Реферат: Ультразвук и его применение

Содержание

Введение……………………………………………………………………3Ультразвук………………………………………………………………….4

         Ультразвук какупругие волны……………………………………..4

Специфические особенностиультразвука………………………………..5

Источники и приемникиультразвука……………………………………..7

         Механические излучатели…………………………………………...7

         Электроакустическиепреобразователи…………………………….9

         Приемникиультразвука……………………………………………..11

Применениеультразвука…………………………………………………...11

         Ультразвуковаяочистка……………………………………………...11

         Механическаяобработка сверхтвердых и хрупких

         материалов……………………………………………………………13

         Ультразвуковаясварка……………………………………………….14

         Ультразвуковая пайкаи лужение……………………………………14

         Ускорениепроизводственных процессов………………..…………15

         Ультразвуковаядефектоскопия…………………………..…………15

         Ультразвук врадиоэлектронике………………………..……………17

         Ультразвук вмедицине………………………………..……………..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 великимрусским ученым-физиком П. Н. Лебедевым в конце XIX, а затемультразвуком занимались многие видные ученые.

Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющеесяколебательное движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности посравнению со звуками слышимого диапазона. В  ультразвуковом диапазонесравнительно легко получить направленное излучение; он хорошо поддаетсяфокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковыхколебаний. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвукпорождает интересные явления, многие из которых нашли практическое применение вразличных областях науки и техники.

В последние годы ультразвук начинает играть всебольшую роль в научных исследованиях. Успешно проведены теоретические иэкспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации иакустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы,протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее времяформируется новое направление химии – ультразвуковая химия, позволяющаяускорить многие химико-технологические процессы. Научные исследованияспособствовали зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики,изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новыеобласти применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика,ультразвуковая фазомерия, акустоэлектроника.

Наряду с теоретическими и экспериментальнымиисследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ.Разработаны универсальные и специальные ультразвуковые станки, установки,работающие под повышенным статическим давлением, ультразвуковыемеханизированные установки для очистки деталей, генераторы с повышеннойчастотой и новой системой охлаждения, преобразователи с равномернораспределенным полем. Созданы и внедрены в производство автоматическиеультразвуковые установки, которые включаются в поточные линии, позволяющиезначительно повысить производительность труда.   

/>льтразвук.

Ультразвук (УЗ) – упругие колебания и волны, частотакоторых превышает 15 – 20 кГц. Нижняя граница области УЗ-вых частот, отделяющаяее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствамичеловеческого слуха и является условной, так как верхняя граница слуховоговосприятия у каждого человека своя. Верхняя граница УЗ-вых частот обусловленафизической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь вматериальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длинысвободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях итвердых телах. В газах при нормальном давлении верхняя граница частот УЗсоставляет » 109 Гц, в жидкостях и твердых телахграничная частота достигает 1012-1013 Гц. В зависимостиот длины волны и частоты УЗ обладает различными  специфическими особенностямиизлучения, приема, распространения и применения, поэтому область УЗ-вых частотподразделяют на три области:

·    низкие УЗ-вые частоты (1,5×104 – 105 Гц);

·    средние (105 – 107Гц);

·    высокие (107 – 109Гц).

Упругие волны с частотами 109 – 1013Гц принято называть гиперзвуком.

Ультразвук как упругие волны.

УЗ-вые волны (неслышимый звук) по своей природе неотличаются от упругих волн слышимого диапазона. В газах и жидкостяхраспространяются только продольные волны, а в твердых телах – продольныеи сдвиговые.

Распространение ультразвука подчиняется основнымзаконам, общими для акустических волн любого диапазона частот. К основным законамраспространения относятся законы отражения звука и преломления звука награницах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличиипрепятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законыволноводного распространения в ограниченных участках среды. Существеннуюроль при этом играет соотношение между длиной волны звука l и геометрическим размером D – размером источника звука илипрепятствия на пути волны, размером неоднородностей среды. При D>>l распространение звука  вблизипрепятствий происходит в основном по законам геометрической акустики (можнопользоваться законами отражения и преломления). Степень отклонения отгеометрической картины распространения и необходимость учета дифракционныхявлений определяются параметром />, где r –расстояние от точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию.

