Čo je ultrazvuk a ako sa používa v priemysle?
Ultrazvuk sa nazýva elastické vlny (vlny šíriace sa v kvapalnom, pevnom a plynnom prostredí v dôsledku pôsobenia elastických síl), ktorých frekvencia leží mimo rozsahu počuteľného človekom — od cca 20 kHz a viac.
Spočiatku sa ultrazvukové a počuteľné zvuky rozlišovali len na základe vnímania alebo nevnímania ľudským uchom. Prah sluchu u rôznych ľudí sa pohybuje od 7 do 25 kHz a zistilo sa, že človek vníma ultrazvuk s frekvenciou 30 - 40 kHz mechanizmom kostného vedenia. Preto sa bežne akceptuje spodná hranica ultrazvukovej frekvencie.
Horná hranica ultrazvukovej frekvencie siaha do frekvencií 1013 — 1014 Hz, t.j. až po frekvencie, kde sa vlnová dĺžka stáva porovnateľnou s medzimolekulovými vzdialenosťami v pevných látkach a kvapalinách. V plynoch sa táto hranica nachádza nižšie a je určená voľnou dráhou molekuly.
Užitočné funkcie ultrazvukových vĺn
A hoci fyzikálne má ultrazvuk rovnakú povahu ako počuteľný zvuk, líši sa len podmienene (vyššia frekvencia), práve kvôli vyššej frekvencii je ultrazvuk použiteľný v mnohých užitočných smeroch.
Takže pri meraní rýchlosti ultrazvuku v pevnej, kvapalnej alebo plynnej látke sa získajú veľmi malé chyby pri pozorovaní rýchlych procesov, pri určovaní špecifického tepla (plynu), pri meraní elastických konštánt pevných látok.
Vysoká frekvencia pri nízkych amplitúdach umožňuje dosiahnuť zvýšené hustoty energetických tokov, pretože energia elastickej vlny je úmerná druhej mocnine jej frekvencie. Okrem toho, ultrazvukové vlny, používané správnym spôsobom, môžu produkovať množstvo veľmi špeciálnych akustických efektov a javov.
Jedným z týchto nezvyčajných javov je akustická kavitácia, ku ktorej dochádza, keď je silná ultrazvuková vlna nasmerovaná do kvapaliny. V kvapaline, v oblasti pôsobenia ultrazvuku, malé bublinky pary alebo plynu (submikroskopická veľkosť) začínajú rásť na zlomky milimetra v priemere, pulzujú s frekvenciou vlny a kolabujú vo fáze pretlaku.
Zrútená bublina lokálne generuje vysokotlakový impulz meraný v tisíckach atmosfér a stáva sa zdrojom sférických rázových vĺn. Akustické mikroprúdy generované v blízkosti takýchto pulzujúcich bublín boli užitočné na prípravu emulzií, čistenie dielov atď.
Zaostrovaním ultrazvuku sa získavajú zvukové obrazy v akustickej holografii a systémoch zvukového videnia a zvuková energia sa koncentruje do smerového lúča s definovanými a riadenými smerovými charakteristikami.
Použitím ultrazvukovej vlny ako difrakčnej mriežky pre svetlo je možné meniť indexy lomu svetla na rôzne účely, pretože hustota v ultrazvukovej vlne, rovnako ako v elastickej vlne, sa vo všeobecnosti pravidelne mení.
Nakoniec charakteristika súvisiaca s rýchlosťou šírenia ultrazvuku. V anorganických médiách sa ultrazvuk šíri rýchlosťou, ktorá závisí od elasticity a hustoty prostredia.
Čo sa týka organických médií, tu rýchlosť ovplyvňujú hranice a ich charakter, to znamená, že fázová rýchlosť závisí od frekvencie (rozptyl) Ultrazvuk sa rozpadá so vzdialenosťou čela vlny od zdroja — čelo sa rozbieha, ultrazvuk je rozptýlený, absorbovaný.
