Gama tejzanor. Aplikacionet e ultrazërit

Frekuencat prej 16 Hz-20 kHz, të cilat aparati i dëgjimit njerëzor mund t'i perceptojë, zakonisht quhen tinguj ose akustikë, për shembull, kërcitja e një mushkonja "10 kHz". Por ajri, thellësitë e deteve dhe zorrët e tokës janë të mbushura me tinguj që shtrihen jashtë këtij diapazoni - infra dhe ultratinguj. Në natyrë, ekografia gjendet si përbërës i shumë zhurmave natyrore, në zhurmën e erës, ujëvarave, shiut, guralecave të detit të rrokullisur nga surfimi dhe në shkarkimet e vetëtimës. Shumë gjitarë, si macet dhe qentë, kanë aftësinë për të perceptuar ultratinguj me një frekuencë deri në 100 kHz, dhe aftësitë e vendndodhjes së lakuriqëve të natës, insekteve të natës dhe kafshëve detare janë të njohura për të gjithë. Ekzistenca e tingujve të tillë u zbulua me zhvillimin e akustikës vetëm në fund të shekullit të 19-të. Në të njëjtën kohë, filluan studimet e para të ultrazërit, por themelet e aplikimit të tij u hodhën vetëm në të tretën e parë të shekullit të 20-të.

Çfarë është ultratingulli

Valët tejzanor (tingulli i padëgjueshëm) për nga natyra e tyre nuk ndryshojnë nga valët në diapazonin e dëgjimit dhe u binden të njëjtave ligje fizike. Por ekografia ka veçori specifike që kanë përcaktuar përdorimin e tij të gjerë në shkencë dhe teknologji.

Këtu janë ato kryesore:

• Gjatesia valore e shkurter. Për intervalin më të ulët tejzanor, gjatësia e valës nuk i kalon disa centimetra në shumicën e mediave. Gjatësia e shkurtër e valës përcakton natyrën e rrezeve të përhapjes së valëve tejzanor. Pranë emetuesit, ultratingulli përhapet në formën e rrezeve, të ngjashme në madhësi me madhësinë e emetuesit. Kur godet johomogjenitetet në medium, rrezja tejzanor sillet si një rreze drite që përjeton reflektim, përthyerje dhe shpërndarje, gjë që bën të mundur formimin e imazheve të zërit në media optikisht të errët duke përdorur efekte thjesht optike (përqendrimi, difraksioni, etj.)
• Një periudhë e shkurtër lëkundjeje, e cila bën të mundur emetimin e ultrazërit në formën e pulseve dhe kryerjen e përzgjedhjes së saktë kohore të sinjaleve të përhapjes në medium.
• Mundësia e marrjes së vlerave të larta të intensitetit të lëkundjeve në amplitudë të ulët, sepse energjia e vibrimit është proporcionale me katrorin e frekuencës. Kjo bën të mundur krijimin e rrezeve tejzanor dhe fushave me një nivel të lartë energjie, pa kërkuar pajisje me përmasa të mëdha.
• Rryma të rëndësishme akustike zhvillohen në fushën tejzanor, kështu që efekti i ultrazërit në mjedis shkakton efekte specifike fizike, kimike, biologjike dhe mjekësore, të tilla si kavitacioni, efekti kapilar, dispersioni, emulsifikimi, degazimi, dezinfektimi, ngrohja lokale dhe shumë të tjera. .

Historia e ultrazërit

Vëmendja ndaj akustikës u shkaktua nga nevojat e marinës së fuqive kryesore - Anglisë dhe Francës, sepse. akustik është i vetmi lloj sinjali që mund të udhëtojë larg në ujë. Në 1826, shkencëtari francez Colladon përcaktoi shpejtësinë e zërit në ujë. Eksperimenti i Colladon konsiderohet si lindja e hidroakustikës moderne. Këmbana nënujore në liqenin e Gjenevës u godit me ndezjen e njëkohshme të barutit. Blici nga baruti u vëzhgua nga Colladon në një distancë prej 10 miljesh. Ai gjithashtu dëgjoi zhurmën e ziles duke përdorur një tub dëgjimi nënujor. Duke matur intervalin kohor midis këtyre dy ngjarjeve, Colladon llogariti shpejtësinë e zërit të jetë 1435 m/sek. Dallimi me llogaritjet moderne është vetëm 3 m/sek.

Në vitin 1838, në SHBA, tingulli u përdor për herë të parë për të përcaktuar profilin e shtratit të detit. Burimi i tingullit, si në eksperimentin e Colladon-it, ishte një zile që tingëllonte nën ujë dhe marrësi ishin tuba të mëdhenj dëgjimi të ulur në det. Rezultatet e eksperimentit ishin zhgënjyese - zhurma e ziles, si dhe shpërthimi i fishekëve të barutit në ujë, dhanë një jehonë shumë të dobët, pothuajse të padëgjueshme midis tingujve të tjerë të detit. Ishte e nevojshme të shkohej në rajonin e frekuencave më të larta, duke lejuar krijimin e rrezeve të drejtuara të zërit.

Gjeneratori i parë i ultrazërit u bë në 1883 nga anglezi Galton. Ultratingulli u krijua i ngjashëm me tingullin me zë të lartë në buzën e një thike kur një rrymë ajri e godet atë. Roli i një maje të tillë në bilbilin e Galtonit luhej nga një cilindër me skaje të mprehta. Ajri (ose gaz tjetër), që dilte nën presion përmes një gryke unazore me një diametër të njëjtë me skajin e cilindrit, hyri në të dhe u shfaqën dridhje me frekuencë të lartë. Duke i fryrë bilbilit me hidrogjen, u bë e mundur të merreshin lëkundje deri në 170 kHz.

Në 1880, Pierre dhe Jacques Curie bënë një zbulim vendimtar për teknologjinë e ultrazërit. Vëllezërit Curie vunë re se kur u bë presion mbi kristalet e kuarcit, u krijua një ngarkesë elektrike që ishte drejtpërdrejt proporcionale me forcën e aplikuar ndaj kristalit. Ky fenomen u quajt "piezoelektricitet" nga fjala greke që do të thotë "shtypje". Ata demonstruan gjithashtu efektin piezoelektrik të anasjelltë, i cili ndodhi kur një potencial elektrik që ndryshonte me shpejtësi u aplikua në kristal, duke bërë që ai të vibronte. Tani e tutje, është teknikisht e mundur të prodhohen emetues dhe marrës të ultrazërit me përmasa të vogla.

