Mi az ultrahang és hogyan használják az iparban?

Az ultrahangot rugalmas hullámoknak nevezik (folyékony, szilárd és gázhalmazállapotú közegben a rugalmas erők hatására terjedő hullámok), amelyek frekvenciája az ember számára hallható tartományon kívül esik - körülbelül 20 kHz-től és még tovább.

Kezdetben az ultrahangos és a hallható hangokat csak az emberi fül észlelése vagy nem észlelése alapján különböztették meg. A különböző emberek hallásküszöbe 7 és 25 kHz között változik, és megállapították, hogy egy személy a csontvezetési mechanizmuson keresztül érzékeli a 30-40 kHz frekvenciájú ultrahangot. Ezért az ultrahang frekvencia alsó határa hagyományosan elfogadott.

Az ultrahang frekvencia felső határa az 1013 — 1014 Hz frekvenciákig terjed, azaz. egészen olyan frekvenciákig, ahol a hullámhossz összemérhetővé válik a molekulák közötti távolságokkal szilárd és folyadékokban. A gázokban ez a határ alul található, és a molekula szabad útja határozza meg.

Az ultrahanghullámok hasznos funkciói

És bár fizikailag az ultrahang természete megegyezik a hallható hanggal, csak feltételesen különbözik (magasabb frekvencia), éppen a magasabb frekvencia miatt az ultrahang számos hasznos irányba alkalmazható.

Tehát az ultrahang sebességének szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotú anyagban történő mérésekor nagyon kis hibákat kapunk a gyors folyamatok megfigyelésekor, a fajhő (gáz) meghatározásánál, a szilárd anyagok rugalmassági állandóinak mérésénél.

Az alacsony amplitúdójú nagy frekvencia lehetővé teszi az energiaáramlások nagyobb sűrűségének elérését, mivel egy rugalmas hullám energiája arányos frekvenciájának négyzetével. Emellett az ultrahanghullámok megfelelő módon alkalmazva számos egészen különleges akusztikus hatást és jelenséget képesek kiváltani.

Az egyik ilyen szokatlan jelenség az akusztikus kavitáció, amely akkor következik be, amikor erős ultrahanghullámot irányítanak egy folyadékba. Folyadékban az ultrahangos hatás tartományában kis gőz- vagy gázbuborékok (szubmikroszkópos méretű) milliméter átmérőjű töredékekre kezdenek növekedni, a hullám frekvenciájával pulzálva, és a pozitív nyomás fázisában összeomlanak.

Az összeomló buborék lokálisan több ezer atmoszférában mért nagynyomású impulzust generál, amely gömbölyű lökéshullámok forrásává válik. Az ilyen pulzáló buborékok közelében keletkező akusztikus mikroáramlások hasznosak voltak emulziók készítéséhez, alkatrészek tisztításához stb.

Az ultrahang fókuszálásával akusztikus holográfiás és hanglátó rendszerekben hangképeket kapunk, és a hangenergiát koncentráljuk, hogy meghatározott és szabályozott irányíthatósági jellemzőkkel rendelkező iránynyalábot képezzenek.

Az ultrahanghullámot fényelhajlási rácsként használva lehetőség van a fény törésmutatóinak különböző célokra történő megváltoztatására, mivel az ultrahanghullámban, akárcsak a rugalmas hullámban, a sűrűség általában periodikusan változik.

Végül az ultrahang terjedési sebességével kapcsolatos jellemzők. Szervetlen közegben az ultrahang olyan sebességgel terjed, amely a közeg rugalmasságától és sűrűségétől függ.

Ami a szerves közegeket illeti, itt a sebességet a határok és azok jellege befolyásolja, vagyis a fázissebesség a frekvenciától (szórástól) függ.Az ultrahang a hullámfront távolságával a forrástól lecsillapodik – a front divergál, az ultrahang szétszóródik, felszívódik.

