Ультразвук

 

 

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

            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.

      

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 l и геометрическим размером D –

размером источника  звука или препятствия на пути волны, размером

неоднородностей среды. При D>>l 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 , 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».

               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