Ультразвук и его применение
Содержание
Введение……………………………………………………………………3
Ультразвук………………………………………………………………….4
Ультразвук как упругие волны……………………………………..4
Специфические особенности ультразвука………………………………..5
Источники и приемники ультразвука……………………………………..7
Механические излучатели…………………………………………...7
Электроакустические преобразователи…………………………….9
Приемники ультразвука……………………………………………..11
Применение ультразвука…………………………………………………...11
Ультразвуковая очистка……………………………………………...11
Механическая обработка сверхтвердых и хрупких
материалов……………………………………………………………13
Ультразвуковая сварка……………………………………………….14
Ультразвуковая пайка и лужение……………………………………14
Ускорение производственных процессов………………..…………15
Ультразвуковая дефектоскопия…………………………..…………15
Ультразвук в радиоэлектронике………………………..……………17
Ультразвук в медицине………………………………..……………..18
Литература…………………………………………………..……………….19
[pic]ведение.
Двадцать первый век - век атома, покорения космоса, радиоэлектроники и
ультразвука. Наука об ультразвуке сравнительно молодая. Первые лабораторные
работы по исследованию ультразвука были проведены великим русским ученым-
физиком П. Н. Лебедевым в конце XIX, а затем ультразвуком занимались многие
видные ученые.
Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся
колебательное движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности
по сравнению со звуками слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне
сравнительно легко получить направленное излучение; он хорошо поддается
фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых
колебаний. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах
ультразвук порождает интересные явления, многие из которых нашли
практическое применение в различных областях науки и техники.
В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в научных
исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные
исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений,
позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при
воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое
направление химии – ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие
химико-технологические процессы. Научные исследования способствовали
зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей
молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые
области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая
акустика, ультразвуковая фазомерия, акустоэлектроника.
Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области
ультразвука выполнено много практических работ. Разработаны универсальные и
специальные ультразвуковые станки, установки, работающие под повышенным
статическим давлением, ультразвуковые механизированные установки для
очистки деталей, генераторы с повышенной частотой и новой системой
охлаждения, преобразователи с равномерно распределенным полем. Созданы и
внедрены в производство автоматические ультразвуковые установки, которые
включаются в поточные линии, позволяющие значительно повысить
производительность труда.
[pic]льтразвук.
Ультразвук (УЗ) – упругие колебания и волны, частота которых превышает
15 – 20 кГц. Нижняя граница области УЗ-вых частот, отделяющая ее от области
слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха
и является условной, так как верхняя граница слухового восприятия у каждого
человека своя. Верхняя граница УЗ-вых частот обусловлена физической
природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной
среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины
свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях и
твердых телах. В газах при нормальном давлении верхняя граница частот УЗ
составляет ( 109 Гц, в жидкостях и твердых телах граничная частота
достигает 1012-1013 Гц. В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает
различными специфическими особенностями излучения, приема, распространения
и применения, поэтому область УЗ-вых частот подразделяют на три области:
. низкие УЗ-вые частоты (1,5(104 – 105 Гц);
. средние (105 – 107 Гц);
. высокие (107 – 109 Гц).
Упругие волны с частотами 109 – 1013 Гц принято называть гиперзвуком.
Ультразвук как упругие волны.
УЗ-вые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от
упругих волн слышимого диапазона. В газах и жидкостях распространяются
только продольные волны, а в твердых телах – продольные и сдвиговые.
Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общими для
акустических волн любого диапазона частот. К основным законам
распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на
границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии
препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы
волноводного распространения в ограниченных участках среды. Существенную
роль при этом играет соотношение между длиной волны звука ( и
геометрическим размером D – размером источника звука или препятствия на
пути волны, размером неоднородностей среды. При D((( распространение звука
вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрической акустики
(можно пользоваться законами отражения и преломления). Степень отклонения
от геометрической картины распространения и необходимость учета
дифракционных явлений определяются параметром [pic], где r – расстояние от
точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию.
Скорость распространения УЗ-вых 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 УЗ-вой 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.[1]
При значительной интенсивности звуковых волн появляются нелинейные
эффекты:
. нарушается принцип суперпозиции и возникает взаимодействие волн,
приводящее к появлению тонов;
. изменяется форма волны, ее спектр обогащается высшими
гармониками и соответственно растет поглощение;
. при достижении некоторого порогового значения интенсивности УЗ в
жидкости возникает кавитация (см. ниже).
Критерием применимости законов линейной акустики и возможности
пренебрежения нелинейными эффектами является: М (( 1, где М = v/c, v –
колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.
Параметр М называется «число Маха».
[pic] пецифические особенности ультразвука
Хотя физическая природа УЗ и определяющие его распространение основные
законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает
рядом специфических особенностей. Эти особенности обусловлены относительно
высокими частотами УЗ.
Малость длины волны определяет лучевой характер распространения УЗ-вых
волн. Вблизи излучателя волны распространяются в виде пучков, поперечный
размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные
препятствия такой пучок (УЗ луч) испытывает отражение и преломление. При
попадании луча на малые препятствия возникает рассеянная волна, что
позволяет обнаруживать в среде малые неоднородности (порядка десятых и
сотых долей мм.). Отражение и рассеяние УЗ на неоднородностях среды
позволяют формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения
предметов, используя звуковые фокусирующие системы, подобно тому, как это
делается с помощью световых лучей.
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.
Периодическое изменение показателя преломления световых волн,
связанное с изменением плотности в УЗ-волне, вызывает дифракцию света на
ультразвуке, наблюдаемую на частотах УЗ мегагерцевого-гигагерцевого
диапазона. УЗ волну при этом можно рассматривать как дифракционную решетку.
Важнейшим нелинейным эффектом в УЗ-вом поле является кавитация –
возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром,
газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их схлопывание, слияние
друг с другом и т.д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные
волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти
эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в
жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), возникает перемешивание
жидкости, инициируются или ускоряются различные физические и химические
процессы. Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или
ослаблять различные кавитационные эффекты, например с ростом частоты УЗ
увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с
увеличением давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий.
Увеличение частоты приводит к повышению порогового значения интенсивности,
соответствующей началу кавитации, которое зависит от рода жидкости, ее
газосодержания, температуры и т.д.. Для воды при атмосферном давлении оно
обычно составляет 0,3(1,0 Вт/см2. Кавитация – сложный комплекс явлений. УЗ-
вые волны, распространяющиеся в жидкости, образуют чередующиеся области
высоких и низких давлений, создающих зоны высоких сжатий и зоны разрежений.
В разреженной зоне гидростатическое давление понижается до такой степени,