A közeg belső súrlódása (nyírási viszkozitás) az ultrahang klasszikus abszorpciójához vezet, ráadásul az ultrahang relaxációs abszorpciója felülmúlja a klasszikust. Gázban az ultrahang erősebben, szilárd anyagokban és folyadékokban sokkal gyengébb. A vízben például 1000-szer lassabban bomlik le, mint a levegőben. Így az ultrahang ipari alkalmazásai szinte teljes mértékben a szilárd anyagokkal és a folyadékokkal kapcsolatosak.

Az ultrahang használata

Az ultrahang használata a következő irányokban fejlődik:

• ultrahang-technológia, amely lehetővé teszi egy adott anyagon és a fizikai-kémiai folyamatok során visszafordíthatatlan hatások kiváltását ultrahang segítségével W / cm2-től több százezer W / cm2-ig terjedő intenzitással;
• ultrahangos szabályozás, amely az ultrahang abszorpciójának és sebességének a terjedési közeg állapotától való függésén alapul;
• ultrahangos helymeghatározási módszerek, jelkésleltetési vonalak, orvosi diagnosztika stb., amelyek a magasabb frekvenciájú ultrahang rezgések egyenes vonalú nyalábokban (sugarakban) terjedő képességén alapulnak, követik a geometriai akusztika törvényeit, ugyanakkor viszonylag kis sebességgel terjednek.

Az ultrahangnak kiemelt szerepe van egy anyag szerkezetének és tulajdonságainak vizsgálatában, hiszen segítségével viszonylag könnyen meghatározhatóak az anyagi környezetek legkülönfélébb jellemzői, mint a rugalmassági és viszkoelasztikus állandók, termodinamikai jellemzők, a Fermi felületek formái, diszlokációk, kristályrács tökéletlenségek stb. Az ultrahang vizsgálatának releváns ágát molekuláris akusztikának nevezik.

Ultrahang echolokációban és szonárban (élelmiszer, védelem, bányászat)

A szonár első prototípusát a hajó jégtömbökkel és jéghegyekkel való ütközésének megakadályozására Shilovsky orosz mérnök és Langevin francia fizikus hozta létre 1912-ben.

A készülék a hanghullám-visszaverés és -vétel elvét használja. A jel egy bizonyos pontra irányult, és a válaszjel (visszhang) késleltetésével a hangsebesség ismeretében meg lehetett becsülni a hangot visszaverő akadály távolságát.

Shilovsky és Langevin a hidroakusztika mélyreható tanulmányozásába kezdett, és hamarosan létrehoztak egy olyan eszközt, amely akár 2 kilométeres távolságból is képes észlelni az ellenséges tengeralattjárókat a Földközi-tengeren. Minden modern szonár, beleértve a katonaiakat is, ennek az eszköznek a leszármazottja.

Az alsó dombormű tanulmányozására szolgáló modern visszhangjelzők négy blokkból állnak: egy adóból, egy vevőből, egy jelátalakítóból és egy képernyőből.Az adó funkciója, hogy ultrahang impulzusokat (50 kHz, 192 kHz vagy 200 kHz) küldjön mélyen a vízbe, amelyek 1,5 km/s sebességgel terjednek a vízben, ahol visszaverik őket halak, kövek, egyéb tárgyak. és lent, miután ez a visszhang eléri a vevőt, egy konverter kerül feldolgozásra, és az eredmény megjelenik a kijelzőn a vizuális érzékeléshez kényelmes formában.

Ultrahang az elektronikai és elektromos iparban

A modern fizika számos területe nem nélkülözheti az ultrahangot. A szilárd testek és félvezetők fizikája, valamint az akusztoelektronika sok tekintetben szorosan összefügg az ultrahangos kutatási módszerekkel – 20 kHz-es és magasabb frekvenciájú hatásokkal. Különleges helyet foglal el itt az akusztoelektronika, ahol az ultrahanghullámok kölcsönhatásba lépnek a szilárd testek belsejében lévő elektromos mezőkkel és elektronokkal.

