Gama de ultrasunete. Aplicații cu ultrasunete

Frecvențele de 16 Hz-20 kHz, pe care aparatul auditiv uman le poate percepe, sunt de obicei numite sonore sau acustice, de exemplu, scârțâitul unui țânțar „10 kHz”. Dar aerul, adâncurile mărilor și măruntaiele pământului sunt pline de sunete care se află în afara acestui interval - infra și ultrasunete. În natură, ultrasunetele se găsesc ca o componentă a multor zgomote naturale, în zgomotul vântului, cascadelor, ploii, pietricelelor de mare rostogolite de surf și în descărcările de fulgere. Multe mamifere, cum ar fi pisicile și câinii, au capacitatea de a percepe ultrasunetele cu o frecvență de până la 100 kHz, iar abilitățile de localizare ale liliecilor, insectelor nocturne și animalelor marine sunt bine cunoscute de toată lumea. Existența unor astfel de sunete a fost descoperită odată cu dezvoltarea acusticii abia la sfârșitul secolului al XIX-lea. În același timp, au început primele studii de ultrasunete, dar bazele aplicării sale au fost puse abia în prima treime a secolului al XX-lea.

Ce este ultrasunetele

Undele ultrasunete (sunet inaudibil) prin natura lor nu diferă de undele din domeniul audibil și respectă aceleași legi fizice. Dar ultrasunetele au caracteristici specifice care au determinat utilizarea sa pe scară largă în știință și tehnologie.

Iată pe cele principale:

• Lungime de undă scurtă. Pentru cel mai mic interval de ultrasunete, lungimea de undă nu depășește câțiva centimetri în majoritatea mediilor. Lungimea de undă scurtă determină natura razelor de propagare a undelor ultrasonice. În apropierea emițătorului, ultrasunetele se propagă sub formă de fascicule, de dimensiuni similare cu dimensiunea emițătorului. Când atinge neomogenități în mediu, fasciculul ultrasonic se comportă ca un fascicul de lumină care experimentează reflexie, refracție și împrăștiere, ceea ce face posibilă formarea de imagini sonore în medii opace optic folosind efecte pur optice (focalizare, difracție etc.)
• O perioadă scurtă de oscilație, care face posibilă emiterea de ultrasunete sub formă de impulsuri și efectuarea unei selecții precise în timp a semnalelor care se propagă în mediu.
• Posibilitatea de a obține valori mari ale intensității oscilației la amplitudine mică, deoarece energia de vibrație este proporțională cu pătratul frecvenței. Acest lucru face posibilă crearea de fascicule și câmpuri ultrasonice cu un nivel ridicat de energie, fără a necesita echipamente de dimensiuni mari.
• În câmpul ultrasonic se dezvoltă curenți acustici semnificativi, astfel încât efectul ultrasunetelor asupra mediului dă naștere la efecte fizice, chimice, biologice și medicale specifice, precum cavitația, efectul capilar, dispersia, emulsionarea, degazarea, dezinfecția, încălzirea locală și multe altele. .

Istoricul ecografiei

Atenția la acustică a fost cauzată de nevoile marinei puterilor conducătoare - Anglia și Franța, deoarece. acustic este singurul tip de semnal care poate călători departe în apă. În 1826, omul de știință francez Colladon a determinat viteza sunetului în apă. Experimentul lui Colladon este considerat nașterea hidroacusticii moderne. Clopotul subacvatic din Lacul Geneva a fost lovit cu aprinderea simultană a prafului de pușcă. Flashul de la praful de pușcă a fost observat de Colladon la o distanță de 10 mile. De asemenea, a auzit sunetul clopotului folosind un tub auditiv subacvatic. Măsurând intervalul de timp dintre aceste două evenimente, Colladon a calculat viteza sunetului la 1435 m/sec. Diferența cu calculele moderne este de numai 3 m/sec.

În 1838, în SUA, sunetul a fost folosit pentru prima dată pentru a determina profilul fundului mării. Sursa sunetului, ca și în experimentul lui Colladon, era un clopoțel care suna sub apă, iar receptorul erau tuburi auditive mari coborâte peste bord. Rezultatele experimentului au fost dezamăgitoare - sunetul clopotului, precum și explozia cartuşelor de praf de pușcă în apă, au dat un ecou prea slab, aproape inaudibil printre alte sunete ale mării. A fost necesar să mergem în regiunea de frecvențe mai înalte, permițând crearea de fascicule sonore dirijate.

Primul generator de ultrasunete a fost realizat în 1883 de englezul Galton. Ultrasunetele au fost create similar sunetului ascuțit de pe marginea unui cuțit atunci când un flux de aer îl lovește. Rolul unui astfel de vârf în fluierul lui Galton a fost jucat de un cilindru cu margini ascuțite. Aerul (sau alt gaz), care ieșea sub presiune printr-o duză inelară cu un diametru același cu marginea cilindrului, a intrat în el și au apărut vibrații de înaltă frecvență. Sufland fluierul cu hidrogen, s-au putut obține oscilații de până la 170 kHz.

În 1880, Pierre și Jacques Curie au făcut o descoperire decisivă pentru tehnologia ultrasunetelor. Frații Curie au observat că atunci când s-a aplicat presiune asupra cristalelor de cuarț, a fost generată o sarcină electrică direct proporțională cu forța aplicată cristalului. Acest fenomen a fost numit „piezoelectricitate” din cuvântul grecesc care înseamnă „a apăsa”. Ei au demonstrat, de asemenea, efectul piezoelectric invers, care a avut loc atunci când un potențial electric în schimbare rapidă a fost aplicat cristalului, făcându-l să vibreze. De acum înainte, este posibil din punct de vedere tehnic să se producă emițătoare și receptoare cu ultrasunete de dimensiuni mici.

