диапазона (табл. 1). Расскажем лишь о некоторых из многочисленных областей,
где нашел применение УЗ.
Ультразвуковая очистка.
Качество УЗ очистки несравнимо с другими способами. Например, при
полоскании деталей на их поверхности остается до 80% загрязнений, при
вибрационной очистке – около 55%, при ручной – около 20%, а при
ультразвуковой – не более 0,5%. Кроме того, детали, имеющие сложную форму,
труднодоступные места, хорошо можно очистить только с помощью ультразвука.
Особое преимущество УЗ-вой очистки заключается в ее высокой
производительности при малой затрате физического труда, возможности замены
огнеопасных или дорогостоящих органических растворителей безопасными и
дешевыми водными растворами щелочей, жидким фреоном и др.
Ультразвуковая очистка – сложный процесс, сочетающий местную
кавитацию с действием больших ускорений в очищающей жидкости, что приводит
к разрушению загрязнений. Если загрязненную деталь поместить в
Таблица 1
|Применения |Частота в герцах |
| |103 104 105 106 |
| |107 108 109 |
| |1010 1011 |
| |Научные |в газах, | ((((((((((((((( | | |
|Пол|исследования |жидкостях| | | |
|уче| | | | | |
|ние| | | | | |
|инф| | | | | |
|орм| | | | | |
|аци| | | | | |
|и | | | | | |
| | |в твердых| | | |(((((((((((((((( |
| | |телах | | | | |
| |Фильтры | |(((((((((((( | | | |
| |Акустооптические | | | |((((((((((((( | |
| |устройства | | | | | |
|Преобразователи сигналов в акустоэлектронике | | |((((((((( | | | | |
жидкость и облучить ультразвуком, то под действием ударной волны
кавитационных пузырьков поверхность детали очищается от грязи.
Серьезной проблемой является борьба с загрязнением воздуха пылью,
дымом, копотью, окислами металлов и т.д. Ультразвуковой метод очистки газа
и воздуха может применяться в существующих газоотводах независимо от
температуры и влажности среды. Если поместить УЗ-вой излучатель в
пылеосадочную камеру, то эффективность ее действия возрастает в сотни раз.
В чем сущность УЗ-вой очистки воздуха? Пылинки, которые беспорядочно
движутся в воздухе, под действием ультразвуковых колебаний чаще и сильнее
ударяются друг о друга. При этом они сливаются и размер их увеличивается.
Процесс укрупнения частиц называется коагуляцией. Улавливаются укрупненные
и утяжеленные частицы специальными фильтрами.
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).
[pic]
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.
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 УЗ-вой 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)
Ультразвуковая пайка и лужение.
В промышленности все большее значение приобретает УЗ-вая пайка и
лужение алюминия, нержавеющей стали и других материалов. Трудность пайки
алюминия состоит в том, что его поверхность всегда покрыта тугоплавкой
пленкой окиси алюминия, которая образуется практически мгновенно при
соприкосновении металла с кислородом воздуха. Эта пленка препятствует
соприкосновению расплавленного припоя с поверхностью алюминия.
В настоящее время одним из эффективных методов пайки алюминия является
ультразвуковой, пайка с применением УЗ производится без флюса. Введение
механических колебаний ультразвуковой частоты в расплавленный припой в
процессе пайки способствует механическому разрушению окисной пленки и
облегчает смачивание припоем поверхности.
Принцип УЗ-вой пайки алюминия заключается в следующем. Между
паяльником и деталью создается слой жидкого расплавленного припоя. Под
действием УЗ-вых колебаний в припое возникает кавитация, разрушающая
оксидную пленку. Перед пайкой детали нагревают до температуры, превышающей
температуру плавления припоя. Большим преимуществом метода является то, что
его можно с успехом применять для пайки керамики и стекла.
Ускорение производственных процессов
с помощью ультразвука.
. Применение ультразвука позволяет значительно ускорить смешивание
различных жидкостей и получить устойчивые эмульсии (даже таких
как вода и ртуть).
. Воздействуя УЗ-выми колебаниями большой интенсивности на
жидкости, можно получать тонкодисперсные аэрозоли высокой
плотности.
. Сравнительно недавно начали применять УЗ для пропитки
электротехнических намоточных изделий. Применение УЗ позволяет
сократить время пропитки в 3(5 раз и заменить 2-3 кратную
пропитку одноразовой.
. Под действием УЗ значительно ускоряется процесс гальванического
осаждения металлов и сплавов.
. Если в расплавленный металл вводить УЗ-вые колебания, заметно
измельчается зерно, уменьшается пористость.
. Ультразвук применяется при обработке металлов и сплавов в
твердом состоянии, что приводит к «разрыхлению» структуры и к
искусственному их старению.
. УЗ при прессовании металлических порошков обеспечивает получение
прессованных изделий более высокой плотности и стабильности
размеров.
Ультразвуковая дефектоскопия.
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.
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.
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.
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 УЗ-вых 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.
