Применение ультразвука в промышленности

Ультразвуковыми называют упругие механические колебания с частотой выше 20 кГц, которые не воспринимаются человеческим ухом. Наиболее короткие ультразвуковые волны имеют длину порядка длин волн видимого света. Ультразвуковые волны, так же как и световые, отражаются от препятствий, их можно фокусировать и т. п.

При распространении ультразвуковых колебаний в жидкой среде в последней возникают чередующиеся сжатия и растяжения с частотой проходящих колебаний; в момент растяжения происходят местные разрывы жидкости и образуются полости (пузырьки), заполняющиеся парами жидкости и растворенными в ней газами. В момент сжатия пузырьки захлопываются, что сопровождается сильными гидравлическими ударами. Это явление называется кавитацией. Местные ударные давления при этом часто превышают 980 МПа.

Используемые в промышленности источники ультразвука могут быть разделены на две группы: механические и электромеханические.

Из механических источников ультразвука наибольшее применение получили динамические (сирены) и статические (свистковые). Сирены имеют статор с отверстиями и ротор из перфорированного диска. При подаче в корпус сирены пара, газа или сжатого воздуха ротор вращается, периодически закрывая и открывая отверстия статора, создавая механические колебания. Сирены широко применяют, например, для осаждения тумана серной кислоты и мелкодисперсной сажи в процессе их производства.

Из статических источников ультразвука (генераторов) наиболее известен свисток Гартмана, в котором звуковые колебания возникают при ударе струи газа, движущейся со сверхзвуковой скоростью из сопла в цилиндрический резонатор.

Из электромеханических источников наибольшее применение получили магнитострикционные и пьезокерамические преобразователи.

Основной частью магнитострикционного преобразователя служит так называемый двигатель из ферромагнитного материала, обладающий способностью изменять свои размеры в магнитном поле. Например, стержень из никеля, помещенный в магнитное поле, укорачивается, а стержень из железокобальтового сплава (пермендюра) - удлиняется.

Пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при растяжении и сжатии в определенных направлениях некоторых кристаллов, например кварца, на их поверхности возникают электрические заряды (прямой пьезоэффект).

Если к такой кварцевой пластинке подвести электрический заряд, то она изменит свои размеры (обратный пьезоэффект). При действии на пластинку переменного электрического поля она будет сжиматься или разжиматься синхронно с изменением приложенного напряжения. Прямой пьезоэлектрический эффект используется в приемниках ультразвуковых колебаний, где последние преобразуются в переменный ток.

Обратный пьезоэффект используется при изготовлении излучателей ультразвуковых колебаний, которые преобразуют электрические колебания в механические, главным образом, более высоких частот по сравнению с магнитострикционными.

В последние годы широкое распространение получили вибраторы из пьезокерамики, обладающие более высоким пьезоэффектом, чем природный кварц.

Одним из основных технологических применений ультразвука является интенсификация многих технологических процессов.

Ультразвуковые колебания применяются при ускорении таких процессов, как полимеризация (например, ультразвуковая обработка эмульсии при изготовлении искусственного каучука).

Значительно ускоряет ультразвук кристаллизацию различных веществ из пересыщенных растворов (винной кислоты, фтористого алюминия и др.).

С помощью ультразвука можно ускорить и растворение твердых веществ в жидкости. Например, продолжительность растворения вискозы в процессе изготовления химических волокон при применении ультразвука сокращается с 7 до 3 ч.

Ультразвук позволяет ускорить экстракционные процессы, например получать рыбий жир из рыбьей печени без значительного повышения температуры, что позволяет сохранить в нем все ценные витамины.

В химических процессах ультразвук применяют для очистки деталей (подшипников, электрических контактов и др.) и сборочных единиц от загрязнений.

Качество ультразвуковой очистки несравнимо с другими способами. Например, при очистке деталей в различных органических растворителях на их поверхности остается до 80% загрязнений, при вибрационной очистке - около 55 %, а при ультразвуковой - не более 0,5 %.

Ультразвуковые методы в большинстве случаев обеспечивают полную очистку деталей от технических загрязнений.

Ультразвуковая очистка производится в органических растворителях или водных растворах моющих веществ.

В последние годы преимущественное распространение получают водные растворы моющих веществ благодаря их негорючести и отсутствию токсичных компонентов, низкой стоимости, способности удерживать загрязнения во взвешенном состоянии без повторного осаждения их на очищаемую поверхность. В качестве водных моющих растворов применяются растворы щелочей и щелочных солей с добавками поверхностно-активных веществ. При очистке в таких растворах происходит одновременно эмульгирование и омыление загрязнений.