Vnútorné trenie média (šmyková viskozita) vedie ku klasickej absorpcii ultrazvuku, navyše relaxačná absorpcia pre ultrazvuk je lepšia ako klasická. V plyne je ultrazvuk oslabený silnejšie, v pevných látkach a kvapalinách je oveľa slabší. Napríklad vo vode sa rozkladá 1000-krát pomalšie ako vo vzduchu. Priemyselné aplikácie ultrazvuku teda takmer úplne súvisia s pevnými látkami a kvapalinami.
Použitie ultrazvuku
Použitie ultrazvuku sa vyvíja v nasledujúcich smeroch:
- ultrazvuková technológia, ktorá umožňuje vyvolať nezvratné účinky na danú látku a na priebeh fyzikálno-chemických procesov pomocou ultrazvuku s intenzitou jednotiek W/cm2 až stoviek tisíc W/cm2;
- ultrazvukové riadenie založené na závislosti absorpcie a rýchlosti ultrazvuku od stavu média, ktorým sa šíri;
- ultrazvukové lokalizačné metódy, signálne oneskorovacie linky, medicínska diagnostika a pod., založené na schopnosti ultrazvukových vibrácií vyšších frekvencií šíriť sa v priamočiarych lúčoch (lúčoch), sa riadia zákonmi geometrickej akustiky a zároveň sa šíria relatívne nízkou rýchlosťou.
Ultrazvuk zohráva osobitnú úlohu pri štúdiu štruktúry a vlastností látky, pretože s ich pomocou je relatívne ľahké určiť najrozmanitejšie charakteristiky materiálového prostredia, ako sú elastické a viskoelastické konštanty, termodynamické charakteristiky, formy Fermiho povrchov, dislokácie, nedokonalosti kryštálovej mriežky atď. Príslušný odbor ultrazvuku sa nazýva molekulárna akustika.
Ultrazvuk v echolokácii a sonar (potrava, obrana, ťažba)
Prvý prototyp sonaru vytvoril ruský inžinier Shilovsky spolu s francúzskym fyzikom Langevinom v roku 1912, aby zabránil zrážkam lode s ľadovými blokmi a ľadovcami.
Zariadenie využíva princíp odrazu a príjmu zvukových vĺn. Signál bol nasmerovaný na určitý bod a oneskorením signálu odozvy (echo) so znalosťou rýchlosti zvuku bolo možné odhadnúť vzdialenosť k prekážke, ktorá zvuk odrážala.
Shilovsky a Langevin začali s hĺbkovým štúdiom hydroakustiky a čoskoro vytvorili zariadenie schopné odhaliť nepriateľské ponorky v Stredozemnom mori na vzdialenosť až 2 kilometrov. Všetky moderné sonary, vrátane vojenských, sú potomkami tohto zariadenia.
Moderné echoloty na štúdium spodného reliéfu pozostávajú zo štyroch blokov: vysielača, prijímača, prevodníka a obrazovky.Funkciou vysielača je vysielanie ultrazvukových impulzov (50 kHz, 192 kHz alebo 200 kHz) hlboko do vody, ktoré sa šíria vodou rýchlosťou 1,5 km/s, kde sa odrážajú od rýb, kameňov, iných predmetov. a nižšie, keď táto ozvena dorazí k prijímaču, spracuje sa prevodník a výsledok sa zobrazí na displeji vo forme vhodnej pre vizuálne vnímanie.
Ultrazvuk v elektronickom a elektrotechnickom priemysle
Mnohé oblasti modernej fyziky sa nezaobídu bez ultrazvuku. Fyzika pevných látok a polovodičov, ako aj akustoelektronika v mnohých ohľadoch úzko súvisia s metódami ultrazvukového výskumu — s účinkami pri frekvencii 20 kHz a vyššej. Zvláštne miesto tu zaujíma akustoelektronika, kde ultrazvukové vlny interagujú s elektrickými poľami a elektrónmi vo vnútri pevných telies.