Vdekja e Titanikut nga një përplasje me një ajsberg dhe nevoja për të luftuar armët e reja - nëndetëset - kërkonin zhvillimin e shpejtë të hidroakustikës tejzanor. Në vitin 1914, fizikani francez Paul Langevin, së bashku me një shkencëtar rus që jetonte në Zvicër, Konstantin Shilovsky, së pari zhvilluan një hidrolokator të përbërë nga një emetues ultratinguj dhe një hidrofon - një marrës i dridhjeve tejzanor, bazuar në efektin piezoelektrik. Sonar Langevin-Shilovsky ishte pajisja e parë ultrasonike e përdorur në praktikë. Gjithashtu në fillim të shekullit, shkencëtari rus S.Ya Sokolov zhvilloi bazat e zbulimit të defekteve tejzanor në industri. Në vitin 1937, psikiatri gjerman Karl Dussick, së bashku me vëllain e tij Friedrich, një fizikant, për herë të parë përdorën ultratinguj për të zbuluar tumoret e trurit, por rezultatet që ata morën rezultuan të pabesueshme. Në diagnostikimin mjekësor, ultratingulli filloi të përdoret vetëm në vitet 50 të shekullit të 20-të në SHBA.

Aplikacionet e ultrazërit

Aplikimet e ndryshme të ultrazërit mund të ndahen në tre fusha:

1. marrjen e informacionit me anë të ultrazërit
2. ndikim në një substancë, qenie
3. përpunimi dhe transmetimi i sinjalit

Varësia e shpejtësisë së përhapjes dhe dobësimit të valëve akustike nga vetitë e materies dhe proceset që ndodhin në to përdoret për:

• kontrolli i reaksioneve kimike, kalimet fazore, polimerizimi etj.
• përcaktimi i karakteristikave të forcës dhe përbërjes së materialeve,
• përcaktimi i pranisë së papastërtive,
• përcaktimi i shpejtësisë së rrjedhjes së lëngut dhe gazit

Me ndihmën e ultrazërit mund të lani rrobat, të zmbrapsni brejtësit, t'i përdorni në mjekësi, të kontrolloni materiale të ndryshme për defekte dhe shumë gjëra më interesante.

VIBRACIONET ULTRASONIKE, dridhje që kanë një frekuencë kaq të lartë saqë tingujt prej tyre nuk perceptohen nga veshi. Frekuencat e dridhjeve tejzanor fillojnë nga 15000-20000 Hz. Ekzistenca e dridhjeve ultrasonike është e njohur për një kohë të gjatë dhe pas shfaqjes në 1883 të bilbilit të Galtonit, i cili prodhonte tinguj të padëgjueshëm, demonstrimi i tyre u bë pjesë e praktikës mësimore. Sidoqoftë, deri vonë, dridhjet tejzanor nuk kishin ndonjë rëndësi praktike, pasi nuk kishte burime mjaft të fuqishme të dridhjeve tejzanor. Fillimi i ringjalljes së kërkimeve për dridhjet tejzanor duhet të konsiderohet 1917-1919, kur Langevin në Paris arriti të përdorë kuarcin për të prodhuar valë të fuqishme tejzanor në ujë. Në veçanti, kërkimet mbi dridhjet tejzanor u ringjallën pas punës së Cady, e cila filloi në 1922; kjo ringjallje vazhdon edhe sot e kësaj dite.

Metodat për prodhimin e dridhjeve tejzanor shumë të ndryshme; Pothuajse të gjitha metodat për prodhimin e dridhjeve janë gjithashtu të përshtatshme për dridhjet tejzanor. Tingujt jo shumë të fuqishëm prodhohen më lehtë nga një bilbil Galton (Fig. 1), i cili është një rezonator ajri, frekuenca natyrore e të cilit mund të ndryshojë nga 10,000 në 30,000 Hz dhe një rrymë ajri drejtohet kundër vrimës. Fuqia e një bilbili të tillë është e vogël dhe në të gjitha metodat e përshkruara më poshtë, burimi i energjisë së frekuencës tejzanor është një rrymë elektrike alternative, zakonisht e marrë nga qarqet elektrike vetëlëkundëse me një tub elektronik; përjashtimi i vetëm është harku i këndimit, me të cilin Neklepaev në 1911 mori dridhje tejzanor dhe valë me frekuenca deri në 3,500,000 Hz, që korrespondon me një gjatësi vale prej rreth 0,1 mm. Valët u morën në ajër dhe rezultoi se ky i fundit i thith shumë fort. Burimi i parë i fuqishëm i dridhjeve tejzanor ishte një transmetues piezoelektrik Langevin i krijuar për punë në ujë. Pjesa kryesore e transmetuesit Langevin është një pllakë kuarci Q (Fig. 2), e prerë pingul me boshtin elektrik dhe e pajisur me pllaka A, A të ngjitura fort në të. Nëse atyre u jepet një rrymë alternative, atëherë për shkak të piezoelektrike efekt, pllaka kuarci zgjerohet dhe tkurret me një frekuencë të barabartë me rrymën alternative të frekuencës. Me një zgjedhje të përshtatshme të frekuencës, kur dridhjet natyrore të transmetuesit janë në rezonancë me rrymën, ato bëhen shumë të fuqishme dhe lëshojnë energji të madhe tejzanor. Në transmetuesin nënujor Langevin, vetëm njëra pllakë A është në kontakt me ujin, ndërsa tjetra është e mbyllur në strehën e treguar në Fig. 2 vijë skematike me pika. Transmetues të tillë zakonisht ndërtohen në frekuenca rreth 30,000-40,000 Hz.