Продолжительность ультразвуковой очистки зависит от характера загрязнений и моющих растворов и не превышает 10-15 мин.

Пайка некоторых металлов и сплавов, например алюминия, нержавеющих сталей и др., обычными способами затруднена из-за наличия на их поверхностях прочной, трудноудаляемой оксидной пленки. Введение ультразвуковых колебаний в расплавленный припой приводит к разрушению пленки и облегчает смачивание припоем поверхности, подлежащей пайке или лужению, облегчает и ускоряет процесс пайки, повышает качество паяных соединений. Внедрение ультразвука при пайке алюминия уменьшает трудоемкость процесса на 20 - 30%. С помощью ультразвука можно облуживать изделия из керамики.

Сущность ультразвуковой размерной обработки заключается в том, что между инструментом, соединенным с излучателем, и заготовкой вводится абразивный материал, который воздействует на обрабатываемую поверхность. В качестве абразивных зерен применяют алмаз, корунд, наждак, кварцевый песок, карбид бора, карбид кремния и др.

Ультразвуком можно обрабатывать как хрупкие материалы (стекло, керамику, кварц, кремний, германий и др.), так и жаропрочные твердые (закаленные и азотированные стали, твердые сплавы), применяемые, в частности, для изготовления металлорежущего инструмента.

Ультразвуковая обработка может производиться свободно направленным абразивом, например при декоративном шлифовании и для снятия заусенцев у мелких деталей.

Размерная обработка инструментом обеспечивает высокую точность, позволяет получать сквозные и глухие отверстия, вырезы, осуществлять шлифование, клеймение, гравирование и другие операции.

Наряду с преимуществами ультразвуковой метод имеет и недостатки: сравнительно небольшая площадь и глубина обработки, большая энергоемкость, невысокая производительность процесса и большой износ инструмента.

Электроэрозионная обработка

Электроэрозионные методы обработки применимы для всех токопроводящих материалов. Эти методы основаны на явлении эрозии (разрушения) поверхности токопроводящих электродов от разрядов при пропускании между ними импульсного электрического тока.

Разрушение материала происходит из-за его локального оплавления и выброса расплавленного материала в виде парожидкостной смеси.

Все виды электроэрозионной обработки осуществляются в жидкостной среде - керосине, нефтяном масле, дистиллированной воде.

При прохождении искрового разряда в жидкости начинается бурное газообразование, в результате чего жидкость как бы взрывается, что способствует удалению продуктов эрозии из рабочей зоны. Кроме того, рабочая жидкость препятствует окислению поверхности обрабатываемого материала.

Основными разновидностями электроэрозионных методов являются электроискровая и анодно-механическая обработка.

Электроискровая обработка широко применяется в инструментальном производстве при изготовлении штампов, литейных форм и прессформ, а также в основном производстве при размерной обработке заготовок деталей сложных профилей из труднообрабатываемых электропроводящих материалов. С ее помощью можно получать сквозные и глухие отверстия различной конфигурации, криволинейные щели и пазы, вырезать сложный контур, клеймить детали, удалять из заготовок сломанный инструмент и т. п.

Принципиальная схема установки приведена на рис. 18.57, а. Источник питания - генератор 3 однополярных импульсов заряжает конденсатор 5 до напряжения пробоя в промежутке между электродом-инструментом 2 и обрабатываемой заготовкой 1. При пробое энергия, накопленная конденсатором 5, мгновенно выделяется в виде разряда.

Из-за малой длительности разряда заготовка и рабочий электрод практически не нагреваются, хотя основная часть накопленной энергии превращается в теплоту, идущую на плавление и испарение обрабатываемого материала.

Под действием многочисленных разрядов в обрабатываемом материале образуется выемка, представляющая собой отпечаток торца электрода-инструмента. Станки для электроискровой обработки снабжены программно-управляющими устройствами, которые обеспечивают постоянный зазор между заготовкой и инструментом, продольное перемещение инструмента и регулирование подачи. Производительность процесса зависит от частоты следования импульсов, энергии разряда, свойств обрабатываемого материала, материала и формы электрода-инструмента. При оптимальных режимах обработки, устанавливаемых с помощью переменного сопротивления 4, конфигурация детали обеспечивается с погрешностью ± 0,005 мм.

Обработку профильным электродом применяют для получения сквозных и глухих отверстий с различной формой поперечного сечения.