Objemové ultrazvukové vlny sa používajú v oneskorovacích linkách a v kremenných rezonátoroch na stabilizáciu frekvencie v moderných elektronických systémoch na spracovanie a prenos informácií.Povrchové akustické vlny zaujímajú osobitné miesto v pásmových filtroch pre televíziu, vo frekvenčných syntetizátoroch, v zariadeniach na prenos akustických vĺn, v zariadeniach na prenos akustických vĺn. v pamäti a zariadeniach na čítanie obrázkov. Napokon, korelátory a konvolvery využívajú pri svojej činnosti priečny akustickoelektrický efekt.
Rádioelektronika a ultrazvuk
Ultrazvukové oneskorovacie linky sú užitočné na oneskorenie jedného elektrického signálu voči druhému.Elektrický impulz sa premení na impulzné mechanické vibrácie s ultrazvukovou frekvenciou, ktoré sa šíria mnohonásobne pomalšie ako elektromagnetické impulzy; mechanické vibrácie sa potom premenia späť na elektrický impulz a vytvorí sa signál, ktorý je oneskorený vzhľadom na pôvodný vstup.
Na takúto konverziu sa zvyčajne používajú piezoelektrické alebo magnetostrikčné meniče, preto sa oneskorovacie vedenia nazývajú aj piezoelektrické alebo magnetostrikčné.
V piezoelektrickom oneskorovacom vedení sa elektrický signál privádza na kremennú dosku (piezoelektrický menič) pevne spojenú s kovovou tyčou.
K druhému koncu tyče je pripojený druhý piezoelektrický menič. Vstupný prevodník prijme signál, generuje mechanické vibrácie, ktoré sa šíria pozdĺž tyče, a keď vibrácie dosiahnu cez tyč druhý prevodník, opäť sa vytvorí elektrický signál.
Rýchlosť šírenia vibrácií pozdĺž tyče je oveľa menšia ako rýchlosť elektrického signálu, preto je signál prechádzajúci tyčou oneskorený vzhľadom na vstup o hodnotu súvisiacu s rozdielom v rýchlostiach elektromagnetických a ultrazvukových vibrácií.
Magnetostrikčná oneskorovacia linka bude obsahovať vstupný prevodník, magnety, zvukový vodič, výstupný prevodník a absorbéry. Vstupný signál je privedený na prvú cievku, v akustickom vodiči tyče z magnetostrikčného materiálu začínajú ultrazvukové frekvenčné kmity - mechanické kmity - magnet tu vytvára permanentnú magnetizáciu v transformačnej zóne a počiatočnú magnetickú indukciu.
V tyči sa vibrácie šíria rýchlosťou 5000 m / s, napríklad pri dĺžke tyče 40 cm bude oneskorenie 80 μs. Tlmiče na oboch koncoch tyče zabraňujú nežiaducim odrazom signálu. Magnetostrikčné poruchy spôsobia zmenu indukcie v druhom vinutí (výstupný prevodník) EMF.
Ultrazvuk vo výrobnom priemysle (rezanie a zváranie)
Medzi zdroj ultrazvuku a obrobok je umiestnený abrazívny materiál (kremenný piesok, diamant, kameň atď.). Ultrazvuk pôsobí na brúsne častice, ktoré následne dopadajú na diel s frekvenciou ultrazvuku. Materiál obrobku pod vplyvom veľkého počtu malých úderov brúsnych zŕn je zničený - takto sa vykonáva spracovanie.
Rezanie sa pridáva s posuvným pohybom, pričom hlavné sú pozdĺžne oscilácie rezu. Presnosť spracovania ultrazvukom závisí od veľkosti zŕn brusiva a dosahuje 1 mikrón. Týmto spôsobom sa vyrábajú zložité rezy, ktoré sú potrebné pri výrobe kovových dielov, brúsení, gravírovaní a vŕtaní.
