Шта је ултразвук и како се користи у индустрији?

Ултразвук се назива еластичним таласима (таласи који се шире у течним, чврстим и гасовитим медијима услед дејства еластичних сила), чија фреквенција је изван опсега који људи чују — од око 20 кХз и више.

У почетку су се ултразвучни и звучни звукови разликовали само на основу перцепције или неопажања од стране људског уха. Праг чујности код различитих људи варира од 7 до 25 кХз, а установљено је да особа перципира ултразвук фреквенције 30 - 40 кХз кроз механизам коштане проводљивости. Стога је доња граница фреквенције ултразвука конвенционално прихваћена.

Горња граница ултразвучне фреквенције се протеже на фреквенције 1013 — 1014 Хз, тј. све до фреквенција где таласна дужина постаје упоредива са међумолекулским растојањима у чврстим течностима. У гасовима, ова граница се налази испод и одређена је слободним путем молекула.

Корисне функције ултразвучних таласа

И иако физички ултразвук има исту природу као и чујни звук, само условно се разликује (већа фреквенција), управо због веће фреквенције ултразвук је применљив у низу корисних праваца.

Дакле, при мерењу брзине ултразвука у чврстој, течној или гасовитој материји добијају се веома мале грешке при посматрању брзих процеса, при одређивању специфичне топлоте (гаса), при мерењу еластичних константи чврстих тела.

Висока фреквенција при малим амплитудама омогућава постизање повећане густине енергетских токова, пошто је енергија еластичног таласа пропорционална квадрату његове фреквенције. Поред тога, ултразвучни таласи, искоришћени на прави начин, могу произвести низ веома посебних акустичких ефеката и појава.

Једна од ових необичних појава је акустична кавитација, која настаје када се снажан ултразвучни талас усмери у течност. У течности, у области ултразвучног дејства, мали мехурићи паре или гаса (субмикроскопске величине) почињу да расту до фракција милиметра у пречнику, пулсирајући са фреквенцијом таласа и колабирајући у фази позитивног притиска.

Мехур који се урушава локално генерише пулс високог притиска мерен у хиљадама атмосфера, постајући извор сферних ударних таласа. Акустични микротокови који се стварају у близини таквих пулсирајућих мехурића били су корисни за припрему емулзија, делове за чишћење итд.

Фокусирањем ултразвука добијају се звучне слике у акустичној холографији и системима звучног вида, а звучна енергија се концентрише да формира усмерени сноп са дефинисаним и контролисаним карактеристикама усмерености.

Користећи ултразвучни талас као дифракциону решетку за светлост, могуће је мењати индексе преламања светлости за различите намене, пошто се густина у ултразвучном таласу, као и у еластичном таласу, углавном периодично мења.

Коначно, карактеристике које се односе на брзину ширења ултразвука. У неорганским медијима ултразвук се шири брзином која зависи од еластичности и густине средине.

Што се тиче органских медија, овде на брзину утичу границе и њихова природа, односно брзина фазе зависи од фреквенције (дисперзије) Ултразвук опада са растојањем фронта таласа од извора — фронт се дивергује, ултразвук је распршен, апсорбован.

Унутрашње трење медијума (вискозитет на смицање) доводи до класичне апсорпције ултразвука, штавише, релаксирајућа апсорпција за ултразвук је супериорнија од класичне. У гасу је ултразвук јаче ослабљен, у чврстим материјама и у течностима много слабији. У води се, на пример, разлаже 1000 пута спорије него у ваздуху. Дакле, индустријске примене ултразвука су скоро у потпуности повезане са чврстим материјама и течностима.

Употреба ултразвука

Употреба ултразвука се развија у следећим правцима:

• ултразвучна технологија, која омогућава стварање неповратних ефеката на дату супстанцу и на ток физичко-хемијских процеса помоћу ултразвука са интензитетом јединица од В / цм2 до стотина хиљада В / цм2;
• ултразвучна контрола заснована на зависности апсорпције и брзине ултразвука од стања средине кроз коју се шири;
• ултразвучне методе лоцирања, линије кашњења сигнала, медицинска дијагностика итд., засноване на способности ултразвучних вибрација виших фреквенција да се шире у праволинијским сноповима (зрацима), прате законе геометријске акустике и истовремено се шире релативно малом брзином.