В настоящее время наибольшее применение получил метод электроискровой обработки непрофилированным электродом-проволокой. При этом (рис. 18.57,6) электрод-проволока 2 диаметром 0,02 - 0,5 мм (в зависимости от требуемой точности обработки) перематывается с определенной скоростью с подающей катушки 4 на приемную катушку 1 , воспроизводя любой заданный контур. При вырезании замкнутого контура в заготовке 3 предусматривается технологическое отверстие.

Анодно-механическая обработка (рис. 18.57, в) осуществляется при включении обрабатываемой заготовки 1 в цепь постоянного тока в качестве анода, а рабочего инструмента - диска 2 в качестве катода. В зазор подается рабочая жидкость (раствор жидкого стекла при черновой обработке или раствор хлористого или сернокислого натрия при доводке). При анодно-меха-нической обработке металл заготовки подвергается анодному (электрохимическому) растворению, а также локальному плавлению от воздействия разрядов, как при электроискровой обработке, и механическому воздействию инструмента, который снимает оксидную пленку и расплавленный металл.

Производительность процесса в 2 - 3 раза выше, чем при обычной механической обработке. Этот метод применяют для шлифования, хонингования цилиндрических отверстий, полирования, резки. Анодно-механическую обработку можно совмещать с абразивной обработкой, используя при этом в качестве инструмента электропроводящий абразивный диск или добавляя абразив в рабочую жидкость.

Процесс электроискрового упрочнения применяют для упрочнения поверхностей различных металлов и сплавов, чаще всего штамповой оснастки. В отличие от размерной электроискровой обработки здесь анодом является электрод-инструмент, материал с поверхности которого переносится на обрабатываемую заготовку - катод.

Сущность метода заключается в том, что при сближении инструмента с деталью между ними возникает искровой электрический разряд, который оплавляет материал анода. На первой стадии капля расплавленного металла разогревается до высокой температуры, закипает и металл анода в виде мелких частиц устремляется к катоду. Достигнув катода, расплавленные частицы свариваются с ним. На следующей стадии через раскаленный участок катода проходит второй импульс тока, Этот импульс сопровождается механическим ударом анода о катод, при котором происходит сварка металла анода с поверхностью катода, сопровождаемая химическими реакциями, диффузионными процессами и явлениями, характерными при ковке.

В качестве материала анода для упрочнения режущего инструмента (резцов, фрез, сверл, ножей и др.) используют твердые сплавы различных марок, феррохром и графит. Расход этих материалов невелик.

АКУСТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС

Для увеличения интенсивности звука, производимого источником, используют объемные колебательные системы, настроенные в резонанс с источником. Например, камертон в руке звучит едва слышно (правда, зато и долго), но если его поставить на крышку настроенного на частоту камертона деревянного ящика с одним открытым концом, то звучание камертона значительно усиливается. При этом время звучания, естественно, сокращается. Струнные музыкальные инструменты содержат деревянные «ящики» - резонаторы. Сложная форма этих резонаторов обусловлена необходимостью обеспечить достаточно широкую полосу собственных частот инструмента: «ящик» должен резонировать более или менее одинаково на звуки всех частот, производимых струнами.

Объемные колебательные системы могут резонировать с источником не только на своей основной частоте, но и на частотах обертонов. Например, если над открытым концом цилиндрической вертикальной трубки, частично погруженной в воду, держать звучащий камертон, а трубку постепенно поднимать, то резонанс наступает при различной длине воздушного столба. Резонанс при большей длине воздушного столба и означает, что он произошел на обертоне, так как основная частота столба воздуха с увеличением его длины уменьшается (частота камертона остается неизменной).

Акустический резонанс нашел применение при анализе частотного состава сложного звука.

Для этой цели Гельмгольц сконструировал набор объемных резонаторов. Входящие в состав сложного звука простые тона возбуждают те резонаторы, собственная частота которых совпадает с частотой данного тона. В настоящее время этот способ утратил свое значение в технике. Современные анализаторы спектра звука сначала преобразуют звуковые колебания в электрические, которые затем анализируются электрическими цепями.

В природе, однако, акустические анализаторы не утратили своего значения. Основной частью слухового органа является мембрана, размещенная в полости, заполненной жидкостью и содержащей несколько тысяч волокон, имеющих разные собственные частоты. В зависимости от частотного состава звука соответствующие волокна вследствие резонанса начинают колебаться, при этом нервные элементы на волокнах раздражаются и передают сигнал в мозг.