Ak je potrebné zvárať rozdielne kovy (alebo dokonca polyméry) alebo kombinovať hrubú časť s tenkou doskou, ultrazvuk opäť prichádza na pomoc. Ide o tzv zváranie ultrazvukom za studena… Vplyvom ultrazvuku v zóne zvárania sa kov stáva veľmi plastickým, diely sa môžu veľmi ľahko otáčať pri spájaní v akomkoľvek uhle. A stojí za to vypnúť ultrazvuk - diely sa okamžite spoja, zachytia.
Pozoruhodné je najmä to, že zváranie prebieha pri teplote pod teplotou topenia dielov a ich spojenie vlastne prebieha v pevnom stave.Ale takto sa zvárajú ocele, titán a dokonca aj molybdén. Najľahšie sa zvárajú tenké plechy. Tento spôsob zvárania neznamená špeciálnu prípravu povrchu dielov, to platí aj pre kovy a polyméry.
Ultrazvukové testovanie sa používa na zistenie defektov plochého typu v kove počas zvárania (trhliny, nedostatok prieniku, nedostatok priľnavosti). Táto metóda je veľmi účinná pre jemnozrnné ocele.
Ultrazvuk v metalurgii (ultrazvuková detekcia defektov)
Ultrazvuková detekcia defektov — detekcia defektov na základe zmeny podmienok šírenia elastických, hlavne ultrazvukových vibrácií.
Ultrazvuková detekcia chýb je jednou z najúčinnejších metód nedeštruktívnej kontroly kvality kovových dielov.
V homogénnom prostredí sa ultrazvuk šíri smerom bez rýchleho útlmu a na hranici prostredia je preň charakteristický odraz. Kovové časti sa teda kontrolujú na dutiny a praskliny vo vnútri (rozhranie vzduch-kov) a zistí sa zvýšená únava kovu.
Ultrazvuk dokáže preniknúť do časti v hĺbke 10 metrov a veľkosť zistených defektov je rádovo 5 mm. Existujú: tieň, pulz, rezonancia, štrukturálna analýza, vizualizácia, — päť metód ultrazvukovej detekcie defektov.
Najjednoduchšou metódou je ultrazvuková detekcia tieňovej chyby, táto metóda je založená na zoslabení ultrazvukovej vlny pri jej stretnutí s defektom pri prechode súčiastkou, keďže defekt vytvára ultrazvukový tieň.Pracujú dva prevodníky: prvý vlnu vysiela, druhý ju prijíma.
Táto metóda je necitlivá, defekt sa zistí len vtedy, ak jeho vplyv zmení signál aspoň o 15%, navyše nie je možné určiť hĺbku, kde sa defekt v diele nachádza. Presnejšie výsledky získava pulzná ultrazvuková metóda, ukazuje aj hĺbku.
Na vysielanie a prijímanie sa používajú elastické vibrácie piezoelektrické meniče, a v rozsahu zvuku a nízkych ultrazvukových frekvencií — magnetostrikčné prevodníky.
Nasledujúce metódy sa používajú na prenos elastických vibrácií z prevodníka na riadený výrobok a naopak:
- bezkontaktné;
- suchý kontakt (hlavne pre nízke frekvencie);
- kontakt s lubrikantom (pred testom sa na čistý povrch výrobku nanesie vrstva oleja alebo vody s hrúbkou oveľa menšou ako elastická vlnová dĺžka);
- prúdový kontakt (cez prúd kvapaliny prúdiacej v malej medzere medzi piezoelektrickým prvkom a povrchom výrobku);
- ponorenie (kontrolovaný výrobok sa ponorí do kúpeľa a kontakt sa uskutoční cez vrstvu kvapaliny, ktorej hrúbka musí byť aspoň 1/4 hrúbky výrobku).
Výhodou imerzných, atramentových a bezkontaktných metód je neopotrebenie vyhľadávacích hláv a možnosť využitia vyšších rýchlostí skenovania, ako aj možnosť automatizácie riadenia.
Pozri tiež:
Zariadenia na čistenie dielov ultrazvukom
Ultrazvukové snímače pre automatizačné systémy
Senzory a meracie prístroje na zisťovanie zloženia a vlastností látok