Ултразвук игра посебну улогу у проучавању структуре и својстава супстанце, јер је уз њихову помоћ релативно лако одредити најразличитије карактеристике материјалних средина, као што су еластичне и вискоеластичне константе, термодинамичке карактеристике, облици Фермијевих површина, дислокације, несавршености кристалне решетке итд. Релевантна грана проучавања ултразвука назива се молекуларна акустика.

Ултразвук у ехолокацији и сонару (храна, одбрана, рударство)

Први прототип сонара за спречавање судара бродова са леденим блоковима и сантом леда креирао је руски инжењер Шиловски заједно са француским физичарем Ланжевеном 1912. године.

Уређај користи принцип рефлексије и пријема звучних таласа. Сигнал је био усмерен на одређену тачку, а кашњењем одзивног сигнала (еха), знајући брзину звука, било је могуће проценити удаљеност до препреке која је рефлектовала звук.

Шиловски и Лангевин су започели дубинско проучавање хидроакустике и убрзо створили уређај који је способан да открије непријатељске подморнице у Средоземном мору на удаљености до 2 километра. Сви савремени сонари, укључујући и војне, потомци су овог уређаја.

Савремени ехосонде за проучавање рељефа дна састоје се од четири блока: предајника, пријемника, претварача и екрана.Функција предајника је да шаље ултразвучне импулсе (50 кХз, 192 кХз или 200 кХз) дубоко у воду, који се пропагирају кроз воду брзином од 1,5 км/с, где их рефлектују рибе, камење, други предмети. а испод, након што овај ехо стигне до пријемника, обрађује се претварач и резултат се приказује на дисплеју у облику погодном за визуелну перцепцију.

Ултразвук у електронској и електро индустрији

Многе области модерне физике не могу без ултразвука. Физика чврстих тела и полупроводника, као и акустоелектроника, на много начина су уско повезани са ултразвучним истраживачким методама — са ефектима на фреквенцији од 20 кХз и више. Посебно место овде заузима акустоелектроника, где ултразвучни таласи интерагују са електричним пољима и електронима унутар чврстих тела.

Волуметријски ултразвучни таласи се користе у линијама кашњења и у кварцним резонаторима за стабилизацију фреквенције у савременим електронским системима за обраду и пренос информација.Површински акустични таласи заузимају посебно место у пропусним филтерима за телевизију, у синтетизаторима фреквенције, у уређајима за пренос акустичних таласа, у меморији и уређајима за читање слика. Коначно, корелатори и конволвери у свом раду користе попречни акустоелектрични ефекат.

Радиоелектроника и ултразвук

Ултразвучне линије одлагања су корисне за одлагање једног електричног сигнала у односу на други.Електрични импулс се претвара у импулсну механичку вибрацију са ултразвучном фреквенцијом, која се шири много пута спорије од електромагнетног импулса; механичка вибрација се затим поново претвара у електрични импулс и производи се сигнал који је одложен у односу на оригинални улаз.

За такву конверзију обично се користе пиезоелектрични или магнетостриктивни претварачи, због чега се линије кашњења називају и пиезоелектрични или магнетостриктивни.

У пиезоелектричној линији кашњења, електрични сигнал се примењује на кварцну плочу (пиезоелектрични претварач) чврсто повезану са металном шипком.

Други пиезоелектрични претварач је повезан са другим крајем штапа. Улазни претварач прима сигнал, генерише механичке вибрације које се шире дуж штапа, а када вибрације стигну до другог претварача кроз штап, поново се производи електрични сигнал.

Брзина простирања вибрација дуж штапа је много мања од брзине електричног сигнала, па се сигнал који пролази кроз штап касни у односу на улаз за количину која се односи на разлику у брзинама електромагнетних и ултразвучних вибрација.

Магнетостриктивна линија кашњења ће садржати улазни претварач, магнете, звучну жицу, излазни претварач и апсорбере. Улазни сигнал се примењује на први калем, ултразвучне фреквентне осцилације - механичке осцилације - старт у акустичном проводнику штапа од магнетостриктивног материјала - магнет овде ствара трајну магнетизацију у зони трансформације и почетну магнетну индукцију.

У штапу, вибрације се шире брзином од 5000 м / с, на пример, за штап дужине 40 цм, кашњење ће бити 80 μс. Пригушивачи на оба краја шипке спречавају нежељене рефлексије сигнала. Магнетостриктивни поремећаји ће изазвати промену ЕМФ индукције у другом намотају (излазном претварачу).