Moartea Titanicului în urma unei coliziuni cu un aisberg și nevoia de a combate noi arme — submarinele — au necesitat dezvoltarea rapidă a hidroacusticii ultrasonice. În 1914, fizicianul francez Paul Langevin, împreună cu un om de știință rus care a locuit în Elveția, Konstantin Shilovsky, au dezvoltat pentru prima dată un sonar format dintr-un emițător de ultrasunete și un hidrofon - un receptor de vibrații ultrasonice, bazat pe efectul piezoelectric. Sonarul Langevin-Shilovsky a fost primul dispozitiv cu ultrasunete folosit în practică. Tot la începutul secolului, omul de știință rus S.Ya. Sokolov a dezvoltat bazele detectării defectelor cu ultrasunete în industrie. În 1937, psihiatrul german Karl Dussick, împreună cu fratele său Friedrich, fizician, au folosit pentru prima dată ultrasunetele pentru a detecta tumorile cerebrale, dar rezultatele pe care le-au obținut s-au dovedit a fi nesigure. În diagnosticul medical, ultrasunetele au început să fie folosite abia în anii 50 ai secolului XX în SUA.

Aplicații cu ultrasunete

Diversele aplicații ale ultrasunetelor pot fi împărțite în trei domenii:

1. obținerea de informații prin ecografie
2. influență asupra unei substanțe, ființă
3. procesarea si transmisia semnalului

Dependența vitezei de propagare și atenuare a undelor acustice de proprietățile materiei și de procesele care au loc în acestea este utilizată pentru:

• controlul reacțiilor chimice, tranzițiilor de fază, polimerizării etc.
• determinarea caracteristicilor de rezistență și a compoziției materialelor,
• determinarea prezenței impurităților,
• determinarea debitului de lichid și gaz

Cu ajutorul ultrasunetelor, puteți spăla hainele, respinge rozătoarele, le puteți folosi în medicină, puteți verifica diferite materiale pentru defecte și multe lucruri mai interesante.

VIBRAȚII ULTRASONICE, vibrații care au o frecvență atât de mare încât sunetele de la acestea nu sunt percepute de ureche. Frecvențele vibrațiilor ultrasonice încep de la 15000-20000 Hz. Existența vibrațiilor ultrasonice este cunoscută de mult timp, iar după apariția în 1883 a fluierului lui Galton, care producea sunete inaudibile, demonstrația lor a devenit parte a practicii didactice. Cu toate acestea, până de curând, vibrațiile ultrasonice nu aveau nicio semnificație practică, deoarece nu existau surse suficient de puternice de vibrații ultrasonice. Începutul renașterii cercetărilor în domeniul vibrațiilor ultrasonice ar trebui luat în considerare 1917-19, când Langevin din Paris a reușit să folosească cuarțul pentru a produce unde ultrasonice puternice în apă. În special, cercetarea vibrațiilor ultrasonice a fost reînviată după munca lui Cady, care a început în 1922; această trezire continuă până în zilele noastre.

Metode de producere a vibrațiilor ultrasonice foarte divers; Aproape toate metodele de producere a vibrațiilor sunt potrivite și pentru vibrațiile ultrasonice. Sunetele nu prea puternice sunt produse cel mai ușor de un fluier Galton (Fig. 1), care este un rezonator de aer, a cărui frecvență naturală poate varia de la 10.000 la 30.000 Hz și un flux de aer este îndreptat spre gaură. Puterea unui astfel de fluier este mică, iar în toate metodele descrise mai jos, sursa de energie de frecvență ultrasonică este un curent electric alternativ, obținut de obicei din circuite electrice auto-oscilante cu tub electronic; singura excepție este arcul cântător, cu care Neklepaev în 1911 a obținut vibrații ultrasonice și unde cu frecvențe de până la 3.500.000 Hz, ceea ce corespunde unei lungimi de undă de aproximativ 0,1 mm. Valurile au fost primite în aer și s-a dovedit că acesta din urmă le absoarbe foarte puternic. Prima sursă puternică de vibrații ultrasonice a fost un transmițător piezoelectric Langevin conceput pentru lucrul în apă. Partea principală a emițătorului Langevin este o placă de cuarț Q (Fig. 2), tăiată perpendicular pe axa electrică și echipată cu plăci A, A lipite strâns de aceasta. Dacă le este furnizat un curent alternativ, atunci datorită piezoelectricului. efect, placa de cuarț se extinde și se contractă cu o frecvență egală cu frecvența curentului alternativ. Cu o alegere adecvată a frecvenței, atunci când vibrațiile naturale ale emițătorului sunt în rezonanță cu curentul, acestea devin foarte puternice și emit energie ultrasonică mare. În transmițătorul subacvatic Langevin, doar o placă A este în contact cu apa, în timp ce cealaltă este închisă în carcasa prezentată în Fig. 2 linie punctată schematic. Astfel de transmițătoare sunt de obicei construite la frecvențe de aproximativ 30.000-40.000 Hz.