Скорость распространения УЗ-вых волн в неограниченнойсреде определяется характеристиками упругости и плотностью среды. Вограниченных средах на скорость распространения волн влияет наличие и характерграниц, что приводит к частотной зависимости скорости (дисперсия скоростизвука). Уменьшение амплитуды и интенсивности УЗ-вой волны по мере еераспространения в заданном направлении, то есть затухание звука, вызывается,как и для волн любой частоты, расхождением фронта волны с удалением отисточника, рассеянием и поглощением звука. На всех частотах как слышимого, таки неслышимых диапазонов имеет место так называемое «классическое» поглощение,вызванное сдвиговой вязкостью (внутренним трением) среды. Кроме того,существует дополнительное (релаксационное) поглощение, часто существеннопревосходящее «классическое» поглощение.[1]

При значительной интенсивности звуковых волнпоявляются нелинейные эффекты:

·    нарушается принцип суперпозиции ивозникает взаимодействие волн, приводящее к появлению тонов;

·    изменяется форма волны, ее спектробогащается высшими гармониками и соответственно растет поглощение;

·    при достижении некоторогопорогового значения интенсивности УЗ в жидкости возникает кавитация (см. ниже).

Критерием применимости законов линейной акустики ивозможности 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».

/>          пецифическиеособенности ультразвука

Хотя физическая природа УЗ и определяющие егораспространение основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазоначастот, он обладает рядом специфических особенностей. Эти особенностиобусловлены относительно высокими частотами УЗ.

Малость длины волны определяет лучевой характерраспространения УЗ-вых волн. Вблизи излучателя волны распространяются в видепучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя.Попадая на крупные препятствия такой пучок (УЗ луч) испытывает отражение ипреломление. При попадании луча на малые препятствия возникает рассеяннаяволна, что позволяет обнаруживать в среде малые неоднородности (порядка десятыхи сотых долей мм.). Отражение и рассеяние УЗ на неоднородностях среды позволяютформировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображенияпредметов, используя звуковые фокусирующие системы, подобно тому, как этоделается с помощью световых лучей.

Фокусировка УЗ позволяет не только получать звуковыеизображения (системы звуковидения и акустической голографии), но и концентрироватьзвуковую энергию. С помощью УЗ-вых фокусирующих систем можно формироватьзаданные характеристики направленности излучателей и управлять ими.

Периодическое изменение показателя преломлениясветовых волн, связанное с изменением плотности в УЗ-волне, вызывает дифракциюсвета на ультразвуке, наблюдаемую на частотах УЗмегагерцевого-гигагерцевого диапазона. УЗ волну при этом можно рассматриватькак 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 сдругом и т.д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) имикропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффектыоказывают влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в жидкоститвердых тел (кавитационная эрозия), возникает перемешивание жидкости,инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы. Изменяяусловия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различныекавитационные эффекты, например с ростом частоты УЗ увеличивается рольмикропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с увеличением давления вжидкости возрастает роль микроударных воздействий. Увеличение частоты приводитк повышению порогового значения интенсивности, соответствующей началукавитации, которое зависит от рода жидкости, ее газосодержания, температуры ит.д… Для воды при атмосферном давлении оно обычно составляет 0,3¸1,0 Вт/см2. Кавитация – сложный комплексявлений. УЗ-вые волны, распространяющиеся в жидкости, образуют чередующиесяобласти высоких и низких давлений, создающих зоны высоких сжатий и зоныразрежений. В разреженной зоне гидростатическое давление понижается до такойстепени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше силмежмолекулярного сцепления. В результате резкого изменения гидростатическогоравновесия жидкость «разрывается», образуя многочисленные мельчайшие пузырькигазов и паров. В следующий момент, когда в жидкости наступает период высокогодавления, образовавшиеся ранее пузырьки схлопываются. Процесс схлопыванияпузырьков сопровождается образованием ударных волн с очень большим местныммгновенным давлением, достигающим нескольких сотен атмосфер.