A térfogati ultrahanghullámokat késleltetési vonalakban és kvarcrezonátorokban használják a frekvencia stabilizálására a modern információfeldolgozási és -továbbítási elektronikus rendszerekben A felszíni akusztikus hullámok különleges helyet foglalnak el a televízió sávszűrőiben, frekvenciaszintetizátorokban, akusztikus hullámokat továbbító eszközökben, memória- és képolvasó eszközökben. Végül a korrelátorok és konvolverek a transzverzális akusztoelektromos hatást használják működésükben.

Radioelektronika és ultrahang

Az ultrahangos késleltetési vonalak hasznosak az egyik elektromos jel késleltetésére a másikhoz képest.Az elektromos impulzus ultrahang frekvenciájú impulzusos mechanikai rezgéssé alakul, amely sokszor lassabban terjed, mint egy elektromágneses impulzus; a mechanikai rezgés ezután újra elektromos impulzussá alakul, és az eredeti bemenethez képest késleltetett jel keletkezik.

Az ilyen átalakításhoz általában piezoelektromos vagy magnetostrikciós átalakítókat használnak, ezért a késleltetési vonalakat piezoelektromosnak vagy magnetostrikciósnak is nevezik.

A piezoelektromos késleltető vezetékben elektromos jelet adnak egy kvarclemezre (piezoelektromos átalakító), amely mereven egy fémrúdhoz van csatlakoztatva.

A rúd másik végéhez egy második piezoelektromos jelátalakító csatlakozik. A bemeneti jelátalakító fogadja a jelet, mechanikai rezgéseket generál, amelyek a rúdon keresztül terjednek, és amikor a rezgések a rúdon keresztül elérik a második jelátalakítót, ismét elektromos jel keletkezik.

A rúd mentén a rezgések terjedési sebessége jóval kisebb, mint egy elektromos jelé, ezért a rúdon áthaladó jel a bemenethez képest az elektromágneses és ultrahangos rezgések sebességének különbségével összefüggő mértékben késik.

A magnetostrikciós késleltetési vonal tartalmazza a bemeneti jelátalakítót, mágneseket, hangvezetéket, kimeneti jelátalakítót és abszorbereket. A bemeneti jel az első tekercsre kerül, a magnetostrikciós anyagból készült rúd akusztikus vezetőjében ultrahang frekvencia oszcillációk - mechanikai rezgések - indulnak - a mágnes itt állandó mágnesezést hoz létre a transzformációs zónában és kezdeti mágneses indukciót.

A rúdban a rezgések 5000 m / s sebességgel terjednek, például 40 cm-es rúdnál a késleltetés 80 μs lesz. A rúd mindkét végén lévő csillapítók megakadályozzák a nem kívánt jelvisszaverődést. A magnetostrikciós zavarok a második tekercs (kimeneti konverter) EMF indukciójában változást okoznak.

Ultrahang a feldolgozóiparban (vágás és hegesztés)

Az ultrahangforrás és a munkadarab közé csiszolóanyagot (kvarchomok, gyémánt, kő stb.) helyeznek. Az ultrahang a koptató részecskékre hat, amelyek viszont az ultrahang frekvenciájával érik az alkatrészt. A munkadarab anyaga a csiszolószemcsékből származó nagyszámú kis ütés hatására megsemmisül - így történik a feldolgozás.

A vágás hozzáadódik az előtoló mozgáshoz, míg a hosszirányú vágási rezgések a főbbek. Az ultrahangos kezelés pontossága a csiszolóanyag szemcséinek méretétől függ, és eléri az 1 mikront. Ily módon összetett vágások készülnek, amelyek szükségesek a fémalkatrészek gyártásánál, köszörülésnél, gravírozásnál és fúrásnál.

Ha különböző fémeket (vagy akár polimereket) kell hegeszteni, vagy egy vastag részt vékony lemezzel kell kombinálni, akkor az ultrahang ismét segít. Ez az ún hideg ultrahangos hegesztés… A hegesztési zónában ultrahang hatására a fém nagyon képlékeny lesz, az alkatrészek bármilyen szögben könnyen elfordulhatnak az összeillesztés során. És érdemes kikapcsolni az ultrahangot - az alkatrészek azonnal összekapcsolódnak, elkapnak.