Wood și Lumis au folosit pentru experimentele lor plăci cu căptușeli foarte subțiri, care nu au avut practic niciun efect asupra frecvenței naturale a plăcii. Deoarece grosimea totală a emițătorului era mult mai mică, frecvența vibrațiilor ultrasonice a fost mult mai mare și anume aproximativ 5·10 5 Hz. Myasnikov a reușit să atingă frecvențe de 10 6 -10 7 Hz; În ambele cazuri, emițătoarele au fost plasate într-o baie de ulei, unde s-au propagat undele ultrasonice. Există încercări reușite de a obține vibrații ultrasonice de o putere suficientă prin utilizarea vibrațiilor magnetostrictive. Gaines a obținut ultrasunete foarte puternice prin excitarea oscilațiilor magnetostrictive într-un tub de nichel, a cărui parte inferioară, situată în aer, era supusă unui câmp magnetic alternant, iar partea superioară, situată în lichid, a emis sunet. De asemenea, o scânteie electrică produce rezultate nesatisfăcătoare. În prezent, cea mai bună metodă practică de producere a transmițătoarelor ultrasonice de mare putere este metoda Langevin. Experimentele privind producerea undelor ultrasonice în aer folosind aceeași metodă au arătat că impactul transmițătorilor de acest tip în aer este foarte nesemnificativ.

Propagarea undelor ultrasonice în gaze și lichideîn general, respectă aceleași legi ca undele sonore obișnuite, dar există unele particularități. Undele ultrasonice din aer și gaze sunt absorbite foarte semnificativ, iar cu cât frecvența undelor ultrasonice este mai mare, cu atât acestea sunt mai puternic absorbite. Cel mai scurt dintre ei, studiat de Neklepaev, slăbește de 100 de ori, depășind deja 6 mm. Undele de 8 ori mai lungi sunt atenuate cu aceeași cantitate după parcurgerea a 40 cm etc. În plus, se observă o oarecare dispersie a undelor ultrasonice. La puteri mari ale transmițătoarelor cu ultrasunete, pe lângă radiațiile ultrasonice, din ele vine un „vânt”, descoperit pentru prima dată de Meissner pe plăci de cuarț, care se observă și în emițătoarele subacvatice. Dacă, ca și în experimentele Wood și Lumis, undele ultrasonice cad la limita a două medii (în experimentele lor, ulei - aer și ulei - apă), atunci suprafața contactului lor este foarte distorsionată din cauza așa-numitelor. presiunea sonoră, se formează fântâni întregi de stropi mici, iar în experimentele cu ulei și apă se formează o emulsie de ulei în apă; Undele ultrasunete care se propagă de-a lungul unei baghete de sticlă provoacă o senzație de arsură la atingere, deși termometrul arată doar o ușoară creștere a temperaturii. Fiziologia și efectele undelor ultrasonice puternice sunt, de asemenea, semnificative: celulele animale și vegetale și bacteriile mor în domeniul undelor ultrasonice, așa că s-a dovedit a fi posibilă sterilizarea laptelui în acest fel; Peștele a murit lângă emițătoarele lui Langevin. Poate că, odată cu dezvoltarea ulterioară, undele ultrasonice vor câștiga valoare terapeutică. Datorită lungimii de undă extrem de scurte din domeniul undelor ultrasonice, se observă difracția undelor luminoase, ca și în rețelele de difracție (Debye și Sears). Au fost construite interferometre pentru unde ultrasonice (Pierce), care au fost folosite pentru a determina viteza sunetului în gaze și lichide. Diverse aplicații ale vibrațiilor ultrasonice în tehnologieși aproape toate se bazează pe proprietățile rezonatoarelor de cuarț. Întrucât atenuarea în tijele oscilante de cuarț, plăcile și în special inelele este mult mai mică decât în ​​circuitele electrice, acestea din urmă sunt înlocuite cu primele în toate cazurile în care este necesară o rezonanță pronunțată. Așa că s-au răspândit stabilizatori de cuarț Pentru; proprietatea cuarțului de a străluci atunci când vibrează, deoarece pe el apar sarcini electrice, este folosită în indicatorii de undă (Giebe). Frecvența de oscilație dată de inelele de cuarț este atât de constantă încât Morrison le-a folosit pentru ceasurile electrice, care le depășeau în acuratețe pe toate cele cunoscute anterior, iar cuarțul este acum cel mai bun standard de frecvență.

Transmițătoare subacvatice de cuarț pentru vibrațiile ultrasonice sunt încă puțin răspândite, dar datorită frecvenței lor ridicate au două avantaje față de transmițătoarele electromagnetice subacvatice: au, în primul rând; directivitate mare, permițând concentrarea fasciculului de raze care emană din acestea într-un unghi solid îngust; în al doilea rând, au (cu un design bun, care nu a fost încă atins pe deplin) eficiență ridicată. În primul rând, au fost folosite ca instrumente pentru determinarea adâncimii în așa-numita. ecosondare. Fasciculul de sunet care emană de la emițător este îndreptat spre partea de jos; reflectat din el, revine la același emițător care îl primește; Unitatea de înregistrare înregistrează timpul de călătorie al sunetului de la transmițător la fund și înapoi, de unde se calculează adâncimea. Emițătoarele cu ultrasunete sunt folosite pentru telegrafie de la navă la navă, printre altele, și pentru submarine, pentru care comunicarea sonoră este aproape singura posibilă; în acest caz, transmițătorul cu ultrasunete este și un receptor. Au existat încercări de utilizare a razelor ultrasonice pentru a deschide submarine și munți de gheață (Boyle și Reid, 1926), pentru a ilumina defecte ale metalelor (S. Sokolov), dar nu s-au obținut încă rezultate suficient de fiabile pentru ca instalațiile corespunzătoare să fie puse în practică.

Metoda de detectare a defectelor cu ultrasunete a metalelor și a altor materiale a fost dezvoltată și implementată practic în Uniunea Sovietică în 1928-1930. prof. S. Ya. Sokolov.