Wood dhe Lumis përdorën për eksperimentet e tyre pllaka me veshje shumë të hollë, të cilat praktikisht nuk kishin asnjë efekt në frekuencën natyrore të pllakës. Meqenëse trashësia totale e transmetuesit ishte shumë më e vogël, frekuenca e dridhjeve tejzanor ishte shumë më e lartë, përkatësisht rreth 5·10 5 Hz. Myasnikov arriti të arrijë frekuencat prej 10 6 -10 7 Hz; Në të dyja rastet, transmetuesit u vendosën në një banjë vaji, ku përhapeshin valët ultrasonike. Ka përpjekje të suksesshme për të marrë dridhje tejzanor me fuqi të mjaftueshme duke përdorur dridhje magnetostrictive. Gaines mori ultratinguj shumë të fortë duke nxitur lëkundjet magnetostrictive në një tub nikeli, pjesa e poshtme e të cilit, e vendosur në ajër, i nënshtrohej një fushe magnetike alternative, dhe pjesa e sipërme, e vendosur në lëng, lëshonte tingull. Një shkëndijë elektrike prodhon gjithashtu rezultate të pakënaqshme. Aktualisht, metoda më e mirë praktike për prodhimin e transmetuesve tejzanor me fuqi të lartë është metoda Langevin. Eksperimentet për prodhimin e valëve ultrasonike në ajër duke përdorur të njëjtën metodë kanë treguar se ndikimi i transmetuesve të këtij lloji në ajër është shumë i parëndësishëm.

Përhapja e valëve tejzanor në gazra dhe lëngje në përgjithësi, i bindet të njëjtave ligje si valët e zakonshme të zërit, por ka disa veçori. Valët tejzanor në ajër dhe gazra absorbohen në mënyrë shumë të konsiderueshme, dhe sa më e lartë të jetë frekuenca e valëve tejzanor, aq më fort ato absorbohen. Më e shkurtra prej tyre, e studiuar nga Neklepaev, dobësohet 100 herë, pasi ka kaluar tashmë 6 mm. Valët 8 herë më të gjata zbuten me të njëjtën sasi pasi udhëtojnë 40 cm, etj. Përveç kësaj, vërehet një shpërndarje e valëve ultrasonike. Në fuqitë e larta të transmetuesve tejzanor, përveç rrezatimit tejzanor, prej tyre vjen një "erë", e zbuluar për herë të parë nga Meissner në pllaka kuarci, e cila vërehet edhe në transmetuesit nënujorë. Nëse, si në eksperimentet e Wood dhe Lumis, valët tejzanor bien në kufirin e dy mediave (në eksperimentet e tyre vaj - ajër dhe vaj - ujë), atëherë sipërfaqja e kontaktit të tyre shtrembërohet shumë për shkak të të ashtuquajturit. presioni i zërit, formohen burime të tëra me spërkatje të vogla dhe në eksperimentet me vaj dhe ujë, formohet një emulsion vaji në ujë; Valët tejzanor që përhapen përgjatë një shufre qelqi shkaktojnë një ndjesi djegieje kur preken, megjithëse termometri tregon vetëm një rritje të lehtë të temperaturës. Fiziologjia dhe efektet e valëve të fuqishme ultrasonike janë gjithashtu domethënëse: qelizat e kafshëve dhe bimëve dhe bakteret vdesin në fushën e valëve tejzanor, kështu që doli të ishte e mundur të sterilizohej qumështi në këtë mënyrë; Peshku ngordhi pranë transmetuesve të Langevin. Ndoshta, me zhvillimin e mëtejshëm, valët tejzanor do të fitojnë vlerë terapeutike. Për shkak të gjatësisë valore jashtëzakonisht të shkurtër në fushën e valëve ultrasonike, vërehet difraksion i valëve të dritës, si në grilat e difraksionit (Debye dhe Sears). U ndërtuan interferometra për valët tejzanor (Pierce), të cilët u përdorën për të përcaktuar shpejtësinë e zërit në gazra dhe lëngje. Aplikime të ndryshme të dridhjeve tejzanor në teknologji, dhe pothuajse të gjitha bazohen në vetitë e rezonatorëve të kuarcit. Meqenëse zbutja në shufrat, pllakat dhe veçanërisht unazat lëkundëse të kuarcit është shumë më e vogël se në qarqet elektrike, këto të fundit zëvendësohen nga e para në të gjitha rastet kur është e nevojshme një rezonancë e theksuar. Kështu ata u përhapën gjerësisht stabilizues kuarci Për; vetia e kuarcit të shkëlqejë kur vibron, pasi ngarkesat elektrike shfaqen në të, përdoret në treguesit e valëve (Giebe). Frekuenca e lëkundjeve të dhëna nga unazat e kuarcit është aq konstante sa Morrison i përdori ato për orët elektrike, të cilat tejkaluan në saktësinë e tyre të gjitha ato të njohura më parë, dhe kuarci tani është standardi më i mirë i frekuencës.

Transmetues kuarci nënujor për dridhjet tejzanor janë ende pak të përhapura, por për shkak të frekuencës së tyre të lartë ato kanë dy përparësi në krahasim me transmetuesit elektromagnetikë nënujorë: kanë, së pari; drejtim i lartë, duke lejuar që rrezet e rrezeve që dalin prej tyre të përqendrohen në një kënd të ngushtë të ngurtë; së dyti, kanë (me një dizajn të mirë, i cili ende nuk është arritur plotësisht) efikasitet të lartë. Para së gjithash, ato u përdorën si instrumente për përcaktimin e thellësive në të ashtuquajturat. tingujt e jehonës. Rrezja e zërit që del nga transmetuesi drejtohet drejt fundit; reflektuar prej tij, kthehet në të njëjtin transmetues që e merr atë; Njësia e regjistrimit regjistron kohën e udhëtimit të zërit nga transmetuesi në fund dhe mbrapa, nga ku llogaritet thellësia. Transmetuesit tejzanor përdoren për telegrafi nga anija në anije, ndër të tjera, dhe për nëndetëse, për të cilat komunikimi i zërit është pothuajse i vetmi i mundshëm; në këtë rast, transmetuesi tejzanor është gjithashtu një marrës. Ka pasur përpjekje për të përdorur rrezet tejzanor për të hapur nëndetëset dhe malet e akullit (Boyle dhe Reid, 1926), për të ndriçuar defektet në metale (S. Sokolov), por ende nuk janë marrë rezultate mjaftueshëm të besueshme për instalimet përkatëse që do të vendosen në praktikë.

Metoda e zbulimit të defekteve tejzanor të metaleve dhe materialeve të tjera u zhvillua dhe u zbatua për herë të parë në Bashkimin Sovjetik në 1928-1930. prof. S. Ya. Sokolov.