Különösen figyelemre méltó, hogy a hegesztést az alkatrészek olvadáspontja alatti hőmérsékleten végzik, és a csatlakozásuk valójában szilárd állapotban történik, de az acélokat, titánt, sőt molibdént is így hegesztik. A vékony lemezeket a legkönnyebb hegeszteni. Ez a hegesztési módszer nem jelenti az alkatrészek felületének speciális előkészítését, ez vonatkozik a fémekre és polimerekre is.

Az ultrahangos vizsgálatot a fém hegesztés közbeni lapos hibáinak (repedések, behatolás hiánya, tapadás hiánya) kimutatására használják. Ez a módszer nagyon hatékony finomszemcsés acélok esetében.

Ultrahang a kohászatban (ultrahangos hibafelismerés)

Hibafelismerés ultrahanggal — a rugalmas, főleg ultrahangos rezgések terjedési feltételeinek megváltoztatásán alapuló hibák észlelése.

Az ultrahangos hibaészlelés az egyik leghatékonyabb módszer a fém alkatrészek roncsolásmentes minőségellenőrzésére.

Homogén közegben az ultrahang gyors csillapítás nélküli irányba terjed, a közeg határán reflexió jellemző rá. Így a fém alkatrészeket ellenőrzik, hogy nincsenek-e benne üregek és repedések (levegő-fém interfész), és észlelhető a fokozott fémfáradás.

Az ultrahang 10 méteres mélységben képes behatolni egy alkatrészbe, az észlelt hibák nagysága 5 mm nagyságrendű. Ezek a következők: árnyék, impulzus, rezonancia, szerkezeti elemzés, vizualizáció, — öt módszer az ultrahangos hibák kimutatására.

A legegyszerűbb módszer az ultrahangos árnyékhiba-detektálás, ez a módszer az ultrahanghullám csillapításán alapul, amikor az alkatrészen áthaladva hibába ütközik, mivel a hiba ultrahangos árnyékot hoz létre.Két konverter működik: az első hullámot bocsát ki, a második fogadja.

Ez a módszer érzéketlen, hibát csak akkor észlelünk, ha hatása legalább 15%-kal megváltoztatja a jelet, ráadásul nem lehet meghatározni, hogy a hiba milyen mélységben van az alkatrészben. Pulzáló ultrahangos módszerrel pontosabb eredmény érhető el, a mélységet is mutatja.

Elasztikus rezgések kibocsátására és fogadására szolgálnak piezoelektromos átalakítók, valamint a hang és az alacsony ultrahangfrekvenciák tartományában - magnetostrikciós jelátalakítók.

A következő módszereket alkalmazzák a rugalmas rezgések átvitelére a jelátalakítóról a szabályozott termékre és fordítva:

• érintésmentes;
• száraz érintkezés (főleg alacsony frekvenciákhoz);
• kenőanyaggal való érintkezés (a vizsgálat előtt a rugalmas hullámhossznál jóval kisebb vastagságú olaj- vagy vízréteget visznek fel a termék tisztán megmunkált felületére);
• sugárkontaktus (a piezoelektromos elem és a termék felülete közötti kis résben áramló folyadékáramon keresztül);
• bemerítés (az ellenőrzött terméket fürdőbe merítjük, és a kontaktus egy folyadékrétegen keresztül történik, amelynek vastagságának legalább a termék vastagságának 1/4-ének kell lennie).

A merítési, tintasugaras és érintésmentes módszerek előnye a keresőfejek kopásának hiánya és a nagyobb szkennelési sebesség alkalmazásának lehetősége, valamint a kezelés automatizálásának lehetősége.

Lásd még:

Fémek ultrahangos vágása

Berendezések az alkatrészek ultrahangos tisztításához

Ultrahangos érzékelők automatizálási rendszerekhez

Anyagok összetételének és tulajdonságainak meghatározására szolgáló érzékelők és mérőeszközök