Undele ultrasunete sunt vibrații elastice ale unui mediu material, a căror frecvență depășește audibilitatea în intervalul de la 20 kHz (unde de joasă frecvență) la 500 MHz (unde de înaltă frecvență).

Vibrațiile ultrasonice sunt longitudinale și transversale. Dacă particulele mediului se mișcă paralel cu direcția de propagare a undei, atunci o astfel de undă este longitudinală, dacă perpendiculară este transversală. Pentru găsirea defectelor la suduri se folosesc în principal unde transversale, îndreptate în unghi față de suprafața pieselor sudate.

Undele ultrasonice sunt capabile să pătrundă în mediile materiale la adâncimi mari, refractând și reflectând atunci când lovesc limita a două materiale cu permeabilitate sonoră diferită. Această capacitate a undelor ultrasonice este utilizată în detectarea cu ultrasunete a defectelor îmbinărilor sudate.

Vibrațiile ultrasonice se pot propaga într-o varietate de medii - aer, gaze, lemn, metal, lichide.

Viteza de propagare a undelor ultrasonice C este determinată de formula:

unde f este frecvența de oscilație, Hz; λ - lungimea de undă, cm.

Pentru a identifica defectele mici ale sudurilor, trebuie utilizate vibrații ultrasonice cu undă scurtă, deoarece o undă a cărei lungime este mai mare decât dimensiunea defectului poate să nu o detecteze.

Primirea undelor ultrasonice

Undele ultrasonice sunt produse prin metode mecanice, termice, magnetostrictive (Magnetostricția este o modificare a dimensiunii corpului în timpul magnetizării) și piezoelectrice (prefixul „piezo” înseamnă „a apăsa”).

Cea mai comună este cea din urmă metodă, bazată pe efectul piezoelectric al unor cristale (cuarț, sare Rochelle, titanat de bariu): dacă fețele opuse ale unei plăci tăiate dintr-un cristal sunt încărcate cu electricitate opusă cu o frecvență de peste 20.000 Hz, atunci placa va vibra în timp cu modificări ale semnelor sarcinilor, transmițând vibrații mecanice mediului înconjurător sub forma unei unde ultrasonice. Astfel, vibrațiile electrice sunt transformate în cele mecanice.

În diferite sisteme de detectoare cu ultrasunete de defecte, se folosesc generatoare de înaltă frecvență care stabilesc oscilații electrice de la sute de mii la câteva milioane de herți la plăci piezoelectrice.

Plăcile piezoelectrice pot servi nu numai ca emițători, ci și ca receptori de ultrasunete. În acest caz, sub influența undelor ultrasonice, pe marginile cristalelor receptor apar mici sarcini electrice, care sunt înregistrate de dispozitive speciale de amplificare.

Metode de identificare a defectelor cu ajutorul ultrasunetelor

Există în principiu două metode de detectare a defectelor cu ultrasunete: umbră și ecoul puls (metoda vibrațiilor reflectate.)

Orez. 41. Scheme de detectare ultrasonică a defectelor a - umbră; b - metoda ecou prin puls; 1 - sondă-emițător; 2 - parte în studiu; 3 - receptor sondă; 4 - defect

Cu metoda umbră (Fig. 41, a), undele ultrasonice care călătoresc prin sudură de la sursa de vibrații ultrasonice (emițător-sondă) atunci când întâlnesc un defect nu pătrund prin aceasta, deoarece limita defectului este limita a două medii diferite (metal - zgură sau metal - gaz). În spatele defectului, se formează o zonă a așa-numitei „umbre sonore”. Intensitatea vibrațiilor ultrasonice primite de sonda receptorului scade brusc, iar o modificare a mărimii impulsurilor de pe ecranul tubului catodic al detectorului de defecte indică prezența defectelor. Această metodă are o utilizare limitată, deoarece este necesar accesul bilateral la sutură, iar în unele cazuri este necesară îndepărtarea întăririi suturii.

Cu metoda puls-ecou (Fig. 41.6), sonda emițător trimite impulsuri de unde ultrasonice prin cordonul de sudură, care, atunci când întâlnesc un defect, sunt reflectate din aceasta și captate de sonda receptor. Aceste impulsuri sunt înregistrate pe ecranul tubului catodic al detectorului de defecte sub formă de vârfuri care indică prezența unui defect. Măsurând timpul din momentul trimiterii pulsului până la recepționarea semnalului de întoarcere, se poate determina adâncimea defectelor. Principalul avantaj al acestei metode este că testarea poate fi efectuată cu acces unilateral la sudură fără îndepărtarea armăturii sau preprocesarea cusăturii. Această metodă este cea mai utilizată în detectarea cu ultrasunete a defectelor sudurilor.

Ecografie

Ecografie- vibratii elastice cu o frecventa peste limita de audibilitate la om. De obicei, domeniul ultrasonic este considerat a fi frecvențe de peste 18.000 herți.

Deși existența ultrasunetelor este cunoscută de mult timp, utilizarea sa practică este destul de tânără. În zilele noastre, ultrasunetele sunt utilizate pe scară largă în diverse metode fizice și tehnologice. Astfel, viteza de propagare a sunetului într-un mediu este utilizată pentru a aprecia caracteristicile sale fizice. Măsurătorile vitezei la frecvențe ultrasonice fac posibilă determinarea, de exemplu, a caracteristicilor adiabatice ale proceselor rapide, a capacității termice specifice a gazelor și a constantelor elastice ale solidelor cu erori foarte mici.