Valët tejzanor janë dridhje elastike të një mediumi material, frekuenca e të cilave qëndron përtej dëgjueshmërisë në intervalin nga 20 kHz (valë me frekuencë të ulët) deri në 500 MHz (valë me frekuencë të lartë).

Dridhjet tejzanor janë gjatësore dhe tërthore. Nëse grimcat e mediumit lëvizin paralelisht me drejtimin e përhapjes së valës, atëherë një valë e tillë është gjatësore, nëse pingul është tërthore. Për të gjetur defekte në saldime, kryesisht përdoren valë tërthore, të drejtuara në një kënd në sipërfaqen e pjesëve që saldohen.

Valët tejzanor janë të afta të depërtojnë në media materiale në thellësi të mëdha, të përthyhen dhe reflektojnë kur godasin kufirin e dy materialeve me përshkueshmëri të ndryshme zëri. Është kjo aftësi e valëve tejzanor që përdoret në zbulimin e defekteve tejzanor të nyjeve të salduara.

Dridhjet tejzanor mund të përhapen në një sërë mediash - ajër, gazra, dru, metal, lëngje.

Shpejtësia e përhapjes së valëve tejzanor C përcaktohet nga formula:

ku f është frekuenca e lëkundjes, Hz; λ - gjatësia e valës, cm.

Për të identifikuar defekte të vogla në saldime, duhet të përdoren dridhjet ultrasonike me valë të shkurtër, pasi një valë gjatësia e së cilës është më e madhe se madhësia e defektit mund të mos e zbulojë atë.

Marrja e valëve tejzanor

Valët tejzanor prodhohen me metoda mekanike, termike, magnetostrictive (Magnetostriction është një ndryshim në madhësinë e trupit gjatë magnetizimit) dhe piezoelektrike (prefiksi "piezo" do të thotë "të shtypësh").

Më e zakonshme është metoda e fundit, e bazuar në efektin piezoelektrik të disa kristaleve (kuarci, kripë Rochelle, titanat bariumi): nëse faqet e kundërta të një pllake të prerë nga një kristal ngarkohen me energji elektrike të kundërt me një frekuencë mbi 20,000 Hz, atëherë pllaka do të dridhet me kalimin e kohës me ndryshimet në shenjat e ngarkesave, duke transmetuar dridhje mekanike në mjedis në formën e një valë tejzanor. Kështu, dridhjet elektrike shndërrohen në ato mekanike.

Në sisteme të ndryshme të detektorëve të difektit tejzanor, përdoren gjeneratorë me frekuencë të lartë që vendosin lëkundjet elektrike nga qindra mijëra në disa milion herc në pllaka piezoelektrike.

Pllakat piezoelektrike mund të shërbejnë jo vetëm si emetues, por edhe si marrës të ultrazërit. Në këtë rast, nën ndikimin e valëve tejzanor, ngarkesa të vogla elektrike lindin në skajet e kristaleve të marrësit, të cilat regjistrohen nga pajisje speciale përforcuese.

Metodat për identifikimin e defekteve duke përdorur ultratinguj

Në thelb ekzistojnë dy metoda të zbulimit të defekteve tejzanor: hije dhe jehonë e pulsit (metoda e dridhjeve të reflektuara.)

Oriz. 41. Skemat për zbulimin e defekteve tejzanor a - hije; b - jehonë me metodën e pulsit; 1 - sondë-emiter; 2 - pjesa në studim; 3 - marrës i sondës; 4 - defekt

Me metodën e hijes (Fig. 41, a), valët tejzanor që udhëtojnë nëpër saldim nga burimi i dridhjeve tejzanor (sondë-emiter) kur ndeshen me një defekt nuk depërtojnë nëpër të, pasi kufiri i defektit është kufiri i dy media të ndryshme (metal - skorje ose metal - gaz). Pas defektit, formohet një zonë e të ashtuquajturës "hije e zërit". Intensiteti i dridhjeve tejzanor të marra nga sonda e marrësit bie ndjeshëm, dhe një ndryshim në madhësinë e pulseve në ekranin e tubit të rrezeve katodë të detektorit të difektit tregon praninë e defekteve. Kjo metodë ka përdorim të kufizuar, pasi kërkohet akses bilateral në suturë dhe në disa raste është e nevojshme të hiqet përforcimi i qepjes.

Me metodën pulse-echo (Fig. 41.6), sonda e emetuesit dërgon impulse të valëve ultrasonike përmes tegelit të saldimit, të cilat, kur hasin në një defekt, reflektohen prej tij dhe kapen nga sonda marrëse. Këto impulse regjistrohen në ekranin e tubit të rrezeve katodë të detektorit të difektit në formën e majave që tregojnë praninë e një defekti. Duke matur kohën nga momenti i dërgimit të pulsit deri në marrjen e sinjalit të kthimit, është e mundur të përcaktohet thellësia e defekteve. Avantazhi kryesor i kësaj metode është se testimi mund të kryhet me akses të njëanshëm në saldim pa hequr përforcimin ose pa përpunuar paraprakisht shtresën. Kjo metodë përdoret më gjerësisht në zbulimin e defekteve tejzanor të saldimeve.

Ultratinguj

Ultratinguj- dridhje elastike me një frekuencë përtej kufirit të dëgjueshmërisë për njerëzit. Zakonisht diapazoni tejzanor konsiderohet të jetë frekuenca mbi 18,000 herc.

Edhe pse ekzistimi i ultrazërit dihet prej kohësh, përdorimi praktik i tij është mjaft i ri. Në ditët e sotme, ekografia përdoret gjerësisht në metoda të ndryshme fizike dhe teknologjike. Kështu, shpejtësia e përhapjes së zërit në një medium përdoret për të gjykuar karakteristikat e tij fizike. Matjet e shpejtësisë në frekuencat tejzanor bëjnë të mundur përcaktimin, për shembull, karakteristikat adiabatike të proceseve të shpejta, kapacitetin specifik të nxehtësisë së gazeve dhe konstantet elastike të trupave të ngurtë me gabime shumë të vogla.

Burimet e ultrazërit

Frekuenca e dridhjeve tejzanor të përdorur në industri dhe biologji qëndron në rangun e rendit të disa MHz. Dridhje të tilla zakonisht krijohen duke përdorur transduktorë piezoqeramikë të bërë nga titani i bariumit. Në rastet kur fuqia e dridhjeve tejzanor është e një rëndësie parësore, zakonisht përdoren burimet mekanike të ultrazërit. Fillimisht, të gjitha valët ultrasonike u morën mekanikisht (pirunët akordues, bilbilat, sirenat).