Ультразвук - механическая волна, частота которой превышает 20 000 Гц. На практике используются ультразвуки с частотой до 10 6 Гц и более. Чтобы получить такие частоты при помощи собственных колебаний стальной пластины, свободной на обоих концах, длина этой пластины при основном тоне должна быть порядка

Собственные колебания такой пластины весьма слабы и быстро затухают. Для того чтобы пластина могла стать непрерывным источником ультразвука, нужно колебания в ней поддерживать внешней силой, меняющейся с частотой, равной частоте собственных колебаний. Тогда в результате резонанса амплитуда колебаний пластины может быть довольно значительной, а порождаемый ею в окружающей среде ультразвук - достаточно интенсивным. Но где взять такую силу?

Получение ультразвука. Для получения ультразвука используются три явления: обратный пьезоэлектрический эффект, магнитострикция и электрострикция.

Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что пластинка, вырезанная определенным образом из кристалла кварца (или другого анизотропного кристалла), под действием электрического поля сжимается или удлиняется в зависимости от направления поля. Если поместить такую пластину между обкладками плоского конденсатора, на которые подается переменное напряжение, то пластина придет в вынужденные колебания. Эти колебания приобретают наибольшую амплитуду, когда частота изменений электрического напряжения совпадает с частотой собственных колебаний пластины. Колебания пластины передаются частицам окружающей среды (воздуха или жидкости), что и порождает ультразвуковую волну.

Явление магнитострикции состоит в том, что ферромагнитные стержни (сталь, железо, никель и их сплавы) изменяют свои линейные размеры под действием магнитного ноля, направленного по оси стержня. Поместив такой стержень и переменное магнитное поле (например, внутрь катушки, но которой течет переменный ток), мы вызовем в стержне вынужденные колебания, амплитуда которых будет особенно велика при резонансе. Колеблющийся торец стержня создает в окружающей среде ультразвуковые волны, интенсивность которых находится в прямой зависимости от амплитуды колебаний торца.

Некоторые материалы (например, керамики) обладают свойством изменять свои размеры в электрическом поле. Это явление, получившее название электрострикции, отличается (внешне) от обратного пьезоэлектрического эффекта тем, что изменение размеров зависит только от напряженности приложенного поля, но не зависит от его знака. К числу подобных материалов относятся титанат бария и титанат-цирконат свинца.

Преобразователи, в которых используются описанные выше явления, называют соответственно пьезоэлектрическими, магнитострикционными и электрострикционными. Последние нашли наибольшее применение в практике.

Для получения ультразвука применяются также специальные свистки, предназначенные для работы в воде (в море).

Регистрация ультразвука осуществляется приемным преобразователем, действие которого основано либо на прямом пьезоэлектрическом эффекте, либо на явлении, обратном электрострикции. При сжатии кварцевой пластины (или пластины из керамики) на ее параллельных плоскостях появляются разноименные заряды, т.е. создается разность потенциалов, которая зависит от сжимающегося давления. Действие кварцевого и электрострикционного керамического приемного преобразователя таково: звуковые волны оказывают переменное давление на поверхность пластины, что приводит к появлению на ее поверхности переменной разности потенциалов, которая и фиксируется электрической частью приемного устройства.

Применение ультразвука. Отметим два направления практического применения ультразвука.

Одно из них связано с использованием ультразвука большой интенсивности, который за счет побочных явлений может оказывать на материал разрушающее действие. Другое состоит в использовании ультразвука малой интенсивности с целью получения информации о среде, в которой распространяются ультразвуковые волны (звуковые локаторы, эхолоты и т. д.).

Применение ультразвука большой интенсивности. Во всех случаях, связанных с применением ультразвука большой интенсивности, важную роль играет эффект кавитации. Как известно, кавитацией называют образование в жидкости пузырьков (полостей), заполненных газом или паром. Ультразвуковые волны, проходя сквозь жидкость, создают области сжатия и разрежения. В последних возникает «отрицательное давление», приводящее к разрыву жидкости. В образовавшейся полости находятся, как правило, воздух, проникший в нее в результате диффузии из окружающей жидкости, и пары жидкости. Если воздух в жидкости отсутствует, то полость заполняется только парами жидкости. Время жизни полости, или пузырька, очень мало, так как в волне вслед за разрежением быстро наступает сжатие, и давление на пузырек со стороны окружающей жидкости резко возрастает (оно может превышать в несколько тысяч раз атмосферное давление), что приводит к схлопыванию полости. Когда полость схлопывается, образуются сильные ударные волны. Действие последних и используется на практике, например, для очистки от грязи различных предметов (ультразвуковая очистка). Деталь помещают в ванну, наполненную соответствующим растворителем, в который погружен излучатель ультразвука.

Способность ультразвука создавать кавитацию уменьшается с ростом частоты, так как за короткое время существования пониженного давления пузырьки не успевают образоваться (или их образуется мало). В настоящее время большинство ультразвуковых очистителей работает на частотах около 20 кГц.