Surse de ultrasunete

Frecvența vibrațiilor ultrasonice utilizate în industrie și biologie se află în intervalul de ordinul a câțiva MHz. Astfel de vibrații sunt create de obicei folosind traductoare piezoceramice din titanit de bariu. În cazurile în care puterea vibrațiilor ultrasonice este de importanță primordială, se folosesc de obicei surse de ultrasunete mecanice. Inițial, toate undele ultrasonice au fost recepționate mecanic (diapazon, fluiere, sirene).

În natură, ultrasunetele se găsesc atât ca componente ale multor zgomote naturale (în zgomotul vântului, al cascadei, al ploii, în zgomotul pietricelelor rostogolite de fluviul mării, în sunetele care însoțesc descărcările de furtună etc.), cât și printre sunete. a lumii animale. Unele animale folosesc unde ultrasonice pentru a detecta obstacolele și pentru a naviga în spațiu.

Emițătorii de ultrasunete pot fi împărțiți în două grupuri mari. Primul include emițători-generatori; oscilațiile din ele sunt excitate din cauza prezenței obstacolelor pe calea unui flux constant - un curent de gaz sau lichid. Al doilea grup de emițători sunt traductoarele electroacustice; ele convertesc fluctuațiile date deja ale tensiunii sau curentului electric în vibrații mecanice ale unui corp solid, care emite unde acustice în mediu.

fluierul lui Galton

Primul fluier cu ultrasunete a fost realizat în 1883 de englezul Galton. Ultrasunetele sunt create similar cu sunetul ascuțit de pe marginea unui cuțit atunci când un flux de aer îl lovește. Rolul unui astfel de vârf într-un fluier Galton este jucat de o „buză” într-o cavitate rezonantă cilindrică mică. Gazul forțat sub presiune înaltă printr-un cilindru gol lovește această „buză”; apar oscilații, a căror frecvență (este de aproximativ 170 kHz) este determinată de dimensiunea duzei și a buzei. Puterea fluierului lui Galton este scăzută. Este folosit în principal pentru a da comenzi atunci când dresează câini și pisici.

Fluier cu ultrasunete lichid

Majoritatea fluierelor cu ultrasunete pot fi adaptate pentru a funcționa în medii lichide. În comparație cu sursele de ultrasunete electrice, fluierele cu ultrasunete lichide au o putere redusă, dar uneori, de exemplu, pentru omogenizarea cu ultrasunete, au un avantaj semnificativ. Deoarece undele ultrasonice apar direct într-un mediu lichid, nu există pierderi de energie de la undele ultrasonice atunci când se deplasează de la un mediu la altul. Poate cel mai de succes design este fluierul cu ultrasunete lichid realizat de oamenii de știință englezi Cottel și Goodman la începutul anilor 50 ai secolului XX. În ea, un flux de lichid de înaltă presiune iese dintr-o duză eliptică și este direcționat pe o placă de oțel. Diverse modificări ale acestui design au devenit destul de răspândite pentru a obține medii omogene. Datorită simplității și stabilității designului lor (doar placa oscilantă este distrusă), astfel de sisteme sunt durabile și ieftine.

Sirenă

Un alt tip de sursă mecanică de ultrasunete este sirena. Are o putere relativ mare și este folosit în vehiculele de poliție și pompieri. Toate sirenele rotative constau dintr-o cameră închisă deasupra de un disc (stator) în care sunt făcute un număr mare de găuri. Există același număr de găuri pe discul care se rotește în interiorul camerei - rotorul. Pe măsură ce rotorul se rotește, poziția găurilor din acesta coincide periodic cu poziția găurilor de pe stator. Aer comprimat este alimentat continuu in camera, care iese din aceasta in acele momente scurte in care gaurile de pe rotor si stator coincid.

Sarcina principală în fabricarea sirenelor este, în primul rând, de a face cât mai multe găuri posibil în rotor și, în al doilea rând, de a obține o viteză mare de rotație. Cu toate acestea, în practică, este foarte dificil să îndepliniți ambele cerințe.

Ultrasunetele în natură

Aplicații cu ultrasunete

Aplicații diagnostice ale ultrasunetelor în medicină (ultrasunete)

Datorită bunei propagări a ultrasunetelor în țesuturile moi umane, relativă inofensivă în comparație cu razele X și ușurința de utilizare în comparație cu imagistica prin rezonanță magnetică, ultrasunetele sunt utilizate pe scară largă pentru a vizualiza starea organelor interne umane, în special în cavitatea abdominală și pelviană. .

Aplicații terapeutice ale ultrasunetelor în medicină

Pe lângă utilizarea pe scară largă în scopuri de diagnostic (vezi Ultrasunete), ultrasunetele sunt folosite în medicină ca agent terapeutic.

Ecografia are următoarele efecte:

• antiinflamator, absorbant
• analgezic, antispastic
• cavitația crește permeabilitatea pielii

Fonoforeza este o metodă combinată în care țesutul este expus la ultrasunete și substanțe medicinale introduse cu ajutorul acesteia (atât medicamentele, cât și de origine naturală). Conducerea substanțelor sub influența ultrasunetelor se datorează creșterii permeabilității epidermei și glandelor pielii, membranelor celulare și pereților vaselor pentru substanțe cu greutate moleculară mică, în special ionii minerali bischofit. Comoditatea ultrafonoforezei medicamentelor și substanțelor naturale:

• substanta terapeutica nu este distrusa la administrarea ecografica
• sinergismul dintre ultrasunete și substanțele medicamentoase

Indicații pentru fonoforeza bischofit: osteoartrita, osteocondroza, artrita, bursita, epicondilita, pinten calcanear, afectiuni dupa leziuni ale sistemului musculo-scheletic; Nevrite, neuropatii, radiculite, nevralgii, leziuni ale nervilor.