Në natyrë, ultratingulli gjendet si përbërës i shumë zhurmave natyrore (në zhurmën e erës, ujëvarës, shiut, në zhurmën e guralecave të rrokullisur nga shfletimi i detit, në tingujt që shoqërojnë shkarkimet e stuhive etj.), ashtu edhe midis tingujve. të botës shtazore. Disa kafshë përdorin valë ultrasonike për të zbuluar pengesat dhe për të lundruar në hapësirë.

Emituesit e ultrazërit mund të ndahen në dy grupe të mëdha. E para përfshin emetuesit-gjeneruesit; lëkundjet në to ngacmohen për shkak të pranisë së pengesave në rrugën e një rrjedhe konstante - një rrymë gazi ose lëngu. Grupi i dytë i emetuesve janë transduktorët elektroakustikë; ato i shndërrojnë luhatjet e dhëna tashmë të tensionit ose rrymës elektrike në dridhje mekanike të një trupi të ngurtë, i cili lëshon valë akustike në mjedis.

Bilbili i Galtonit

Bilbili i parë tejzanor u bë në 1883 nga anglezi Galton. Ultratingulli këtu krijohet i ngjashëm me tingullin me zë të lartë në buzën e një thike kur një rrymë ajri e godet atë. Roli i një maje të tillë në një bilbil Galton luhet nga një "buzë" në një zgavër të vogël rezonante cilindrike. Gazi i detyruar nën presion të lartë përmes një cilindri të zbrazët godet këtë "buzë"; lindin lëkundje, frekuenca e të cilave (është rreth 170 kHz) përcaktohet nga madhësia e hundës dhe buzës. Fuqia e bilbilit të Galtonit është e ulët. Përdoret kryesisht për të dhënë komanda gjatë stërvitjes së qenve dhe maceve.

Bilbili i lëngshëm tejzanor

Shumica e bilbilave tejzanor mund të përshtaten për të funksionuar në mjedise të lëngshme. Krahasuar me burimet elektrike me ultratinguj, bilbilat tejzanor të lëngshëm janë me fuqi të ulët, por ndonjëherë, për shembull, për homogjenizimin tejzanor, ato kanë një avantazh të rëndësishëm. Meqenëse valët tejzanor lindin drejtpërdrejt në një mjedis të lëngshëm, nuk ka humbje të energjisë nga valët tejzanor kur kalojnë nga një medium në tjetrin. Ndoshta dizajni më i suksesshëm është bilbili tejzanor i lëngshëm i bërë nga shkencëtarët anglezë Cottel dhe Goodman në fillim të viteve 50 të shekullit të 20-të. Në të, një rrjedhë lëngu me presion të lartë del nga një grykë eliptike dhe drejtohet mbi një pllakë çeliku. Modifikime të ndryshme të këtij dizajni janë bërë mjaft të përhapura për të marrë media homogjene. Për shkak të thjeshtësisë dhe stabilitetit të dizajnit të tyre (vetëm pllaka lëkundëse është shkatërruar), sisteme të tilla janë të qëndrueshme dhe të lira.

Sirena

Një lloj tjetër i burimit mekanik të ultrazërit është një sirenë. Ka fuqi relativisht të lartë dhe përdoret në automjetet e policisë dhe zjarrit. Të gjitha sirenat rrotulluese përbëhen nga një dhomë e mbyllur në krye nga një disk (stator) në të cilin bëhen një numër i madh vrimash. Ka të njëjtin numër vrimash në diskun që rrotullohet brenda dhomës - rotorit. Ndërsa rotori rrotullohet, pozicioni i vrimave në të përkon periodikisht me pozicionin e vrimave në stator. Ajri i kompresuar furnizohet vazhdimisht në dhomë, i cili del prej saj në ato momente të shkurtra kur vrimat në rotor dhe stator përkojnë.

Detyra kryesore në prodhimin e sirenave është, së pari, të bëhen sa më shumë vrima në rotor, dhe së dyti, të arrihet një shpejtësi e lartë rrotullimi. Megjithatë, në praktikë është shumë e vështirë të përmbushen të dyja këto kërkesa.

Ultratinguj në natyrë

Aplikacionet e ultrazërit

Aplikimet diagnostike të ultrazërit në mjekësi (ultratinguj)

Për shkak të përhapjes së mirë të ultrazërit në indet e buta të njeriut, padëmshmërisë së tij relative në krahasim me rrezet X dhe lehtësisë së përdorimit në krahasim me imazhet e rezonancës magnetike, ultratingulli përdoret gjerësisht për të vizualizuar gjendjen e organeve të brendshme të njeriut, veçanërisht në zgavrën e barkut dhe legenit. .

Aplikimet terapeutike të ultrazërit në mjekësi

Krahas përdorimit të gjerë për qëllime diagnostikuese (shiko Ultratingulli), ekografia përdoret në mjekësi si një agjent terapeutik.

Ultratingulli ka efektet e mëposhtme:

• anti-inflamator, absorbues
• analgjezik, antispazmatik
• përmirësimi i kavitacionit të përshkueshmërisë së lëkurës

Fonoforeza është një metodë e kombinuar në të cilën indet ekspozohen ndaj ultrazërit dhe substancave medicinale të futura me ndihmën e tij (si medikamentet ashtu edhe me origjinën natyrore). Përçimi i substancave nën ndikimin e ultrazërit është për shkak të rritjes së përshkueshmërisë së epidermës dhe gjëndrave të lëkurës, membranave qelizore dhe mureve të enëve për substancat me peshë të vogël molekulare, veçanërisht jonet minerale bischofite. Komoditeti i ultrafonoforezës së ilaçeve dhe substancave natyrore:

• substanca terapeutike nuk shkatërrohet kur administrohet me ultratinguj
• sinergjia ndërmjet ultrazërit dhe substancave medicinale

Indikacionet për fonoforezën bischofite: osteoartriti, osteokondroza, artriti, bursiti, epikondiliti, nxitimi i thembrës, gjendjet pas lëndimeve të sistemit muskuloskeletor; Neuriti, neuropatitë, radikuliti, nevralgjia, lëndimet nervore.