/>          сточники  иприемники ультразвука.

В природе УЗ встречаетсякак в качестве компоненты многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада,дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающихгрозовые разряды, и т.д.), так и среди звуков животного мира. Некоторыеживотные пользуются УЗ-выми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки впространстве.

Излучатели ультразвука можно подразделить на двебольшие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в нихвозбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока – струи газаили жидкости. Вторая группа излучателей – электроакустические преобразователи;они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока вмеханическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую средуакустические волны.

Механические излучатели.

В излучателях первоготипа (механических) преобразование кинетической энергии струи (жидкости илигаза) в акустическую возникает в результате периодического прерывания струи(сирена), при натекании ее на препятствия различного вида (газоструйныегенераторы, свистки).

УЗ сирена – два диска с большим количеством отверстий,помещенные в камеру (рис. 1).

/> <td/> />
Поступающий под большим давлением в камерувоздух выходит через отверстия обоих дисков. При вращении диска-ротора (3) егоотверстия будут совпадать с отверстиями неподвижного диска-статора (2) только вопределенные моменты времени. В результате возникнут пульсации воздуха. Чембольше скорость вращения ротора, тем больше частота пульсации воздуха, котораяопределяется по формуле:

/>,

где N – число отверстий, равнораспределенных по окружности ротораи статора; w — угловая скорость ротора.

Давление в камере сирен обычно составляет от 0,1 до5,0 кгс/см2. Верхний предел частоты УЗ, излучаемого сиренами непревышает 40¸50 кГц, однако известны конструкции с верхним пределом500 кГц. КПД  генераторов не превышает 60%. Так как источником излучаемогосиреной звука являются импульсы газа, вытекающего из отверстий, частотныйспектр сирен определяется формой этих импульсов. Для получения синусоидальныхколебаний используют сирены с круглыми отверстиями, расстояния между которымиравны их диаметру. При отверстиях прямоугольной формы, отстоящих друг от другана ширину отверстия, форма импульса треугольная. В случае применения несколькихроторов (вращающихся с разной скоростью) с отверстиями расположенными неравномернои разной формы, можно получить шумовой сигнал. Акустическая мощность сиренможет достигать десятков кВт. Если в поле излучения мощной сирены поместитьвату, то она воспламенится, а стальные стружки нагреваются докрасна.

Принцип действия УЗ генератора-свистка почти такойже, как и обычного милицейского свистка, но размеры его значительно больше.Поток воздуха с большой скоростью разбивается об острый край внутренней полостигенератора, вызывая колебания с частотой, равной собственной частоте резонатора.При помощи такого генератора можно создавать колебания с частотой до 100 Кгцпри относительно небольшой мощности. Для получения больших мощностей применяютгазоструйные генераторы, у которых скорость истечения газа выше. Жидкостныегенераторы применяют для излучения УЗ в жидкость. В жидкостных генераторах(рис. 2) в качестве резонансной системы служит двустороннее острие, в которомвозбуждаются изгибные колебания.

/> <td/> />
Струя жидкости, выходя из сопла с большой скоростью, разбивается об острый крайпластинки, по обе стороны которой  возникают завихрения, вызывающие изменениядавления с большой частотой.

          Дляработы жидкостного (гидродинамического) генератора необходимо избыточноедавление жидкости 5 кГ/см2. частота колебаний такого генератораопределяется соотношением:

/>,

гдеv – скорость жидкости, вытекающей из сопла;  d –расстояние между острием и соплом.

          Гидродинамическиеизлучатели в жидкости дают относительно дешевую УЗ-вую энергию на частотах до30¸40 кГц при интенсивности в непосредственной близостиот излучателя до нескольких Вт/см2.