Se aplică gel de bischofite și se efectuează un micro-masaj al zonei de tratament folosind suprafața de lucru a emițătorului. Tehnica este labilă, uzuală pentru ultrafonoforeză (cu UVF a articulațiilor și coloanei vertebrale, intensitatea în regiunea cervicală este de 0,2-0,4 W/cm2, în regiunea toracică și lombară - 0,4-0,6 W/cm2).

Tăierea metalului cu ultrasunete

La mașinile convenționale de tăiat metal, este imposibil să găuriți o gaură îngustă de formă complexă, de exemplu, sub forma unei stele cu cinci colțuri, într-o piesă metalică. Cu ajutorul ultrasunetelor acest lucru este posibil; un vibrator magnetostrictiv poate găuri o gaură de orice formă. O daltă cu ultrasunete înlocuiește complet o mașină de frezat. Mai mult, o astfel de daltă este mult mai simplă decât o mașină de frezat și prelucrarea pieselor metalice cu ea este mai ieftină și mai rapidă decât cu o mașină de frezat.

Ultrasunetele pot fi folosite chiar și pentru a face tăieturi cu șuruburi în piese metalice, sticlă, rubin și diamant. De obicei, firul este mai întâi realizat din metal moale, iar apoi piesa este călită. La o mașină cu ultrasunete, firele pot fi realizate din metal deja călit și din cele mai dure aliaje. La fel este și cu timbrele. De obicei ștampila se întărește după ce a fost finisată cu grijă. Pe o mașină cu ultrasunete, cea mai complexă prelucrare este efectuată cu abraziv (smirghel, pulbere de corindon) în câmpul undei ultrasonice. Oscilând continuu în câmpul ultrasunetelor, particulele de pulbere solidă tăiate în aliajul fiind prelucrate și decupează o gaură de aceeași formă ca dalta.

Prepararea amestecurilor cu ajutorul ultrasunetelor

Ultrasunetele sunt utilizate pe scară largă pentru a prepara amestecuri omogene (omogenizare). În 1927, oamenii de știință americani Leamus și Wood au descoperit că, dacă două lichide nemiscibile (de exemplu, ulei și apă) sunt turnate într-un pahar și iradiate cu ultrasunete, în pahar se formează o emulsie, adică o suspensie fină de ulei în pahar. apă. Astfel de emulsii joacă un rol important în industrie: lacuri, vopsele, produse farmaceutice, cosmetice.

Aplicarea ultrasunetelor în biologie

Capacitatea ultrasunetelor de a rupe membranele celulare și-a găsit aplicație în cercetarea biologică, de exemplu, atunci când este necesară separarea unei celule de enzime. Ultrasunetele sunt, de asemenea, folosite pentru a perturba structuri intracelulare, cum ar fi mitocondriile și cloroplastele, pentru a studia relația dintre structura și funcția lor. O altă utilizare a ultrasunetelor în biologie se referă la capacitatea sa de a induce mutații. Cercetările efectuate la Oxford au arătat că chiar și ultrasunetele de intensitate scăzută pot deteriora molecula de ADN. Crearea artificială, direcționată, de mutații joacă un rol important în ameliorarea plantelor. Principalul avantaj al ultrasunetelor față de alți mutageni (raze X, raze ultraviolete) este că este extrem de ușor de lucrat.

Utilizarea ultrasunetelor pentru curățare

Utilizarea ultrasunetelor pentru curățarea mecanică se bazează pe apariția diferitelor efecte neliniare în lichidul sub influența acestuia. Acestea includ cavitația, fluxurile acustice și presiunea sonoră. Cavitația joacă rolul principal. Bulele sale, care apar și se prăbușesc în apropierea contaminanților, le distrug. Acest efect este cunoscut ca eroziunea prin cavitație. Ultrasunetele folosite in aceste scopuri au frecvente joase si putere crescuta.

În condiții de laborator și de producție, băile cu ultrasunete umplute cu un solvent (apă, alcool etc.) sunt folosite pentru spălarea pieselor mici și a vaselor. Uneori, cu ajutorul lor, chiar și legumele rădăcinoase (cartofi, morcovi, sfeclă etc.) sunt spălate de particulele de sol.

Aplicarea ultrasunetelor în măsurarea debitului

Începând cu anii 60 ai secolului trecut, debitmetrele cu ultrasunete au fost folosite în industrie pentru a controla debitul și a contabiliza apa și lichidul de răcire.

Aplicarea ultrasunetelor în detectarea defectelor

Ultrasunetele se propagă bine în unele materiale, ceea ce face posibilă utilizarea acestuia pentru detectarea cu ultrasunete a defectelor produselor fabricate din aceste materiale. Recent, s-a dezvoltat direcția microscopiei cu ultrasunete, făcând posibilă studierea stratului subteran al unui material cu rezoluție bună.

Sudarea cu ultrasunete

Sudarea cu ultrasunete este sudarea sub presiune efectuată sub influența vibrațiilor ultrasonice. Acest tip de sudare este utilizat pentru conectarea pieselor greu de încălzit sau la conectarea unor metale diferite sau metale cu pelicule puternice de oxid (aluminiu, oțeluri inoxidabile, miezuri magnetice din permalloy etc.). Sudarea cu ultrasunete este utilizată în producția de circuite integrate.

Aplicarea ultrasunetelor în galvanizare

Ultrasunetele sunt folosite pentru a intensifica procesele galvanice și pentru a îmbunătăți calitatea acoperirilor produse prin metode electrochimice.