Aplikohet xhel Bischofite dhe kryhet një mikro-masazh i zonës së trajtimit duke përdorur sipërfaqen e punës të emetuesit. Teknika është labile, e zakonshme për ultrafonoforezën (me UVF të kyçeve dhe shtyllës kurrizore, intensiteti në rajonin e qafës së mitrës është 0,2-0,4 W/cm2, në rajonin torakal dhe lumbal - 0,4-0,6 W/cm2).

Prerja e metalit duke përdorur ultratinguj

Në makinat konvencionale të prerjes së metaleve, është e pamundur të shponi një vrimë të ngushtë të një forme komplekse, për shembull, në formën e një ylli me pesë cepa, në një pjesë metalike. Me ndihmën e ultrazërit kjo është e mundur; një vibrator magnetostrictive mund të shpojë një vrimë të çdo forme. Një daltë tejzanor zëvendëson plotësisht një makinë mulliri. Për më tepër, një daltë e tillë është shumë më e thjeshtë se një makinë mulliri dhe përpunimi i pjesëve metalike me të është më i lirë dhe më i shpejtë sesa me një makinë bluarjeje.

Ultratingulli mund të përdoret edhe për të bërë prerje me vida në pjesë metalike, xhami, rubin dhe diamant. Në mënyrë tipike, filli bëhet fillimisht në metal të butë, dhe më pas pjesa ngurtësohet. Në një makinë tejzanor, fijet mund të bëhen në metal tashmë të ngurtësuar dhe në lidhjet më të forta. Është e njëjta gjë me pullat. Zakonisht vula ngurtësohet pasi të jetë përfunduar me kujdes. Në një makinë tejzanor, përpunimi më kompleks kryhet nga gërryes (zmerile, pluhur zmeril) në fushën e një valë tejzanor. Duke u lëkundur vazhdimisht në fushën e ultrazërit, grimcat e pluhurit të ngurtë prehen në aliazhin që përpunohet dhe hapin një vrimë të së njëjtës formë si dalta.

Përgatitja e përzierjeve duke përdorur ultratinguj

Ekografia përdoret gjerësisht për përgatitjen e përzierjeve homogjene (homogjenizim). Në vitin 1927, shkencëtarët amerikanë Leamus dhe Wood zbuluan se nëse dy lëngje të papërziershme (për shembull, vaji dhe uji) derdhen në një gotë dhe rrezatohen me ultratinguj, në gotë krijohet një emulsion, domethënë një pezullim i imët vaji në gotë. ujë. Emulsione të tilla luajnë një rol të rëndësishëm në industri: bojra, bojëra, produkte farmaceutike, kozmetikë.

Aplikimi i ultrazërit në biologji

Aftësia e ultrazërit për të çarë membranat qelizore ka gjetur zbatim në kërkimin biologjik, për shembull, kur është e nevojshme të ndahet një qelizë nga enzimat. Ultratingulli përdoret gjithashtu për të prishur strukturat ndërqelizore si mitokondria dhe kloroplastet për të studiuar marrëdhënien midis strukturës dhe funksionit të tyre. Një përdorim tjetër i ultrazërit në biologji lidhet me aftësinë e tij për të nxitur mutacione. Hulumtimet e kryera në Oksford treguan se edhe ultratingulli me intensitet të ulët mund të dëmtojë molekulën e ADN-së. Krijimi artificial dhe i synuar i mutacioneve luan një rol të rëndësishëm në mbarështimin e bimëve. Avantazhi kryesor i ultrazërit ndaj mutagjenëve të tjerë (rrezet X, rrezet ultravjollcë) është se është jashtëzakonisht i lehtë për t'u punuar me të.

Përdorimi i ultrazërit për pastrim

Përdorimi i ultrazërit për pastrimin mekanik bazohet në shfaqjen e efekteve të ndryshme jolineare në lëngun nën ndikimin e tij. Këto përfshijnë kavitacionin, rrjedhat akustike dhe presionin e zërit. Kavitacioni luan rolin kryesor. Flluskat e tij, që dalin dhe shemben pranë ndotësve, i shkatërrojnë ato. Ky efekt njihet si erozioni i kavitacionit. Ekografia e përdorur për këto qëllime ka frekuenca të ulëta dhe fuqi të shtuar.

Në kushte laboratorike dhe prodhimi, banjot tejzanor të mbushura me një tretës (ujë, alkool, etj.) përdoren për të larë pjesë të vogla dhe enët. Ndonjëherë, me ndihmën e tyre, edhe perimet me rrënjë (patate, karrota, panxhar, etj.) Lahen nga grimcat e tokës.

Aplikimi i ultrazërit në matjen e rrjedhës

Që nga vitet '60 të shekullit të kaluar, matësat e rrjedhës tejzanor janë përdorur në industri për të kontrolluar rrjedhën dhe për të llogaritur ujin dhe ftohësin.

Aplikimi i ultrazërit në zbulimin e defekteve

Ultratingulli përhapet mirë në disa materiale, gjë që bën të mundur përdorimin e tij për zbulimin e defekteve tejzanor të produkteve të prodhuara nga këto materiale. Kohët e fundit, drejtimi i mikroskopisë tejzanor është duke u zhvilluar, duke bërë të mundur studimin e shtresës nëntokësore të një materiali me rezolucion të mirë.

Saldim me ultratinguj

Saldimi me ultratinguj është saldimi me presion që kryhet nën ndikimin e dridhjeve tejzanor. Ky lloj saldimi përdoret për lidhjen e pjesëve që janë të vështira për t'u ngrohur, ose kur lidhni metale ose metale të ndryshme me filma oksidi të fortë (alumin, çelik inox, bërthama magnetike të përbëra nga aliazhi, etj.). Saldimi me ultratinguj përdoret në prodhimin e qarqeve të integruara.

Zbatimi i ultrazërit në elektroplating

Ultratingulli përdoret për të intensifikuar proceset galvanike dhe për të përmirësuar cilësinë e veshjeve të prodhuara me metoda elektrokimike.