          Механическиеизлучатели используются в низкочастотном диапазоне УЗ и в диапазоне звуковыхволн. Они относительно просты по конструкции и в эксплуатации, их изготовлениене дорого, но они не могут создавать монохроматическое излучение[2]и тем более излучать сигналы строго заданной формы. Такие излучатели отличаютсянестабильностью частоты и амплитуды, однако при излучении в газовых средах ониимеют относительно высокую эффективность и мощность излучения: их кпдсоставляет от  нескольких % до 50%, мощность от нескольких ватт до десятковкВт.

Электроакустические преобразователи.

          Излучателивторого типа основываются на различных физических эффектах электромеханическогопреобразования. Как правило, они линейны, то есть воспроизводят по формевозбуждающий электрический сигнал. В низкочастотном УЗ-вом диапазонеприменяются электродинамические излучатели и излучающие магнитострикционныепреобразователи и пьезоэлектрические преобразователи. Наиболее широкоераспространение получили излучатели магнитострикционного и пьезоэлектрическоготипов.

          В1847 г. Джоуль заметил, что ферромагнитные материалы, помещенные в магнитноеполе, изменяют свои размеры. Это явление назвали магнитострикционнымэффектом[3].Если по обмотке, наложенной на ферромагнитный стержень, пропустить переменныйток, то под воздействием изменяющегося магнитного поля стержень будетдеформироваться. Никелевые сердечники, в отличии от железных, в магнитном полеукорачиваются. При пропускании переменного тока по обмотке излучателя егостержень деформируется в одном направлении при любом направлении магнитногополя. Поэтому частота механических колебаний будет вдвое больше частотыпеременного тока.

          Чтобычастота колебаний излучателя соответствовала частоте возбуждающего тока, вобмотку излучателя подводят постоянное напряжение поляризации. Уполяризованного излучателя увеличивается амплитуда переменной магнитнойиндукции, что приводит к увеличению деформации сердечника и повышению мощности.

          Магнитострикционныйэффект используется при изготовлении УЗ-вых магнитострикционныхпреобразователей (рис. 3).

/>

/> <td/> />
 Эти преобразователи отличаются большимиотносительными деформациями, повышенной механической прочностью, малойчувствительностью к температурным воздействиям. Магнитострикционныепреобразователи имеют небольшие значения электрического сопротивления, врезультате чего для получения большой мощности не требуются высокие напряжения.

          Чащевсего применяют преобразователи из никеля (высокая стойкость против коррозии,низкая цена). Магнитострикционные сердечники могут быть изготовлены и изферритов. У ферритов высокое удельное сопротивление, в результате чего потери на вихревые токи в них ничтожно малы. Однако феррит – хрупкий материал, чтовызывает опасность их перегрузки при большой мощности. Кпд магнитострикционныхпреобразователей при излучении в жидкость и твердое тело составляет 50¸90%., интенсивность излучения достигает несколькихдесятков Вт/см2.

          В1880 году братья Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектрический эффект –если деформировать пластинку кварца, то на ее гранях появляются противоположныепо знаку электрические заряды. Наблюдается и обратное явление – если кэлектродам кварцевой пластинки подвести электрический заряд, то ее размерыуменьшатся или увеличатся в зависимости от полярности подводимого заряда. Приизменении знаков приложенного напряжения кварцевая пластинка будет тосжиматься, то разжиматься, то есть она будет колебаться в такт с изменениямизнаков приложенного напряжения. Изменение толщины пластинки пропорциональноприложенному напряжению.

          Принциппьезоэлектрического эффекта используется при изготовлении излучателей УЗ-выхколебаний, которые преобразуют электрические колебания в механические. Вкачестве пьезоэлектрических материалов применяют кварц, титанат бария, фосфатаммония.

          Кпдпьезоэлектрических преобразователей достигает 90%, интенсивность излучения –несколько десятков Вт/см2. Для увеличения интенсивности и амплитудыколебаний  используют УЗ-вые концентраторы. В диапазоне средних УЗ-выхчастот концентратор представляет собой фокусирующую систему, чаще всего в видепьезоэлектрического преобразователя вогнутой формы, излучающего сходящуюсяволну. В фокусе подобных концентраторов достигается интенсивность 105-106Вт/см2.

