцевых резонаторах и линиях задержки [4].
Гальванотехника: УЗИ применяются для интенсификации гальванических процессов и улучшения качеств покрытий, полученных электрохимическим способом. Специальное оборудование позволяет убрать загрязнения с труднодоступных мест, в особенности щелей и каких-либо отверстий. Это особенно важно в электротехнике и приборостроении. Вдобавок к этому, применение ультразвука делает процесс очистки загрязнений в несколько раз быстрее.
Радиоэлектроника: в радиоэлектронике часто возникает вопрос о задержке одного электрического сигнала относительно другого. Отличным решением вопроса послужило применение ультразвуковых линий задержки (ЛЗ). Суть их заключается в том, что электрические импульсы преобразуются в ультразвуковые, распространение которых во много раз меньше. После таких преобразований импульс напряжения будет задержан на некоторое время. Для таких преобразований используют магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи. Соответственно, и УЗИ бывают магнитострикционными и пьезоэлектрическими [6].
Магнитострикционная линия задержки состоит из магнитов звукопровода, поглотителей, а также входного и выходного преобразователей.
Пьезоэлектрическая линия задержки состоит из пьезоэлектрического преобразователя, звукопровода и ещё одного пьезоэлектрического преобразователя, а именно пластинки кварца.
Сельское хозяйство: уз обработка семян перед посадкой позволяет получить урожай на 20-30% больше, чем без таковой. Также, процесс прорастания позволяет получить урожай на несколько дней раньше.
Военное дело: огромное значение ультразвук играет в военной сфере. После второй мировой войны началась разработка подводных лодок - очень грозного оружия, способного нанести огромный ущерб. Но основная проблема заключалась в том, что они находились вдали от боевых действий под огромной толщей воды, и для точных нанесений ударов было необходимо координировать их действия. И тут пригодился ультразвук. Именно с его помощью происходит координация боевых действий. К слову, больше 60% всего веса подводной ложки приходится на ультразвуковое и гидроакустическое оборудование [5].
Как мы видим, ультразвук широко используется во всех сферах жизни человека - от сельского хозяйства, до координирования подводных лодок. Но это не значит, что на этом его применение заканчивается. Совсем наоборот, множество учёных всего мира работают надо его большим внедрением в нашу жизнь, и основной сферой внедрения является военная.
Человек не способен услышать ультразвук, что даёт большие перспективы в его использовании, как, например, ультразвуковое психотропное оружие.
На практике доказано, что при благоприятных условиях ультразвук определённой интенсивности способен нанести некоторый вред бойцам, вплоть до полной невозможности вести боевые действия, а именно ухудшение самочувствия, потеря координации и нарушениефункционирования некоторых органов чувств, так как хоть человек хоть и не способен услышать ультразвук, органы слуха всё равно способны его улавливать.
-Так, например, американская компания LRAD Corporation представила прототип оружия « directed stick radiator »-устройства в 1 метр длиной, способное стрелять акустической пулей на расстояние до 100 метров. Сама волна обладает мощностью в более чем 140 децибел, что превышает болевой порог человека. Для сравнения, шум вагона метро имеет мощность в 95 децибел. Такой импульс способен полностью обезоружить бойца, не имеющего специальное оборудование.
LRAD также в 2015 году представила миру свою разработку, имеющую одноимённое название – longrange acoustic device . Это устройство имеет широкий спектр выполнимых задач, одной из которых является ведение связи и координация действий отдельных групп бойцов, ведь оно имеет ряд преимуществ:
- очень небольшой размер
- малая вероятность утечки информации из информационного канала.
Другой задачей LRAD является обезвреживание врагов. Настроив данную остановку определённым образом, волны ультразвука можно использовать в борьбе с преступниками. Действие происходит во многом так же, как dsr - волна ультразвука достигает органов слуха людей, выводя человека из равновесия, из-за чего нарушается координация действий и потеря ориентации в пространстве [5].
К тому же, LRAD обладает функцией массового оповещения. Такая возможность достигается путём передачи ультразвуковых импульсов до необходимого приёмника с невероятно большой скоростью, что увеличивает вероятность спасения человеческих жизней и различных сооружений[5].
Electromagnetic personnel interdiction control - Электромагнитный контроль перехвата персонала, или сокращенно ( E . P . I . C ), разрабатывается Военно-морскими силами Соединённых Штатов Америки как нелетальное оружие. Эта установка пропускает интенсивные радиочастотные излучения, которые могут проникать сквозь стены и другие преграды и нарушать функции внутренних ушей цели, что влияет на её баланс и координацию и вызывает у неё дискомфорт и потерю самоконтроля. Это оружие предназначено для того, чтобы подавлять врага без особого ущерба для него.
Но дальнейшее применение ультразвука связано не только с целью ведения боевых действий.
Одна компания использует ультразвук с целью создания невидимых кнопок, «находящихся» в воздухе. Ультразвуковые сигналы посылают некий импульс к пальцам, за счёт чего они чувствуют некие тактильные ощущения, что позволяет не бездумно размахивать руками в воздухе или шарить ими по столу в надежде нащупать кнопки, а сразу понимать, где, в случае чего, «появится» такая своеобразная кнопка. Внедрение таких технологий позволит сделать наши гаджеты полностью водонепроницаемыми, ведь нам не понадобится прикасаться к телефону или планшету. Есть вероятность, что такие гаджеты смогут использовать ультразвук в качестве энергии и заряжаться от него, так как механическая энергия будет трансформировать в электрическую [6].
Мы уже прекрасно знаем, что ультразвук используется в медицине с целью «сканирования» человеческого организма, так почему бы не пофантазировать и не почувствовать себя в фантастическом фильме, увидев настоящую голограмму человека. Ведь, как говорилось ранее, некоторые компании работают над созданием ультразвуковых кнопок. Принцип создания голограммы схож: человек встаёт в определённое место перед специальным оборудованием, которое отправляет в сторону него ультразвуковые волны, которые будут отражаться от его тела и возвращаться назад, затем специальный датчик или преобразователь считывает информацию и посылает накопившиеся данные на другой конец, где очередной преобразователь или дисплей проецирует изображение. Либо же это можно представить по-другому: для облегчения работы данной схемы на другом конце можно установить резервуар с водой, или же какую-либо легко деформирующуюся поверхность, тогда проецируемый ультразвук будет ударяться о гладь воды или о какой-либо материал, что значительно облегчит создание голограммы.
Ещё одно изобретение, основанное на применении ультразвука - ультразвуковые очки. Принцип действия этого чуда техники был позаимствован у летучих мышей, которые ориентируются с помощью ультразвука в пространстве. Так же и эти специальные очки, в которые будет интегрирован специальный динамик, преобразователь, генератор волн и т.д., будут посылать импульсы, которые, после отражения от объектов, будут считываться этими очками и посылать какой-либо сигнал в организм с целью предупредить человека или помочь проложить маршрут [6].
Читайте также: