Kaj je ultrazvok in kako se uporablja v industriji?

Ultrazvok imenujemo elastični valovi (valovi, ki se širijo v tekočih, trdnih in plinastih medijih zaradi delovanja elastičnih sil), katerih frekvenca je zunaj območja, ki ga človek sliši - od približno 20 kHz in več.

Sprva so ultrazvočne in zvočne zvoke razlikovali le na podlagi zaznave ali nezaznave s človeškim ušesom. Prag sluha pri različnih ljudeh se giblje od 7 do 25 kHz, ugotovljeno pa je, da človek ultrazvok s frekvenco 30 - 40 kHz zaznava preko mehanizma kostne prevodnosti. Zato je spodnja meja ultrazvočne frekvence običajno sprejeta.

Zgornja meja ultrazvočne frekvence sega do frekvenc 1013 — 1014 Hz, tj. do frekvenc, kjer valovna dolžina postane primerljiva z medmolekulskimi razdaljami v trdnih snoveh in tekočinah. Pri plinih se ta meja nahaja spodaj in je določena s prosto potjo molekule.

Uporabne funkcije ultrazvočnih valov

In čeprav ima ultrazvok fizično enako naravo kot slišni zvok, le pogojno se razlikuje (višja frekvenca), je prav zaradi višje frekvence ultrazvok uporaben v več uporabnih smereh.

Torej pri merjenju hitrosti ultrazvoka v trdni, tekoči ali plinasti snovi dobimo zelo majhne napake pri opazovanju hitrih procesov, pri določanju specifične toplote (plina), pri merjenju elastičnih konstant trdnih snovi.

Visoka frekvenca pri nizkih amplitudah omogoča doseganje povečanih gostot energijskih tokov, saj je energija elastičnega vala sorazmerna s kvadratom njegove frekvence. Poleg tega lahko ultrazvočni valovi ob pravilni uporabi povzročijo vrsto zelo posebnih akustičnih učinkov in pojavov.

Eden od teh nenavadnih pojavov je akustična kavitacija, ki nastane, ko se v tekočino usmeri močan ultrazvočni val. V tekočini začnejo v območju ultrazvočnega delovanja majhni mehurčki pare ali plina (submikroskopske velikosti) rasti do delcev milimetra v premeru, utripajo s frekvenco valovanja in se sesedejo v fazi pozitivnega tlaka.

Mehurček, ki se zruši, lokalno ustvari visokotlačni impulz, merjen v tisočih atmosferah, ki postane vir sferičnih udarnih valov. Akustični mikrotokovi, ki nastanejo v bližini takih utripajočih mehurčkov, so bili uporabni za pripravo emulzij, čiščenje delov itd.

S fokusiranjem ultrazvoka se v sistemih akustične holografije in zvočnega vida pridobijo zvočne slike, zvočna energija pa se koncentrira, da tvori usmerjen žarek z definiranimi in nadzorovanimi karakteristikami usmerjenosti.

Z uporabo ultrazvočnega valovanja kot uklonske rešetke za svetlobo je mogoče spreminjati lomne količnike svetlobe za različne namene, saj se gostota v ultrazvočnem valu, tako kot v elastičnem valu, praviloma periodično spreminja.

Na koncu še značilnosti, povezane s hitrostjo širjenja ultrazvoka. V anorganskih medijih se ultrazvok širi s hitrostjo, ki je odvisna od elastičnosti in gostote medija.

Kar zadeva organske medije, tukaj na hitrost vplivajo meje in njihova narava, to je, da je fazna hitrost odvisna od frekvence (disperzije).Ultrazvok upada z oddaljenostjo valovne fronte od vira - fronta se razhaja, ultrazvok je razpršen, absorbiran.

Notranje trenje medija (strižna viskoznost) povzroči klasično absorpcijo ultrazvoka, poleg tega je relaksacijska absorpcija za ultrazvok boljša od klasične. V plinu je ultrazvok močneje oslabljen, v trdnih snoveh in v tekočinah pa veliko šibkejši. V vodi se na primer razgradi 1000-krat počasneje kot v zraku. Tako so industrijske aplikacije ultrazvoka skoraj v celoti povezane s trdnimi snovmi in tekočinami.

Uporaba ultrazvoka

Uporaba ultrazvoka se razvija v naslednjih smereh:

• ultrazvočna tehnologija, ki omogoča ustvarjanje nepopravljivih učinkov na določeno snov in na potek fizikalno-kemijskih procesov s pomočjo ultrazvoka z intenzivnostjo enot W / cm2 do več sto tisoč W / cm2;
• ultrazvočni nadzor, ki temelji na odvisnosti absorpcije in hitrosti ultrazvoka od stanja medija, skozi katerega se širi;
• ultrazvočne lokacijske metode, zakasnilne črte signala, medicinska diagnostika itd., ki temeljijo na sposobnosti ultrazvočnih nihanj višjih frekvenc, da se širijo v premočrtnih žarkih (žarkih), sledijo zakonom geometrijske akustike in se hkrati širijo z relativno nizko hitrostjo.

Ultrazvok ima posebno vlogo pri proučevanju zgradbe in lastnosti snovi, saj je z njihovo pomočjo razmeroma enostavno določiti najrazličnejše značilnosti materialnih okolij, kot so elastične in viskoelastične konstante, termodinamične značilnosti, oblike Fermijevih površin, itd. dislokacije, nepopolnosti kristalne mreže itd. Ustrezna veja preučevanja ultrazvoka se imenuje molekularna akustika.

Ultrazvok pri eholokaciji in sonarju (prehrana, obramba, rudarstvo)

Prvi prototip sonarja je leta 1912 ustvaril ruski inženir Šilovski skupaj s francoskim fizikom Langevinom, da bi preprečil trke ladij v ledene bloke in ledene gore.

Naprava uporablja princip odboja in sprejema zvočnega vala. Signal je bil usmerjen v določeno točko in z zakasnitvijo odzivnega signala (odmeva) je bilo ob poznavanju hitrosti zvoka mogoče oceniti razdaljo do ovire, ki je zvok odbijala.

Shilovsky in Langevin sta začela poglobljeno preučevati hidroakustiko in kmalu ustvarila napravo, ki je bila sposobna zaznati sovražne podmornice v Sredozemlju na razdalji do 2 kilometrov. Vsi sodobni sonarji, tudi vojaški, so potomci te naprave.

Sodobni zvočniki za preučevanje reliefa dna so sestavljeni iz štirih blokov: oddajnika, sprejemnika, pretvornika in zaslona.Funkcija oddajnika je pošiljanje ultrazvočnih impulzov (50 kHz, 192 kHz ali 200 kHz) globoko v vodo, ki se širijo skozi vodo s hitrostjo 1,5 km/s, kjer se odbijajo od rib, kamnov, drugih predmetov. in spodaj, ko ta odmev doseže sprejemnik, se obdela pretvornik in rezultat se prikaže na zaslonu v obliki, primerni za vizualno zaznavo.

Ultrazvok v elektronski in elektro industriji

Mnoga področja sodobne fizike ne morejo brez ultrazvoka. Fizika trdnih snovi in ​​polprevodnikov ter akustoelektronika je v mnogih pogledih tesno povezana z ultrazvočnimi raziskovalnimi metodami - z učinki pri frekvenci 20 kHz in več. Posebno mesto pri tem zavzema akustoelektronika, kjer ultrazvočni valovi interagirajo z električnimi polji in elektroni znotraj trdnih teles.

Volumetrični ultrazvočni valovi se uporabljajo v zakasnitvenih linijah in v kvarčnih resonatorjih za stabilizacijo frekvence v sodobnih elektronskih sistemih za obdelavo in prenos informacij.Površinsko akustično valovanje zavzema posebno mesto v pasovnih filtrih za televizijo, v frekvenčnih sintetizatorjih, v napravah za prenos akustičnih valov, v pomnilniku in napravah za branje slik. Končno korelatorji in konvolverji pri svojem delovanju uporabljajo transverzalni akustoelektrični učinek.

Radioelektronika in ultrazvok

Ultrazvočne zakasnilne črte so uporabne za zakasnitev enega električnega signala glede na drugega.Električni impulz se pretvori v impulzno mehansko nihanje z ultrazvočno frekvenco, ki se širi večkrat počasneje kot elektromagnetni impulz; mehanske vibracije se nato pretvorijo nazaj v električni impulz in nastane signal, ki je zakasnjen glede na prvotni vhod.

Za takšno pretvorbo se običajno uporabljajo piezoelektrični ali magnetostrikcijski pretvorniki, zato zakasnilne črte imenujemo tudi piezoelektrične ali magnetostrikcijske.

V piezoelektrični zakasnilni liniji se električni signal nanese na kvarčno ploščo (piezoelektrični pretvornik), ki je togo povezana s kovinsko palico.

Drugi piezoelektrični pretvornik je povezan z drugim koncem palice. Vhodni pretvornik sprejme signal, ustvari mehanske vibracije, ki se širijo vzdolž palice, in ko vibracije dosežejo drugi pretvornik skozi palico, se ponovno proizvede električni signal.

Hitrost širjenja vibracij vzdolž palice je veliko manjša od hitrosti električnega signala, zato je signal, ki gre skozi palico, zakasnjen glede na vhod za količino, ki je povezana z razliko v hitrosti elektromagnetnih in ultrazvočnih vibracij.

Magnetostrikcijska zakasnilna linija bo vsebovala vhodni pretvornik, magnete, zvočno žico, izhodni pretvornik in absorberje. Vhodni signal se prenese na prvo tuljavo, ultrazvočna frekvenčna nihanja - mehanska nihanja - se začnejo v akustičnem prevodniku palice iz magnetostriktivnega materiala - magnet ustvarja tu trajno magnetizacijo v transformacijskem območju in začetno magnetno indukcijo.

V palici se vibracije širijo s hitrostjo 5000 m / s, na primer za palico dolžine 40 cm bo zakasnitev 80 μs. Atenuatorji na obeh koncih palice preprečujejo neželene odboje signala. Magnetostrikcijske motnje bodo povzročile spremembo indukcije v drugem navitju (izhodni pretvornik) EMF.

Ultrazvok v predelovalni industriji (rezanje in varjenje)

Med vir ultrazvoka in obdelovanec je nameščen abrazivni material (kremenčev pesek, diamant, kamen itd.). Ultrazvok deluje na abrazivne delce, ti pa zadenejo del s frekvenco ultrazvoka. Material obdelovanca pod vplivom velikega števila majhnih udarcev abrazivnih zrn se uniči - tako se izvaja obdelava.

Rezanje je dodano s podajalnimi gibi, glavna pa so vzdolžna rezalna nihanja. Natančnost ultrazvočne obdelave je odvisna od velikosti zrn abraziva in doseže 1 mikron. Na ta način se izdelujejo kompleksni rezi, ki so potrebni pri izdelavi kovinskih delov, brušenju, graviranju in vrtanju.

Če je treba variti različne kovine (ali celo polimere) ali združiti debel del s tanko ploščo, ultrazvok spet priskoči na pomoč. To je t.i hladno ultrazvočno varjenje… Pod vplivom ultrazvoka v območju varjenja kovina postane zelo plastična, deli se med spajanjem lahko zelo enostavno vrtijo pod katerim koli kotom. In vredno je izklopiti ultrazvok - deli se bodo takoj povezali, ujeli.

Posebej zanimivo je, da varjenje poteka pri temperaturi pod tališčem delov, njihova povezava pa dejansko poteka v trdnem stanju, vendar se na ta način varijo jekla, titan in celo molibden. Tanke pločevine je najlažje variti. Ta način varjenja ne pomeni posebne priprave površine delov, to velja tudi za kovine in polimere.

Ultrazvočno testiranje se uporablja za odkrivanje ravnih napak v kovini med varjenjem (razpoke, pomanjkanje penetracije, pomanjkanje adhezije). Ta metoda je zelo učinkovita za drobnozrnata jekla.

Ultrazvok v metalurgiji (ultrazvočna odkrivanje napak)

Ultrazvočno odkrivanje napak - odkrivanje napak na podlagi spreminjanja pogojev širjenja elastičnih, predvsem ultrazvočnih vibracij.

Ultrazvočna detekcija napak je ena najučinkovitejših metod neporušitvene kontrole kakovosti kovinskih delov.

V homogenem mediju se ultrazvok širi v smeri brez hitrega slabljenja, na meji medija pa je zanj značilen odboj. Tako se na kovinskih delih preverijo praznine in razpoke v njih (vmesna ploskev zrak-kovina) in zazna se povečana utrujenost kovine.

Ultrazvok lahko prodre v del na globini 10 metrov, velikost zaznanih napak pa je reda velikosti 5 mm. Obstajajo: senca, impulz, resonanca, strukturna analiza, vizualizacija, — pet metod ultrazvočnega odkrivanja napak.

Najenostavnejša metoda je ultrazvočno odkrivanje senčnih napak, ta metoda temelji na slabljenju ultrazvočnega valovanja, ko naleti na napako pri prehodu skozi del, saj napaka ustvari ultrazvočno senco.Delujeta dva pretvornika: prvi oddaja val, drugi ga sprejema.

Ta metoda je neobčutljiva, napako zaznamo le, če njen vpliv spremeni signal za vsaj 15%, poleg tega je nemogoče določiti globino, kjer se nahaja napaka v delu. Natančnejše rezultate dobimo s pulzno ultrazvočno metodo, pokaže tudi globino.

Za oddajanje in sprejemanje elastičnih vibracij se uporabljajo piezoelektrični pretvorniki, ter v območju zvoka in nizkih ultrazvočnih frekvenc — magnetostrikcijski pretvorniki.

Za prenos elastičnih vibracij s pretvornika na kontrolirani izdelek in obratno se uporabljajo naslednje metode:

• brezkontaktno;
• suhi stik (predvsem za nizke frekvence);
• stik z mazivom (pred preskusom se na čisto obdelano površino izdelka nanese plast olja ali vode z debelino, ki je veliko manjša od elastične valovne dolžine);
• kontakt s curkom (skozi tok tekočine, ki teče v majhni reži med piezoelektričnim elementom in površino izdelka);
• potopitev (kontrolirani izdelek se potopi v kopel in stik poteka skozi plast tekočine, katere debelina mora biti vsaj 1/4 debeline izdelka).

Prednost potopne, brizgalne in brezkontaktne metode je odsotnost obrabe iskalnih glav in možnost uporabe višjih hitrosti skeniranja ter možnost avtomatizacije upravljanja.

Poglej tudi:

Ultrazvočno rezanje kovin

Naprave za ultrazvočno čiščenje delov

Ultrazvočni senzorji za sisteme avtomatizacije

Senzorji in merilne naprave za določanje sestave in lastnosti snovi