Приемники ультразвука.

          Вкачестве приемников ультразвука на низких и средних частотах чаще всегоприменяют электроакустические преобразователи пьезоэлектрического типа. Такиеприемники позволяют воспроизводить форму акустического сигнала, то естьвременную зависимость звукового давления. В зависимости от условий примененияприемники делают либо резонансными, либо широкополосными. Для полученияусредненных по времени характеристик звукового поля используют термическимиприемниками звука в виде покрытых звукопоглощающим веществом термопар илитермисторов[4].Интенсивность и звуковое давление можно оценивать и оптическими методами,например по дифракции света на УЗ.

/>рименение ультразвука.

          Многообразныеприменения УЗ, при которых используются различные его особенности, можноусловно разбить на три направления. Первое связано с получением информациипосредством УЗ-вых волн, второе – с активным воздействием на вещество и третье– с обработкой и передачей сигналов. При каждом конкретном применениииспользуется УЗ определенного частотного диапазона (табл. 1). Расскажем лишь онекоторых из многочисленных областей, где нашел применение УЗ.

Ультразвуковая очистка.

          Качество УЗ очистки несравнимо с другимиспособами. Например, при полоскании деталей на их поверхности остается до 80%загрязнений, при вибрационной очистке – около 55%, при ручной – около 20%, апри 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 производительностипри малой затрате физического труда, возможности замены огнеопасных илидорогостоящих органических растворителей безопасными и дешевыми воднымирастворами щелочей, жидким фреоном и др.

          Ультразвуковаяочистка – сложный процесс, сочетающий местную кавитацию с действием большихускорений в очищающей жидкости, что приводит к разрушению загрязнений. Еслизагрязненную деталь поместить в

Таблица 1                                                            

Применения Частота в герцах

103   104       105       106       107       108         109        1010 1011

Получение информации Научные исследования в газах, жидкостях ggggggggggggggg в твердых  телах gggggggggggggggg

О свойствах  и составе веществ;

о технологических процессах

в газах ggggg в жидкостях gggggg в твердых телах gggggggggggggg гидролокация gggggg УЗ дефектоскопия ggggggggg контроль размеров ggggg Медицинская диагностика gggg Воздействие на вещество Коагуляция аэрозолей ggg Воздействие на горение ggg Очистка gg Воздействие на химические процессы gg Эмульгирование gggggggg Диспергирование g Распыление gg gg Кристаллизация g Металлизация, пайка g Механическая обработка gg Сварка gg Пластическое деформирование g Терапия ggg Хирургия gg ggg

Обработка

сигналов

Линии задержки gggggggggggg Фильтры gggggggggggg Акустооптические  устройства ggggggggggggg Преобразователи сигналов в акустоэлектронике ggggggggg /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />

жидкость и облучить ультразвуком, то под действием ударнойволны кавитационных пузырьков поверхность детали очищается от грязи.

         Серьезной проблемой является борьба сзагрязнением воздуха пылью, дымом, копотью, окислами металлов и т.д. Ультразвуковой метод очистки газа и воздуха может применяться в существующихгазоотводах независимо от температуры и влажности среды. Если поместить УЗ-войизлучатель в пылеосадочную камеру, то эффективность ее действия возрастает всотни раз. В чем сущность УЗ-вой очистки воздуха? Пылинки, которые беспорядочнодвижутся в воздухе, под действием ультразвуковых колебаний чаще и сильнееударяются друг о друга. При этом они сливаются и размер их увеличивается.Процесс укрупнения частиц называется коагуляцией. Улавливаются укрупненные иутяжеленные частицы специальными фильтрами.

Механическаяобработка сверхтвердых

и хрупкихматериалов.

         Если между рабочей поверхностью УЗ-вогоинструмента и обрабатываемой деталью ввести абразивный материал, то при работеизлучателя частицы абразива будут воздействовать на поверхность детали.Материал разрушается и удаляется при обработке под действием большого числанаправленных микроударов (рис. 4).