Входной преобразователь состоит из катушки, по которой протекает ток
входного сигнала, участка звукопровода из магнитострикционного материала, в
котором возникают механические колебания УЗ-вой частоты, и магнита,
создающего постоянное подмагничивание зоны преобразования. Выходной
преобразователь по устройству почти не отличается от входного.
Звукопровод представляет собой стержень из магнитострикционного
материала, в котором возбуждаются УЗ-вые колебания, распространяющиеся со
скоростью примерно 5000 м/с. для задержки импульса, например, на 100 мкс
длина звукопровода должна быть около 43 см. Магнит нужен для создания
начальной магнитной индукции и подмагничивания зоны преобразования.
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 УЗ-вой частоты, которые затем распространяются в
звукопроводе. Достигнув второго преобразователя, УЗ-вые колебания вновь
преобразуются в электрические. Но так как скорость распространения УЗ 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 УЗ и
электромагнитных сигналов на определенном участке.
Ультразвук в медицине.
Применение УЗ для активного воздействия на живой организм в медицине
основывается на эффектах, возникающих в биологических тканях при
прохождении через них УЗ-вых волн. Колебания частиц среды в волне вызывают
своеобразный микромассаж тканей, поглощение УЗ – локальное нагревание их.
Одновременно под действием УЗ происходят физико-химические превращения в
биологических средах. При умеренной интенсивности звука эти явления не
вызывают необратимых повреждений, а лишь улучшают обмен веществ и,
следовательно, способствуют жизнедеятельности организма. Эти явления
находят применение в УЗ-вой терапии (интенсивность УЗ до 1 Вт/см2). При
больших интенсивностях сильное нагревание и кавитация вызывают разрушение
тканей. Этот эффект находит применение в УЗ-вой хирургии. Для хирургических
операций используют фокусированный УЗ, который позволяет производить
локальные разрушения в глубинных структурах, например мозга, без
повреждения окружающих тканей (интенсивность УЗ достигает сотен и даже
тысяч Вт/см2). В хирургии применяют также УЗ-вые инструменты, рабочий конец
которых имеет вид скальпеля, пилки, иглы и т.п. Наложение УЗ-вых колебаний
на такие, обычные для хирургии, инструменты придает им новые качества,
существенно снижая требуемое усилие и, следовательно, травматизм операции;
кроме того, проявляется кровоостанавливающий и обезболивающий эффект.
Контактное воздействие тупым УЗ-вым инструментом применяется для разрушения
некоторых новообразований.
Воздействие мощного УЗ на биологические ткани применяется для
разрушения микроорганизмов в процессах стерилизации медицинских
инструментов и лекарственных веществ.
УЗ нашел применение в зубоврачебной практике для снятия зубного
камня. Он позволяет безболезненно, бескровно, быстро удалять зубной камень
и налет с зубов. При этом не травмируется слизистая полость рта и
обеззараживаются «карманы» полости, а пациент вместо боли испытывает
ощущение теплоты.
Литература.
1. И.П. Голямина. Ультразвук. – М.: Советская энциклопедия, 1979.
2. И.Г. Хорбенко. В мире неслышимых звуков. – М. : Машиностроение, 1971.
3. В.П. Северденко, В.В. Клубович. Применение ультразвука в
промышленности. – Минск : Наука и техника, 1967.
-----------------------
[1] Релаксация акустическая – внутренние процессы восстановления
термодинамического равновесия среды, нарушаемого сжатиями и разрежениями в
УЗ-вой волне. Согласно термодинамическому принципу равномерного
распределения энергии по степеням свободы, энергия поступательного движения
в звуковой волне переходит на внутренние степени свободы, возбуждая их, в
результате чего уменьшается энергия, приходящаяся на поступательное
движение. Поэтому релаксация всегда сопровождается поглощением звука, а
также дисперсией скорости звука.
[2] В монохроматической волне изменение колеблющейся величины W во времени
происходит по закону синуса или косинуса и описывается в каждой точке
формулой: [pic].
[3] Различают два вида магнитострикции: линейная, при которой
геометрические размеры тела изменяются в направлении приложенного поля, и
объемная, при которой геометрические размеры тела изменяются во всех
направлениях. Линейная магнитострикция наблюдается при значительно меньших
напряженностях поля, чем объемная. Поэтому практически в
магнитострикционных преобразователях используется линейная магнитострикция.
[4] Термистор – резистор, сопротивление которого, зависит от температуры.
Термопара – два проводника из разных металлов, соединенных вместе. На
концах проводников возникает ЭДС пропорционально температуре.
-----------------------
Рис1. Ультразвуковая механическая сирена.
1 – корпус; 2 – неподвижный диск;
3 – вращающийся диск.
Рис. 2 Принцип действия жидкостного генератора.
Рис.3 Магнитострикционный преобразователь
Рис.4 Ультразвуковая обработка материалов.
1 – ультразвуковой инструмент;
2 – абразивные зерна;
3 – обрабатываемая деталь.
Рис.5 Теневой метод ультразвуковой
дефектоскопии.
Рис. 6 Принцип действия УЗ дефектоскопа, основан-
ный на импульсном методе.