Интенсивный ультразвук нашел применение для приготовления однородных смесей (гомогенизация) и, в частности, для получения эмульсий (краски, лаки, косметические средства, фармацевтические изделия, продукты детского питания, мази, приправы, соусы, плавленые сыры, маргарин, майонез, зубная паста и т. д.).

Интенсивный ультразвук нашел применение также при пайке алюминиевых деталей. Дело в том, что на воздухе алюминий быстро покрывается тонкой пленкой окисла, которая препятствует пайке и которую практически невозможно удалить с помощью флюсов. Вот здесь и пригодилась ультразвуковая чистка. Проходящие через ванну ультразвуковые волны вызывают кавитацию, которая снимает пленку окисла алюминия и обеспечивает тем самым сцепление соединяемых деталей с помощью припоя.

Ультразвук применяется также для сварки двух различных металлов.

Ультразвуковая (точечная) сварка применяется для соединения деталей полупроводниковых приборов (диодов и триодов). Ультразвук позволяет делать отверстия прямоугольной (и более сложной) формы в хрупких материалах (стекло, керамика) и в очень твердых материалах (карбиды, бориды, алмазы).

В ультразвуковой дрели, в отличие от пневматической, сверло не прямо воздействует на материал, a через влажный абразивный порошок. Механизм сверления, по-видимому, сводится к тому, что участки абразивного порошка под действием ультразвука бомбардируют материал и тем производят нужную обработку. В медицине интенсивный ультразвук нашел применение, например, в лечении болезни Паркинсона (неконтролируемое подергивание головы и конечностей). Болезнь излечивается при ультразвуковом воздействии на некоторые глубинные участки мозга. Ультразвук, подобно пучку света, специальными линзами фокусируется на определенном участке мозга, поражая те клетки, которые являются причиной болезни, не оказывая при этом действия на соседние клетки.

Применение слабого ультразвука. Это ультразвуковая локация, позволяющая заглянуть как в глубь металла, так и внутрь человека. Ультразвуковая локация применяется на морских судах для обнаружения препятствий в воде (сонары) и исследования рельефа морского дна (эхолоты).

Пионером в области ультразвукового контроля (ультразвуковой дефектоскопии) был советский ученый С. Я. Соколов. В 1928 г. он предложил использовать метод ультразвуковой локации для обнаружения дефектов в металлических изделиях. Посылая в изделие ультразвуковые импульсы и принимая отраженные импульсы, можно не только обнаружить наличие дефекта, но установить его размер и месторасположение.

Ультразвуковые дефектоскопы применяются для обнаружения малейших трещин в железнодорожных рельсах, трещин в литье, ковке и т. п. Неожиданно эти приборы получили применение для определения упитанности крупного рогатого скота и свиней (определяется толщина жирового слоя под кожей).

В медицине слабый ультразвук нашел интересное применение в диагностике болезни мозга. Большой интерес представляет для медицинской диагностики использование эффекта Доплера на ультразвуке. Когда волна отражается от движущегося объекта, частота отраженного сигнала изменяется (по отношению к частоте излучателя). При наложении первичного и отраженного сигналов возникают биения. Появление биений свидетельствует о том, что облучаемый объект движется. По частоте биений можно судить о скорости движения. В организме человека и животных имеется много движущихся объектов: текущая кровь, бьющееся сердце, движение кишечника, выделение желудочного сока и т. д. Эти движения и можно контролировать ультразвуковыми методами, основанными на использовании эффекта Доплера.

Механические волны с частотой колебания, большей 20 000 Гц, не воспринимаются человеком как звук. Из называют ультразвуковыми волнами или ультразвуком . Ультразвук сильно поглощается газами и во много раз слабее - твердыми веществами и жидкостями. Поэтому ультразвуковые волны могут распространяться на значительные расстояния только в твердых телах и жидкостях.

Так как энергия, которую переносят волны, пропорциональна плотности среды и квадрату частоты, то ультразвук может переносить энергию, намного большую, чем звуковые волны. Еще одно важное свойство ультразвука заключается в том, что сравнительно просто осуществляется его направленное излучение. Все это позволяет широко использовать ультразвук в технике.

Описанные свойства ультразвука используются в эхолоте - приборе для определения глубины моря (рис. 25,11). Корабль снабжают источником и приемником ультразвука определенной частоты. Источник отправляет кратковременные ультразвуковые импульсы, а приемник улавливает отраженные импульсы. Зная время между отправлением и приемом импульсов и скорость распространения ультразвука в воде, с помощью формулы l = vt/2 определяют глубину моря. Аналогично действует ультразвуковой локатор, которым пользуются для определения расстояния до препятствия на пути корабля в горизонтальном направлении . При отсутствии таких препятствий ультразвуковые импульсы не возвращаются к кораблю.