Ekografia…………………………………………………………………………………….4

Ultratingulli si valë elastike……………………………………..4

Karakteristikat specifike të ultrazërit……………………………..5

Burimet dhe marrësit e ultrazërit……………………………………..7

Emitues mekanik…………………………………………………………………………………

Transformatorët elektroakustikë…………………………….9

Marrësit e ultrazërit……………………………………………………………..11

Aplikimi i ultrazërit………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Pastrim me ultratinguj………………………………………………………………………………………………………………………………………

Përpunimi mekanik i ultra-fortë dhe i brishtë

materialet……………………………………………………13

Saldimi me ultratinguj…………………………………………….14

Saldimi dhe kallajimi me tejzanor……………………………………14

Përshpejtimi i proceseve të prodhimit………………………………15

Zbulimi i defekteve me ultratinguj…………………………………………15

Ultratinguj në radio elektronike………………………………………………………………………………………

Ekografia në mjekësi………………………………………………..18

Literatura…………………………………………………………………………………….19

Shekulli i njëzet e një është shekulli i atomit, eksplorimit të hapësirës, ​​radio-elektronikës dhe ultrazërit. Shkenca e ultrazërit është relativisht e re. Puna e parë laboratorike për kërkimin me ultratinguj u krye nga fizikani i madh rus P. N. Lebedev në fund të shekullit të 19-të, dhe më pas shumë shkencëtarë të shquar studiuan ultratinguj.

Ultratingulli është një lëvizje oshiluese e grimcave në formë të valës në një mjedis. Ultratingulli ka disa veçori në krahasim me tingujt në diapazonin e dëgjimit. Në rangun tejzanor është relativisht e lehtë për të marrë rrezatim të drejtuar; i përshtatet mirë përqendrimit, si rezultat i të cilit rritet intensiteti i dridhjeve tejzanor. Kur përhapet në gaze, lëngje dhe trupa të ngurtë, ultrazërit lindin fenomene interesante, shumë prej të cilave kanë gjetur zbatim praktik në fusha të ndryshme të shkencës dhe teknologjisë.

Vitet e fundit, ultratingulli ka filluar të luajë një rol gjithnjë e më të rëndësishëm në kërkimin shkencor. Studimet teorike dhe eksperimentale janë kryer me sukses në fushën e kavitacionit tejzanor dhe rrjedhave akustike, të cilat bënë të mundur zhvillimin e proceseve të reja teknologjike që ndodhin nën ndikimin e ultrazërit në fazën e lëngshme. Aktualisht, po formohet një drejtim i ri i kimisë - kimia tejzanor, e cila bën të mundur përshpejtimin e shumë proceseve kimike dhe teknologjike. Kërkimi shkencor kontribuoi në shfaqjen e një dege të re të akustikës - akustikën molekulare, e cila studion ndërveprimin molekular të valëve të zërit me lëndën. Janë shfaqur fusha të reja të aplikimit të ultrazërit: introskopia, holografia, akustika kuantike, metria fazore ultrasonike, akustoelektronika.

Krahas kërkimeve teorike dhe eksperimentale në fushën e ultrazërit janë kryer edhe shumë punë praktike. Janë zhvilluar makina universale dhe speciale ultrasonike, instalime që funksionojnë nën presion të shtuar statik, instalime të mekanizuara tejzanor për pastrimin e pjesëve, gjeneratorë me frekuencë të shtuar dhe një sistem të ri ftohjeje dhe konvertues me një fushë të shpërndarë në mënyrë uniforme. Janë krijuar dhe futur në prodhim njësi automatike tejzanor, të cilat përfshihen në linjat e prodhimit, duke lejuar rritjen e ndjeshme të produktivitetit të punës.

Ultratingulli (SHBA) është dridhje dhe valë elastike, frekuenca e të cilave kalon 15-20 kHz. Kufiri i poshtëm i rajonit të frekuencës tejzanor, duke e ndarë atë nga rajoni i tingullit të dëgjueshëm, përcaktohet nga vetitë subjektive të dëgjimit njerëzor dhe është i kushtëzuar, pasi kufiri i sipërm i perceptimit dëgjimor është i ndryshëm për secilin person. Kufiri i sipërm i frekuencave tejzanor përcaktohet nga natyra fizike e valëve elastike, të cilat mund të përhapen vetëm në një mjedis material, d.m.th. me kusht që gjatësia e valës të jetë dukshëm më e madhe se rruga mesatare e lirë e molekulave në një gaz ose distancat ndëratomike në lëngje dhe trupa të ngurtë. Në gazrat në presion normal, kufiri i sipërm i frekuencave tejzanor është » 10 9 Hz, në lëngje dhe trupa të ngurtë frekuenca kufi arrin 10 12 -10 13 Hz. Në varësi të gjatësisë së valës dhe frekuencës, ultratingulli ka karakteristika të ndryshme specifike të rrezatimit, marrjes, përhapjes dhe aplikimit, prandaj rajoni i frekuencave të ultrazërit ndahet në tre rajone:

· frekuenca të ulëta tejzanor (1.5×10 4 – 10 5 Hz);

· mesatare (10 5 – 10 7 Hz);

· i lartë (10 7 – 10 9 Hz).

Valët elastike me frekuenca 10 9 – 10 13 Hz quhen zakonisht hipertinguj.

Ultratingulli si valë elastike.

Valët e ultrazërit (tingulli i padëgjueshëm) për nga natyra e tyre nuk ndryshojnë nga valët elastike në diapazonin e dëgjueshëm. Shpërndahet vetëm në gazra dhe lëngje gjatësore valët, dhe në trupat e ngurtë - gjatësore dhe prerëse s.

Përhapja e ultrazërit u bindet ligjeve bazë të përbashkëta për valët akustike të çdo diapazoni të frekuencës. Ligjet bazë të përhapjes përfshijnë ligjet e reflektimit të zërit dhe përthyerjes së zërit në kufijtë e mediave të ndryshme, difraksioni i zërit dhe shpërndarja e zërit në prani të pengesave dhe johomogjeniteteve në mjedis dhe parregullsive në kufij, ligjet e përhapjes së valëve në zona të kufizuara të mjedisit. Një rol të rëndësishëm luhet nga marrëdhënia midis gjatësisë së valës së zërit l dhe madhësisë gjeometrike D - madhësia e burimit të zërit ose pengesës në rrugën e valës, madhësia e inhomogjeniteteve të mediumit. Kur D>>l, përhapja e zërit pranë pengesave ndodh kryesisht sipas ligjeve të akustikës gjeometrike (mund të përdoren ligjet e reflektimit dhe të thyerjes). Shkalla e devijimit nga modeli gjeometrik i përhapjes dhe nevoja për të marrë parasysh fenomenet e difraksionit përcaktohen nga parametri