Ecografia…………………………………………………………………………………………….4

Ultrasunetele sub formă de unde elastice……………………………………………..4

Caracteristici specifice ale ultrasunetelor……………………………..5

Sursele și receptorii de ultrasunete……………………………………..7

Emițători mecanici……………………………………………………...7

Traductoare electroacustice…………………………….9

Receptoare cu ultrasunete……………………………………………………………………..11

Aplicarea ultrasunetelor…………………………………………………………………….11

Curăţare cu ultrasunete……………………………………………………….11

Prelucrare mecanică a ultra-dure și fragile

materiale…………………………………………………………13

Sudarea cu ultrasunete…………………………………………………….14

Lipirea și cositorirea cu ultrasunete…………………………………14

Accelerarea proceselor de producție……..…………15

Detectarea cu ultrasunete a defectelor…………………………..…………15

Ultrasunetele în radio-electronica……………..…………………17

Ecografia în medicină……………………………………………………..18

Literatură……………………………………………………………..……………….19

Secolul XXI este secolul atomului, al explorării spațiului, al electronicii radio și al ultrasunetelor. Știința ultrasunetelor este relativ tânără. Prima lucrare de laborator privind cercetarea cu ultrasunete a fost realizată de marele fizician rus P. N. Lebedev la sfârșitul secolului al XIX-lea, iar apoi mulți oameni de știință de seamă au studiat ultrasunetele.

Ultrasunetele este o mișcare oscilativă care se propagă sub formă de undă a particulelor într-un mediu. Ecografia are unele caracteristici în comparație cu sunetele din domeniul audibil. În domeniul ultrasonic este relativ ușor să obțineți radiații direcționate; se pretează bine la focalizare, drept urmare intensitatea vibrațiilor ultrasonice crește. Atunci când se propagă în gaze, lichide și solide, ultrasunetele dă naștere unor fenomene interesante, multe dintre ele și-au găsit aplicații practice în diverse domenii ale științei și tehnologiei.

În ultimii ani, ultrasunetele au început să joace un rol din ce în ce mai important în cercetarea științifică. Studii teoretice și experimentale au fost realizate cu succes în domeniul cavitației ultrasonice și al fluxurilor acustice, ceea ce a făcut posibilă dezvoltarea unor noi procese tehnologice care apar sub influența ultrasunetelor în fază lichidă. În prezent, se formează o nouă direcție a chimiei - chimia ultrasonică, care face posibilă accelerarea multor procese chimice și tehnologice. Cercetările științifice au contribuit la apariția unei noi ramuri a acusticii - acustica moleculară, care studiază interacțiunea moleculară a undelor sonore cu materia. Au apărut noi domenii de aplicare a ultrasunetelor: introscopia, holografia, acustica cuantică, măsurarea fazelor ultrasonice, acustoelectronica.

Alături de cercetările teoretice și experimentale în domeniul ultrasunetelor s-au realizat numeroase lucrări practice. Au fost dezvoltate mașini cu ultrasunete universale și speciale, instalații care funcționează sub presiune statică crescută, instalații mecanizate cu ultrasunete pentru curățarea pieselor, generatoare cu frecvență crescută și un nou sistem de răcire și convertoare cu câmp uniform distribuit. Au fost create și introduse în producție unități automate cu ultrasunete, care sunt incluse în liniile de producție, permițând creșterea semnificativă a productivității muncii.

Ultrasunetele (US) sunt vibrații elastice și unde a căror frecvență depășește 15-20 kHz. Limita inferioară a regiunii de frecvență ultrasonică, care o separă de regiunea sunetului audibil, este determinată de proprietățile subiective ale auzului uman și este condiționată, deoarece limita superioară a percepției auditive este diferită pentru fiecare persoană. Limita superioară a frecvenţelor ultrasonice este determinată de natura fizică a undelor elastice, care se pot propaga numai într-un mediu material, adică. cu condiția ca lungimea de undă să fie semnificativ mai mare decât calea liberă medie a moleculelor într-un gaz sau distanțe interatomice în lichide și solide. În gaze la presiune normală, limita superioară a frecvenţelor ultrasonice este » 10 9 Hz, în lichide şi solide frecvenţa limită ajunge la 10 12 -10 13 Hz. În funcție de lungimea de undă și de frecvență, ultrasunetele au diverse caracteristici specifice de radiație, recepție, propagare și aplicare, prin urmare regiunea frecvențelor ultrasunetelor este împărțită în trei regiuni:

· frecvenţe ultrasunete joase (1,5×10 4 – 10 5 Hz);

· medie (10 5 – 10 7 Hz);

· ridicat (10 7 – 10 9 Hz).

Undele elastice cu frecvențe de 10 9 – 10 13 Hz sunt denumite în mod obișnuit hipersunete.

Ultrasunetele ca unde elastice.

Undele ultrasunete (sunet inaudibil) prin natura lor nu diferă de undele elastice din domeniul audibil. Se distribuie numai în gaze și lichide longitudinal unde și în solide - longitudinală și de forfecare s.