/>

/> <td/>

Рис.4  Ультразвуковая обработка материалов.

            1 – ультразвуковой инструмент;

            2 – абразивные зерна;

            3 – обрабатываемая деталь.

 

         Кинематика ультразвуковой обработки складываетсяиз главного движения – резания, т.е. продольных колебаний инструмента, ивспомогательного движения – движения подачи. Продольные колебания являютсяисточником энергии абразивных зерен, которые и производят разрушениеобрабатываемого материала. Вспомогательное движение – движение подачи – можетбыть продольным, поперечным и круговым. Ультразвуковая обработка обеспечиваетбольшую точность – от 50 до 1 мк в зависимости от зернистости абразива.Применяя инструменты различной формы можно выполнять не только отверстия, но исложные вырезы. Кроме того, можно вырезать криволинейные оси, изготавливатьматрицы, шлифовать, гравировать и даже сверлить алмаз. Материалы, используемые в качестве абразива – алмаз, корунд, кремень, кварцевый песок.

Ультразвуковаясварка.

         Из существующих методов ни один не подходит длясварки разнородных металлов или если к толстым деталям нужно приварить тонкиепластины. В этом случае УЗ-вая сварка незаменима. Ее иногда называют холодной,потому что детали соединяются в холодном состоянии. Окончательногопредставления о механизме образования соединений при УЗ-вой сварке нет. Впроцессе сварки после ввода ультразвуковых колебаний между свариваемымипластинами образуется слой высокопластичного металла, при этом пластины оченьлегко поворачиваются вокруг вертикальной оси на любой угол. Но как толькоультразвуковое излучение прекращают, происходит мгновенное «схватывание»пластин.

         Ультразвуковая сварка происходит при температурезначительно меньшей температуры плавления, поэтому соединение деталейпроисходит в твердом состоянии. С помощью УЗ можно сваривать многие металлы исплавы (медь, молибден, тантал, титан, многие стали). Наилучшие результатыполучаются при сварке тонколистовых разнородных металлов и приварке к толстымдеталям тонких листов. При УЗ-вой сварке минимально изменяются свойства металлав зоне сварки. Требования к качеству подготовки поверхности значительно ниже,чем при других методах сварки. УЗ сварке хорошо поддаются и неметаллическиематериалы (пластмасса, полимеры)

Ультразвуковаяпайка и лужение.

         В промышленности все большее значение приобретаетУЗ-вая пайка и лужение алюминия, нержавеющей стали и других материалов.Трудность пайки алюминия состоит в том, что его поверхность всегда покрытатугоплавкой пленкой окиси алюминия, которая образуется практически мгновеннопри соприкосновении металла с кислородом воздуха. Эта пленка препятствуетсоприкосновению расплавленного припоя с поверхностью алюминия.

В настоящее время одним изэффективных методов пайки алюминия является ультразвуковой, пайка с применениемУЗ производится без флюса. Введение механических колебаний  ультразвуковойчастоты в расплавленный припой в процессе пайки способствует механическомуразрушению окисной пленки и облегчает смачивание припоем поверхности.

Принцип УЗ-вой пайки алюминиязаключается в следующем. Между паяльником  и деталью создается слой жидкогорасплавленного припоя. Под действием УЗ-вых колебаний в припое возникаеткавитация, разрушающая оксидную пленку. Перед пайкой  детали нагревают дотемпературы, превышающей температуру плавления припоя. Большим преимуществомметода является то, что его можно с успехом применять для пайки керамики истекла.

Ускорениепроизводственных процессов

спомощью ультразвука.

¾ Применение ультразвука позволяет значительно ускорить смешиваниеразличных жидкостей и получить устойчивые эмульсии (даже таких как вода иртуть).

¾ Воздействуя УЗ-выми колебаниями большой интенсивности нажидкости, можно получать тонкодисперсные аэрозоли высокой плотности.