Shpejtësia e përhapjes së valëve tejzanor në një mjedis të pakufizuar përcaktohet nga karakteristikat e elasticitetit dhe dendësia e mediumit. Në mjedise të kufizuara, shpejtësia e përhapjes së valës ndikohet nga prania dhe natyra e kufijve, gjë që çon në një varësi nga frekuenca e shpejtësisë (shpërndarja e shpejtësisë së zërit). Zvogëlimi i amplitudës dhe intensitetit të valës tejzanor kur përhapet në një drejtim të caktuar, domethënë zbutja e zërit, shkaktohet, si për valët e çdo frekuence, nga divergjenca e frontit të valës me distancën nga burimi, shpërndarja dhe thithjen e zërit. Në të gjitha frekuencat e diapazonit të dëgjueshëm dhe të padëgjueshëm, ndodh i ashtuquajturi absorbim "klasik", i shkaktuar nga viskoziteti i prerjes (fërkimi i brendshëm) i mediumit. Përveç kësaj, ekziston një përthithje shtesë (relaksuese), e cila shpesh tejkalon ndjeshëm thithjen "klasike".

Me intensitet të konsiderueshëm të valëve të zërit, shfaqen efekte jolineare:

· shkelet parimi i mbivendosjes dhe ndodh ndërveprimi valor, duke çuar në shfaqjen e toneve;

· forma e valës ndryshon, spektri i saj pasurohet me harmonikë më të lartë dhe përthithja rritet në përputhje me rrethanat;

· kur arrihet një vlerë e caktuar pragu e intensitetit të ultrazërit në lëng, ndodh kavitacioni (shih më poshtë).

Kriteri për zbatueshmërinë e ligjeve të akustikës lineare dhe mundësinë e neglizhimit të efekteve jolineare është: M<< 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Parametri M quhet "numri Mach".

Megjithëse natyra fizike e ultrazërit dhe ligjet bazë që përcaktojnë përhapjen e tij janë të njëjta si për valët e zërit të çdo diapazoni frekuencash, ai ka një sërë veçorish specifike. Këto karakteristika janë për shkak të frekuencave relativisht të larta të ultrazërit.

Vogëliteti i gjatësisë së valës përcakton karakter radial përhapja e valëve ultrasonike. Pranë emetuesit, valët përhapen në formën e trarëve, madhësia tërthore e të cilave mbetet afër madhësisë së emetuesit. Kur një rreze e tillë (rreze tejzanor) godet pengesa të mëdha, ajo përjeton reflektim dhe përthyerje. Kur rrezja godet pengesa të vogla, shfaqet një valë e shpërndarë, e cila bën të mundur zbulimin e inhomogjeniteteve të vogla në medium (në rendin e të dhjetave dhe të qindtave të mm). Reflektimi dhe shpërndarja e ultrazërit në inhomogjenitetet e mediumit bëjnë të mundur formimin në media optikisht të errët imazhe zanore objektet që përdorin sisteme të fokusimit të zërit, të ngjashme me atë që bëhet duke përdorur rrezet e dritës.

Fokusimi me ultratinguj lejon jo vetëm marrjen e imazheve të zërit (sistemet e shikimit të zërit dhe holografisë akustike), por edhe koncentrohen energjia e zërit. Duke përdorur sistemet e fokusimit tejzanor, është e mundur të formohen të specifikuara karakteristikat e drejtimit emetuesit dhe kontrollin e tyre.

Një ndryshim periodik në indeksin e thyerjes së valëve të dritës i shoqëruar me një ndryshim në densitetin në një valë tejzanor shkakton difraksioni i dritës me anë të ultrazërit, vërejtur në frekuencat tejzanor në intervalin megahertz-gigahertz. Në këtë rast, vala tejzanor mund të konsiderohet si një grilë difraksioni.

Efekti më i rëndësishëm jolinear në fushën tejzanor është kavitacion– shfaqja në një lëng i një mase flluskash pulsuese të mbushura me avull, gaz ose përzierje të tyre. Lëvizja komplekse e flluskave, shembja e tyre, bashkimi me njëra-tjetrën etj. gjenerojnë impulse kompresimi (valë mikroshok) dhe mikrorrjedha në lëng, duke shkaktuar ngrohjen lokale të mediumit dhe jonizimin. Këto efekte kanë ndikim në substancë: ndodh shkatërrimi i lëndëve të ngurta në lëng ( erozioni i kavitacionit), ndodh përzierja e lëngut, fillojnë ose përshpejtohen procese të ndryshme fizike dhe kimike. Duke ndryshuar kushtet për kavitacion, është e mundur të forcohen ose dobësohen efektet e ndryshme të kavitacionit, për shembull, me rritjen e frekuencës tejzanor, rritet roli i mikroflukseve dhe zvogëlohet erozioni i kavitacionit; me rritjen e presionit në lëng, rritet roli i ndikimeve të mikrondikimit. Rritja e frekuencës çon në një rritje të vlerës së intensitetit të pragut që korrespondon me fillimin e kavitacionit, i cili varet nga lloji i lëngut, përmbajtja e tij e gazit, temperatura, etj. Për ujin në presion atmosferik zakonisht është 0,3-1,0 W/cm 2 . Kavitacioni është një grup fenomenesh komplekse. Valët tejzanor që përhapen në formë të lëngshme duke alternuar zonat e presioneve të larta dhe të ulëta, duke krijuar zona me zona të ngjeshjes dhe rrallimit të lartë. Në një zonë të rrallë, presioni hidrostatik zvogëlohet në atë masë sa që forcat që veprojnë në molekulat e lëngut bëhen më të mëdha se forcat e kohezionit ndërmolekular. Si rezultat i një ndryshimi të mprehtë në ekuilibrin hidrostatik, lëngu "shpërthen", duke formuar flluska të shumta të vogla gazesh dhe avujsh. Në momentin tjetër, kur ndodh një periudhë presioni të lartë në lëng, flluskat e formuara më parë shemben. Procesi i shembjes së flluskës shoqërohet me formimin e valëve goditëse me presion të menjëhershëm lokal shumë të lartë, duke arritur në disa qindra atmosfera.