Интересно, что некоторые животные, например, летучие мыши, имеют органы, действующие по принципу ультразвукового локатора, что позволяет им хорошо ориентироваться в темноте. Совершенный ультразвуковой локатор имеют дельфины.

При прохождении ультразвука через жидкость частицы жидкости приобретают большие ускорения и сильно воздействуют на различные тела, помещенные в жидкость. Это используют для ускорения самых различных технологических процессов (например, приготовления растворов, отмывки деталей, дубления кож и т. д.).

При интенсивных ультразвуковых колебаниях в жидкости ее частицы приобретают такие большие ускорения, что в жидкости образуются на короткое время разрывы (пустоты ), которые резко захлопываются, создавая множество маленьких ударов, т. е. происходит кавитация. В таких условиях жидкость оказывает сильное дробящее действие, что используется для приготовления суспензий, состоящих из распыленных частиц твердого тела в жидкости, и эмульсий - взвесей мелких капелек одной жидкости в другой.

Ультразвук применяется для обнаружения дефектов в металлических деталях. В современной технике применение ультразвука столь обширно, что трудно даже перечислить все области его использования.

Заметим, что механические волны с частотой колебаний меньше 16 Гц называют инфразвуковыми волна ми или инфразвуком. Они также не вызывают звуковых ощущений. Инфразвуковые волны возникают на море во время ураганов и землетрясений. Скорость распространения инфразвука в воде гораздо больше, чем скорость перемещения урагана или гигантских волн цунами, образующихся при землетрясении. Это позволяет некоторым морским животным, обладающим способностью воспринимать инфразвуковые волны, получать таким путем сигналы о приближающейся опасности.

Ультразвуком называют упругие волны (волны, распространяющиеся в жидких, твёрдых и газообразных средах за счёт действия упругих сил), частота которых лежит за пределами слышимого для человека диапазона - приблизительно от 20 кГц и выше.

Полезные особенности ультразвуковых волн

И хотя физически ультразвук имеет ту же природу, что и слышимый звук, отличаясь лишь условно (более высокой частотой), именно благодаря более высокой частоте ультразвук оказывается применим по ряду полезных направлений. Так, при измерении скорости ультразвука в твердом, жидком или газообразном веществе, получают очень незначительные погрешности при мониторинге быстропротекающих процессов, при определении удельной теплоемкости (газа), при измерении упругих постоянных твердых тел.

Высокая частота при малых амплитудах дает возможность достигать повышенных плотностей потоков энергии, ибо энергия упругой волны пропорциональна квадрату ее частоты. Кроме того ультразвуковые волны, используемые правильным образом позволяют получить ряд совершенно особенных акустических эффектов и явлений.

Одно из таких необычных явлений - акустическая кавитация, возникающая при направлении мощной ультразвуковой волны в жидкость. В жидкости, в поле действия ультразвука, крохотные пузырьки пара или газа (субмикроскопического размера) начинают расти до долей миллиметров в диаметре, при этом пульсируя с частотой волны и схлопываясь в положительной фазе давления.

Захлопывающийся пузырек порождает локально высокий импульс давления, измеряемый тысячами атмосфер, становясь источником ударных сферических волн. Акустические микропотоки, образующиеся возле таких пульсирующих пузырьков, возымели полезное применение для получения эмульсий, очистки деталей и т. д.

Фокусируя ультразвук, получают звуковые изображения в акустической голографии и в системах звуковидения, концентрируют звуковую энергию с целью формирования направленных излучений с заданными и управляемыми характеристиками направленности.

Используя ультразвуковую волну в качестве дифракционной решетки для света, можно для тех или иных целей изменять показатели преломления света, поскольку плотность в ультразвуковой волне, как и в упругой волне в принципе, периодически изменяется.

Наконец, особенности, связанные со скоростью распространения ультразвука. В неорганических средах ультразвук распространяется со скоростью, зависящей от упругости и плотности сред.

Что касается сред органических, то здесь на скорость влияют границы и их характер, то есть фазовая скорость зависит от частоты (дисперсия). Ультразвук затухает с удалением фронта волны от источника - фронт расходится, ультразвук рассеивается, поглощается.