Ултразвук у прерађивачкој индустрији (сечење и заваривање)

Између извора ултразвука и радног предмета поставља се абразивни материјал (кварцни песак, дијамант, камен итд.). Ултразвук делује на абразивне честице, које заузврат ударају у део фреквенцијом ултразвука. Материјал радног предмета под утицајем огромног броја малих удараца абразивних зрна је уништен - тако се врши обрада.

Сечење се додаје кретањем помака, док су уздужне осцилације резања главне. Тачност ултразвучног третмана зависи од величине зрна абразива и достиже 1 микрон. На овај начин се израђују сложени резови који су неопходни у изради металних делова, брушењу, гравирању и бушењу.

Ако је потребно заварити различите метале (или чак полимере) или комбиновати дебели део са танком плочом, ултразвук поново долази у помоћ. Ово је тзв хладно ултразвучно заваривање… Под утицајем ултразвука у зони заваривања, метал постаје веома пластичан, делови могу врло лако да се ротирају током спајања под било којим углом. И вреди искључити ултразвук - делови ће се одмах повезати, ухватити.

Посебно је упечатљиво да се заваривање врши на температури испод тачке топљења делова, а њихово спајање се заправо одвија у чврстом стању.Али на овај начин се заварују челици, титанијум, па чак и молибден. Танке лимове је најлакше заварити. Овај начин заваривања не подразумева посебну припрему површине делова, то се односи и на метале и полимере.

Ултразвучно испитивање се користи за откривање плоснатог типа дефеката у металу током заваривања (пукотине, недостатак продора, недостатак адхезије). Ова метода је веома ефикасна за ситнозрнате челике.

Ултразвук у металургији (ултразвучна детекција грешака)

Ултразвучна детекција дефеката — детекција дефеката заснована на промени услова ширења еластичних, углавном ултразвучних вибрација.

Ултразвучна детекција грешака је једна од најефикаснијих метода за недеструктивну контролу квалитета металних делова.

У хомогеном медију ултразвук се шири у правцу без брзог слабљења, а карактеристична је за њега рефлексија на граници средине. Дакле, метални делови се проверавају на шупљине и пукотине унутар њих (интерфејс ваздух-метал) и открива се повећан замор метала.

Ултразвук може да продре у део на дубини од 10 метара, а величина откривених дефеката је реда величине 5 мм. Постоје: сенка, пулс, резонанција, структурна анализа, визуелизација, — пет метода ултразвучне детекције грешака.

Најједноставнији метод је ултразвучна детекција дефекта у сенци, ова метода се заснива на слабљењу ултразвучног таласа када наиђе на дефект при проласку кроз део, јер дефект ствара ултразвучну сенку.Два претварача раде: први емитује талас, други га прима.

Ова метода је неосетљива, дефект се детектује само ако његов утицај промени сигнал за најмање 15%, поред тога, немогуће је одредити дубину на којој се дефект налази у делу. Тачнији резултати се добијају пулсном ултразвучном методом, такође показује дубину.

За емитовање и пријем користе се еластичне вибрације пиезоелектрични претварачи, и у опсегу звука и ниских ултразвучних фреквенција — магнетостриктивни претварачи.

Следеће методе се користе за пренос еластичних вибрација са претварача на контролисани производ и обрнуто:

• бесконтактно;
• сув контакт (углавном за ниске фреквенције);
• контакт са мазивом (пре испитивања на чисто обрађену површину производа наноси се слој уља или воде дебљине много мање од еластичне таласне дужине);
• контакт млаза (кроз ток течности који тече у малом размаку између пиезоелектричног елемента и површине производа);
• потапање (контролисани производ се потапа у каду и контакт се врши кроз слој течности чија дебљина мора бити најмање 1/4 дебљине производа).

Предност имерсионих, инкјет и бесконтактних метода је недостатак хабања глава за претрагу и могућност коришћења већих брзина скенирања, као и могућност аутоматизације управљања.

Такође видети:

Ултразвучно сечење метала

Инсталације за ултразвучно чишћење делова

Ултразвучни сензори за системе аутоматизације

Сензори и мерни уређаји за одређивање састава и својстава супстанци