Propagarea ultrasunetelor se supune legilor de bază comune undelor acustice din orice domeniu de frecvență. Legile de bază ale propagarii includ legile reflexiei sunetului și refracției sunetului la granițele diferitelor medii, difracția sunetului și împrăștierea sunetuluiîn prezența obstacolelor și a neomogenităților în mediu și a neregulilor la granițe, legile propagării ghidului de undăîn zone limitate ale mediului. Un rol semnificativ îl joacă relația dintre lungimea de undă a sunetului l și dimensiunea geometrică D - dimensiunea sursei de sunet sau a obstacolului în calea undei, dimensiunea neomogenităților mediului. Când D>>l, propagarea sunetului în apropierea obstacolelor are loc în principal conform legilor acusticii geometrice (se pot folosi legile reflexiei și refracției). Gradul de abatere de la modelul geometric de propagare și necesitatea de a lua în considerare fenomenele de difracție sunt determinate de parametru

Viteza de propagare a undelor ultrasonice într-un mediu nelimitat este determinată de caracteristicile de elasticitate și densitatea mediului. În mediile restrânse, viteza de propagare a undelor este afectată de prezența și natura limitelor, ceea ce duce la o dependență de frecvență a vitezei (dispersia vitezei sunetului). O scădere a amplitudinii și intensității unei unde ultrasonice pe măsură ce se propagă într-o direcție dată, adică atenuarea sunetului, este cauzată, ca și în cazul undelor de orice frecvență, de divergența frontului de undă cu distanța de la sursă, împrăștiere și absorbția sunetului. La toate frecvențele atât din domeniul audibil, cât și din cel inaudibil, are loc așa-numita absorbție „clasică”, cauzată de vâscozitatea de forfecare (frecare internă) a mediului. În plus, există o absorbție suplimentară (de relaxare), care adesea depășește semnificativ absorbția „clasică”.

Cu intensitatea semnificativă a undelor sonore, apar efecte neliniare:

· se încalcă principiul suprapunerii și are loc interacțiunea undelor, ducând la apariția tonurilor;

· forma undei se modifică, spectrul acesteia este îmbogățit cu armonici mai mari și absorbția crește în consecință;

· când în lichid se atinge o anumită valoare prag a intensității ultrasunetelor, apare cavitația (vezi mai jos).

Criteriul de aplicabilitate a legilor acusticii liniare și posibilitatea neglijării efectelor neliniare este: M<< 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Parametrul M se numește „numărul Mach”.

Deși natura fizică a ultrasunetelor și legile de bază care determină propagarea acestuia sunt aceleași ca și pentru undele sonore din orice domeniu de frecvență, acesta are o serie de caracteristici specifice. Aceste caracteristici se datorează frecvențelor ultrasunetelor relativ ridicate.

Micimea lungimii de unda determina caracter radial propagarea undelor ultrasonice. În apropierea emițătorului, undele se propagă sub formă de fascicule, a căror dimensiune transversală rămâne apropiată de dimensiunea emițătorului. Atunci când un astfel de fascicul (rascicul cu ultrasunete) lovește obstacole mari, experimentează reflexie și refracție. Când fasciculul lovește obstacole mici, apare o undă împrăștiată, ceea ce face posibilă detectarea unor mici neomogenități în mediu (de ordinul zecimii și sutimii de mm). Reflectarea și împrăștierea ultrasunetelor pe neomogenitățile mediului fac posibilă formarea în medii optic opace imagini sonore obiecte care folosesc sisteme de focalizare a sunetului, similar cu ceea ce se face cu ajutorul razelor de lumină.

Focalizarea cu ultrasunete permite nu numai obținerea de imagini sonore (sisteme de viziune sonoră și holografie acustică), ci și concentrat energie sonoră. Folosind sisteme de focalizare cu ultrasunete, este posibil să se formeze specificate caracteristici de directivitate emițători și controlați-i.

O modificare periodică a indicelui de refracție al undelor luminoase asociată cu o schimbare a densității într-o undă ultrasonică provoacă difracția luminii prin ultrasunete, observat la frecvențe ultrasonice în intervalul megaherți-gigaherți. În acest caz, unda ultrasonică poate fi considerată ca o rețea de difracție.

Cel mai important efect neliniar în câmpul ultrasonic este cavitație– apariția într-un lichid a unei mase de bule pulsatoare umplute cu abur, gaz sau un amestec al acestora. Mișcarea complexă a bulelor, prăbușirea lor, fuzionarea între ele etc. generează impulsuri de compresie (unde de microșoc) și microfluxuri în lichid, determinând încălzirea locală a mediului și ionizare. Aceste efecte au un impact asupra substanței: are loc distrugerea solidelor din lichid ( eroziunea prin cavitație), are loc amestecarea lichidului, sunt inițiate sau accelerate diferite procese fizice și chimice. Prin modificarea condițiilor de cavitație, este posibilă întărirea sau slăbirea diferitelor efecte de cavitație, de exemplu, cu creșterea frecvenței ultrasonice, rolul microfluxurilor crește și eroziunea cavitației scade; odată cu creșterea presiunii în lichid, rolul influențelor microimpactului crește. O creștere a frecvenței duce la o creștere a valorii intensității pragului corespunzătoare apariției cavitației, care depinde de tipul de lichid, conținutul său de gaz, temperatură etc. Pentru apa la presiunea atmosferică este de obicei 0,3-1,0 W/cm 2 . Cavitația este un set complex de fenomene. Undele ultrasonice care se propagă într-un lichid formează zone alternând de presiuni înalte și joase, creând zone de compresie ridicată și zone de rarefacție. Într-o zonă rarefiată, presiunea hidrostatică scade în așa măsură încât forțele care acționează asupra moleculelor lichidului devin mai mari decât forțele de coeziune intermoleculară. Ca urmare a unei schimbări bruște a echilibrului hidrostatic, lichidul „explodează”, formând numeroase bule minuscule de gaze și vapori. În momentul următor, când are loc o perioadă de presiune ridicată în lichid, bulele formate anterior se prăbușesc. Procesul de colaps al bulelor este însoțit de formarea undelor de șoc cu presiune locală instantanee foarte mare, atingând câteva sute de atmosfere.