Внутреннее трение среды (сдвиговая вязкость) приводит к классическому поглощению ультразвука, кроме того релаксационное поглощение для ультразвука превосходит классическое. В газе ультразвук затухает сильнее, в твердых и в жидких телах - гораздо слабее. В воде, например, затухает в 1000 раз медленнее чем в воздухе. Так, промышленные области применения ультразвука почти целиком связаны с твердыми и жидкими телами.

Ультразвук в эхолокации и гидролокации (пищевая, оборонная, добывающая промышленности)

Первый прообраз гидролокатора был создан для предотвращения столкновений судов со льдинами и айсбергами, русским инженером Шиловским вместе с французским физиком Ланжевеном в далеком 1912 году.

Прибор использовал принцип отражения и приема звуковой волны. Сигнал направлялся в определенную точку, а по задержке ответного сигнала (эхо), зная скорость звука, можно было судить о расстоянии до отразившего звук препятствия.

Шиловский и Ланжевен стали глубоко исследовать гидроакустику, и вскоре создали прибор, способный обнаруживать вражеские подводные лодки в Средиземном море на расстоянии до 2 километров. Все современные гидролокаторы, в том числе военные, - потомки того самого прибора.

Современные эхолоты для исследования рельефа дна состоят из четырех блоков: передатчика, приемника, преобразователя и экрана. Функция передатчика - отправлять вглубь воды ультразвуковые импульсы (50 кГц, 192 кГц или 200 кГц), которые распространяются в воде со скоростью 1,5 км/с, где отражаются от рыб, камней, других предметов и дна, затем эхо достигает приемника, обрабатывается преобразователем и результат отображается на дисплее в удобной для зрительного восприятия форме.

Ультразвук в электронной и электроэнергетической промышленности

Без ультразвука не обходятся многие области современной физики. Физика твердого тела и полупроводников, а также акустоэлектроника, во многом тесно сопряжены с ультразвуковыми методами исследований, - с воздействиями на частоте от 20 кГц и выше. Особенное место занимает здесь акустоэлектроника, где ультразвуковые волны взаимодействуют с электрическими полями и электронами внутри твердых тел.

Объемные ультразвуковые волны используются на линиях задержки и в кварцевых резонаторах с целью стабилизации частоты в современных радиоэлектронных системах обработки и передачи информации. Поверхностные акустические волны занимают особое место в полосовых фильтрах для телевидения, в синтезаторах частот, в устройствах переноса заряда акустической волной, в устройствах памяти и считывания изображений. Наконец, корреляторы и конвольверы - используют в своей работе поперечный акустоэлектрический эффект.

Радиоэлектроника и ультразвук

Для задержки одного электрического сигнала относительно другого полезны ультразвуковые линии задержки. Электрический импульс преобразуется в импульсное механическое колебание ультразвуковой частоты, которое распространяется многократно медленнее электромагнитного импульса; затем механическое колебание обратно преобразуется в электрический импульс, и получается сигнал, задержанный относительно подаваемого изначально.

Для такого преобразования обычно применяют пьезоэлектрические или магнитострикционные преобразователи, поэтому и линии задержки называются пьезоэлектрическими или магнитострикционными.

В пьезоэлектрической линии задержки электрический сигнал подается на кварцевую пластинку (пьезоэлектрический преобразователь), соединенную жестко с металлическим стрежнем.

К другому концу стержня присоединен второй пьезоэлектрический преобразователь. Входной преобразователь принимает сигнал, создает механические колебания, распространяющиеся по стрежню, и когда колебания достигают через стержень второго преобразователя, вновь получается электрический сигнал.

Скорость распространения колебаний по стержню сильно меньше чем просто у электрического сигнала, поэтому сигнал, прошедший через стержень задерживается относительно подаваемого на величину, связанную с разностью скоростей электромагнитных и ультразвуковых колебаний.

Магнитострикционная линия задержки сдержит входной преобразователь, магниты, звукопровод, выходной преобразователь и поглотители. Входной сигнал подается на первую катушку, в стержневом звукопроводе из магнитострикционного материала начинаются колебания ультразвуковой частоты - механические колебания - магнит создает здесь постоянное подмагничивание в зоне преобразования и начальную магнитную индукцию.

Ультразвук в обрабатывающей промышленности (резка и сварка)

Между источником ультразвука и деталью располагают абразивный материал (кварцевый песок, алмаз, камень и т. д.). Ультразвук действует на частицы абразива, которые в свою очередь с частотой ультразвука ударяют о деталь. Материал детали под воздействием огромного количества крохотных ударов абразивных зерен разрушается, - так происходит обработка.