¾ Сравнительно недавно начали применять УЗ для пропиткиэлектротехнических намоточных изделий. Применение УЗ позволяет сократить времяпропитки в 3¸5 раз и заменить 2-3кратную пропитку одноразовой.

¾ Под действием УЗ значительно ускоряется процесс гальваническогоосаждения металлов и сплавов.

¾ Если в расплавленный металл вводить УЗ-вые колебания, заметноизмельчается зерно, уменьшается пористость.

¾ Ультразвук применяется при обработке металлов и сплавов в твердомсостоянии, что приводит к «разрыхлению» структуры и к искусственному ихстарению.

¾ УЗ при прессовании металлических порошков обеспечивает получениепрессованных изделий более высокой плотности и стабильности размеров.

Ультразвуковаядефектоскопия.

/>         Ультразвуковаядефектоскопия – один из методов неразрушающего контроля. Свойство УЗраспространяться в однородной среде направленно и без существенных затуханий, ана границе раздела двух сред (например, металл – воздух) почти полностьюотражаться позволило применить УЗ-вые колебания для выявления дефектов(раковины, трещины, расслоения и т.п.) в металлических деталях без ихразрушения.

/>         Припомощи УЗ можно проверять детали больших размеров, так как глубинапроникновения УЗ в металле достигает 8¸10м. Кроме того, ультразвуком можно обнаружить очень мелкие дефекты (до 10-6мм).

         УЗ-вые дефектоскопы позволяют выявлять не толькообразовавшиеся дефекты, но и определять момент повышенной усталости металла.

         Существует несколько методов ультразвуковойдефектоскопии, основными из которых являются теневой, импульсный, резонансный,метод структурного анализа, ультразвуковой визуализации.

         Теневой метод основан на ослаблении проходящихУЗ-вых волн при наличии внутри детали дефектов, создающих УЗ-вую тень. При этомметоде используется два преобразователя. Один из них излучает ультразвуковыеколебания, другой принимает их (рис. 5). Теневой метод малочувствителен, дефектможно обнаружить если вызываемое им изменение сигнала составляет не менее 15¸20%. Существенный недостаток теневогометода в том, что он не позволяет определить на какой глубине находится дефект.

/>/>         Импульсный метод УЗ-вой дефектоскопии основан на явленииотражения ультразвуковых волн. Принцип действия импульсного дефектоскопапоказан на рис. 6. Высокочастотный генератор вырабатывает кратковременныеимпульсы. Посланный излучателем импульс, отразившись, возвращается обратно кпреобразователю, который в это время работает на прием. С преобразователясигнал поступает на усилитель, а затем на отклоняющие пластиныэлектроннолучевой трубки. Для получения на экране трубки изображениязондирующих и отраженных импульсов предусмотрен генератор развертки. Работойвысокочастотного генератора управляет синхронизатор, который с определеннойчастотой формирует высокочастотные импульсы. Частота посылки импульсов можетизменяться с таким расчетом, чтобы отраженный импульс приходил кпреобразователю раньше посылки следующего импульса.

         Импульсный метод позволяет исследовать изделияпри одностороннем доступе к ним. Метод обладает повышенной чувствительностью,отражение даже 1% УЗ-вой энергии будет замечено. Преимущество импульсногометода состоит еще и в том, что он позволяет определить на какой глубиненаходится дефект.

Ультразвук врадиоэлектронике.

         В радиоэлектронике часто возникает необходимостьзадержать один электрический сигнал относительно другого. Удачное решение нашлиученые, предложив ультразвуковые линии задержки (ЛЗ). Действие их основано напреобразовании электрических импульсов в импульсы УЗ-вых механическихколебаний, скорость распространения которых значительно меньше скоростираспространения электромагнитных колебаний.  После обратного преобразованиямеханических колебаний в электрические импульс напряжения на выходе линии будетзадержан относительно входного импульса.

         Для преобразования электрических колебаний вмеханические и обратно используют магнитострикционные и пьезоэлектрическиепреобразователи. Соответственно этому ЛЗ подразделяются на магнитострикционныеи пьезоэлектрические.