Резание складывается с движением подачи, при этом продольные колебания резания являются основными. Точность ультразвуковой обработки зависит от зернистости абразива, и достигает 1 мкм. Таким путем делают сложные вырезы, необходимые в изготовлении металлических деталей, шлифовке, гравировке и сверлении.

Если необходимо сварить разнородные металлы (или даже полимеры) или толстую деталь объединить с тонкой пластиной - на помощь опять же приходит ультразвук. Это так называемая . Под действием ультразвука в области сварки металл становится очень пластичным, детали можно очень легко вращать во время соединения под любыми углами. И стоит отключить ультразвук - детали мгновенно соединятся, схватятся.

Особенно примечательно, что сварка происходит при температуре ниже температуры плавления деталей, и соединение их происходит фактически в твердом состоянии. Но так сваривают и стали, и титан, и даже молибден. Тонкие листы свариваются проще всего. Данный метод сварки не предполагает особой подготовки поверхности деталей, это касается и металлов и полимеров.

Ультразвук в металлургии (ультразвуковая дефектоскопия)

Ультразвуковая дефектоскопия является одним из эффективнейших методов контроля качества металлических деталей без разрушения. В однородных средах ультразвук распространяется без быстрых затуханий направленно, и на границе сред ему свойственно отражение. Так металлические детали проверяют на наличие внутри них раковин и трещин (граница сред воздух-металл), выявляют повышенную усталость металла.

Ультразвук способен проникнуть в деталь на глубину до 10 метров, причем размеры выявляемых дефектов имеют порядок 5 мм. Существуют: теневой, импульсный, резонансный, структурного анализа, визуализации, - пять методов ультразвуковой дефектоскопии.

Простейший метод - теневая ультразвуковая дефектоскопия, данный метод строится на ослаблении ультразвуковой волны, когда она наталкивается на дефект при прохождении сквозь деталь, поскольку дефект создает ультразвуковую тень. Работают два преобразователя: первый излучает волну, второй - принимает.

Данный метод малочувствителен, дефект обнаруживается лишь в случае, если его влияние изменяет сигнал минимум на 15%, к тому же нельзя определить глубину, где в детали находится дефект. Более точные результаты дает импульсный ультразвуковой метод, он показывает еще и глубину.

Механические волны с частотой колебания, большей 20 000 Гц, не воспринимаются человеком как звук. Из называют ультразвуковыми волнами или ультразвуком. Ультразвук сильно поглощается газами и во много раз слабее - твердыми веществами и жидкостями. Поэтому ультразвуковые волны могут распространяться на значительные расстояния только в твердых телах и жидкостях.

Описанные свойства ультразвука используются в эхолоте - приборе для определения глубины моря (рис. 25.11). Корабль снабжают источником и приемником ультразвука определенной частоты. Источник отправляет кратковременные ультразвуковые импульсы, а приемник улавливает отраженные импульсы. Зная время между отправлением и приемом импульсов и скорость распространения ультразвука в воде, с помощью формулы (25.3) определяют глубину моря. Аналогично действует ультразвуковой локатор, которым пользуются для определения расстояния до препятствия на

пути корабля в горизонтальном направлении. При отсутствии таких препятствий ультразвуковые импульсы не возвращаются к кораблю.

Интересно, что некоторые животные, например летучие мыши, имеют органы, действующие по принципу ультразвукового локатора, что позволяет им хорошо ориентироваться в темноте. Совершенный ультразвуковой локатор имеют дельфины. -

При прохождении ультразвука через жидкость частицы жидкости приобретают большие ускорения и сильно воздействуют на различные тела, помещенные в жидкость. Это используют для ускорения самых различных технологических процессов (например, приготовления растворов, отмывки деталей, дубления кож и т. д.).

При интенсивных ультразвуковых колебаниях в жидкости ее частицы приобретают такие большие ускорения, что в жидкости образуются на короткое время разрывы (пустоты), которые резко захлопываются, создавая множество маленьких ударов, т. е. происходит кавитация. В таких условиях жидкость оказывает сильное дробящее действие, что используется для приготовления суспензий, состоящих из распыленных частиц твердого тела в жидкости, и эмульсий - взвесей мелких капелек одной жидкости в другой.

Заметим, что механические волны с частотой колебаний меньше 16 Гц называют инфразвуковыми волнами или инфразвуком. Они также не вызывают звуковых ощущений, Инфразвуковые волны возникают на море во время ураганов и землетрясений. Скорость распространения инфразвука в воде гораздо больше, чем скорость перемещения урагана или гигантских волн цунами, образующихся при землетрясении, Это позволяет некоторым морским животным, обладающим способностью воспринимать инфразвуковые волны, получать таким путем сигналы о приближающейся опасности.