         Магнитострикционная ЛЗ состоит из входного и выходногопреобразователей, магнитов, звукопровода и поглотителей.

         Входной преобразователь состоит из катушки, покоторой протекает ток входного сигнала, участка звукопровода измагнитострикционного материала, в котором возникают механические колебания УЗ-войчастоты, и магнита, создающего постоянное подмагничивание зоны преобразования.Выходной преобразователь по устройству почти не отличается от входного.

         Звукопровод представляет собой стержень измагнитострикционного 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 нужендля создания начальной магнитной индукции и подмагничивания зоныпреобразования.

         Поглотители для уменьшения уровня паразитныхотраженных сигналов располагаются на обоих концах звукопровода.

         Принцип действия магнитострикционной ЛЗ основанна изменении размеров ферромагнитных материалов под воздействием магнитногополя. Механическое возмущение, вызванное магнитным полем катушки входногопреобразователя, передается по звокопроводу и, дойдя до катушки выходногопреобразователя, наводит в ней электродвижущую силу.

Пьезоэлектрические ЛЗ устроеныследующим образом. На пути электрического сигнала ставят пьезоэлектрическийпреобразователь (пластинку кварца), который жестко соединен с металлическимстержнем (звукопроводом). Ко второму концу стержня прикреплен второйпьезоэлектрический преобразователь. Сигнал, подойдя к входному преобразователю,вызывает механические колебания УЗ-вой частоты, которые затем распространяютсяв звукопроводе. Достигнув второго преобразователя, УЗ-вые колебания вновьпреобразуются в электрические. Но так как скорость распространения УЗ взвукопроводе значительно меньше скорости меньше скорости распространенияэлектрического сигнала, сигнал, на пути которого был звукопровод, отстает отдругого на величину, равную разности скорости распространения УЗ иэлектромагнитных сигналов на определенном участке.

Ультразвукв медицине.

         Применение УЗ для активного воздействия на живойорганизм в медицине основывается на эффектах, возникающих в биологическихтканях при прохождении через них УЗ-вых волн. Колебания частиц среды в волневызывают своеобразный микромассаж тканей, поглощение УЗ – локальное нагреваниеих. Одновременно под действием УЗ происходят физико-химические превращения вбиологических средах. При умеренной интенсивности звука эти явления не вызываютнеобратимых повреждений, а лишь улучшают обмен веществ и, следовательно, способствуютжизнедеятельности организма. Эти явления находят применение в УЗ-вой терапии(интенсивность УЗ до 1 Вт/см2). При большихинтенсивностях сильное нагревание и кавитация вызывают разрушение тканей. Этотэффект находит применение в УЗ-вой хирургии. Для хирургических операцийиспользуют фокусированный УЗ, который позволяет производить локальныеразрушения в глубинных структурах, например мозга, без повреждения окружающихтканей (интенсивность УЗ достигает сотен и даже тысяч Вт/см2). Вхирургии применяют также УЗ-вые инструменты, рабочий конец которых имеет видскальпеля, пилки, иглы  и т.п. Наложение УЗ-вых колебаний на такие, обычные дляхирургии, инструменты придает им новые качества, существенно снижая требуемоеусилие и, следовательно, травматизм операции; кроме того, проявляетсякровоостанавливающий и обезболивающий эффект. Контактное воздействие тупымУЗ-вым инструментом применяется для разрушения некоторых новообразований.

         Воздействие мощного УЗ на биологические тканиприменяется для разрушения микроорганизмов в процессах стерилизации медицинскихинструментов и лекарственных веществ.

         УЗ нашел применение в зубоврачебной практике дляснятия зубного камня. Он позволяет безболезненно, бескровно, быстро удалятьзубной камень и налет с зубов. При этом не травмируется слизистая полость рта иобеззараживаются «карманы» полости, а пациент вместо боли испытывает ощущениетеплоты.

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.

еще рефераты
Еще работы по физике