Hva er ultralyd og hvordan brukes det i industrien?

Ultralyd kalles elastiske bølger (bølger som forplanter seg i flytende, faste og gassformige medier på grunn av virkningen av elastiske krefter), hvis frekvens ligger utenfor området som er hørbart for mennesker - fra omtrent 20 kHz og mer.

Opprinnelig ble ultralyd og hørbare lyder bare skilt på grunnlag av oppfatning eller ikke-oppfatning av det menneskelige øret. Hørselsterskelen til forskjellige mennesker varierer fra 7 til 25 kHz, og det er fastslått at en person oppfatter ultralyd med en frekvens på 30 - 40 kHz gjennom mekanismen for beinledning. Derfor er den nedre grensen for ultralydfrekvensen konvensjonelt akseptert.

Den øvre grensen for ultralydfrekvensen strekker seg til frekvensene 1013 — 1014 Hz, dvs. opp til frekvenser hvor bølgelengden blir sammenlignbar med de intermolekylære avstandene i faste stoffer og væsker. I gasser ligger denne grensen under og bestemmes av den frie banen til molekylet.

Nyttige funksjoner til ultralydbølger

Og selv om fysisk ultralyd har samme natur som hørbar lyd, og kun avviker betinget (høyere frekvens), er det nettopp på grunn av den høyere frekvensen at ultralyd er anvendelig i en rekke nyttige retninger.

Så når du måler hastigheten på ultralyd i et fast, flytende eller gassformet stoff, oppnås svært små feil når du observerer raske prosesser, når du bestemmer den spesifikke varmen (gass), når du måler de elastiske konstantene til faste stoffer.

Høy frekvens ved lave amplituder gjør det mulig å oppnå økte tettheter av energistrømmer, siden energien til en elastisk bølge er proporsjonal med kvadratet av dens frekvens. I tillegg kan ultralydbølger, brukt på riktig måte, produsere en rekke helt spesielle akustiske effekter og fenomener.

Et av disse uvanlige fenomenene er akustisk kavitasjon, som oppstår når en kraftig ultralydbølge ledes inn i en væske. I en væske, i området for ultralydvirkning, begynner små bobler av damp eller gass (submikroskopisk størrelse) å vokse til brøkdeler av en millimeter i diameter, pulserende med frekvensen til bølgen og kollapser i positiv trykkfase.

Den kollapsende boblen genererer lokalt en høytrykkspuls målt i tusenvis av atmosfærer, og blir kilden til sfæriske sjokkbølger. Akustiske mikrostrømmer generert nær slike pulserende bobler har vært nyttige for å tilberede emulsjoner, rense deler osv.

Ved å fokusere ultralyd oppnås lydbilder i akustisk holografi og lydsynssystemer, og lydenergien konsentreres til å danne en retningsstråle med definerte og kontrollerte retningsegenskaper.

Ved å bruke en ultralydbølge som et diffraksjonsgitter for lys, er det mulig å endre lysbrytningsindeksene til forskjellige formål, siden tettheten i en ultralydbølge, som i en elastisk bølge, vanligvis endres periodisk.

Til slutt, egenskapene knyttet til hastigheten på forplantning av ultralyd. I uorganiske medier forplanter ultralyd seg med en hastighet som avhenger av mediets elastisitet og tetthet.

Når det gjelder organiske medier, her påvirkes hastigheten av grensene og deres natur, det vil si at fasehastigheten avhenger av frekvensen (dispersjonen). Ultralyd avtar med avstanden til bølgefronten fra kilden — fronten divergerer, ultralyden er spredt, absorbert.

Mediets indre friksjon (skjærviskositet) fører til klassisk absorpsjon av ultralyd, dessuten er relaksasjonsabsorpsjonen for ultralyd overlegen den klassiske. I gass svekkes ultralyd sterkere, i faste stoffer og i væsker er den mye svakere. I vann, for eksempel, brytes den ned 1000 ganger langsommere enn i luft. Dermed er de industrielle anvendelsene av ultralyd nesten utelukkende relatert til faste stoffer og væsker.

Bruk av ultralyd

Bruken av ultralyd utvikler seg i følgende retninger:

• ultralydteknologi, som gjør det mulig å produsere irreversible effekter på et gitt stoff og på forløpet av fysisk-kjemiske prosesser ved hjelp av ultralyd med en intensitet på enheter på W / cm2 til hundretusenvis av W / cm2;
• ultralydkontroll basert på avhengigheten av absorpsjonen og hastigheten til ultralyd på tilstanden til mediet som det forplanter seg gjennom;
• ultrasoniske lokaliseringsmetoder, signalforsinkelseslinjer, medisinsk diagnostikk, etc., basert på evnen til ultralydvibrasjoner med høyere frekvenser til å forplante seg i rettlinjede stråler (stråler), følge lovene for geometrisk akustikk og samtidig forplante seg med relativt lav hastighet.

Ultralyd spiller en spesiell rolle i studiet av strukturen og egenskapene til et stoff, siden det med deres hjelp er relativt enkelt å bestemme de mest forskjellige egenskapene til materialmiljøer, for eksempel elastiske og viskoelastiske konstanter, termodynamiske egenskaper, former for Fermi-overflater, dislokasjoner, ufullkommenheter i krystallgitteret osv. Den relevante grenen av studiet av ultralyd kalles molekylær akustikk.

Ultralyd i ekkolokalisering og sonar (mat, forsvar, gruvedrift)

Den første prototypen av ekkolodd ble laget for å forhindre skipskollisjoner med isblokker og isfjell av den russiske ingeniøren Shilovsky sammen med den franske fysikeren Langevin i 1912.

Enheten bruker prinsippet om lydbølgerefleksjon og mottak. Signalet var rettet mot et visst punkt, og ved forsinkelsen av responssignalet (ekko), vel vitende om lydhastigheten, var det mulig å estimere avstanden til hindringen som reflekterte lyden.

Shilovsky og Langevin begynte en dyptgående studie av hydroakustikk og opprettet snart en enhet som var i stand til å oppdage fiendtlige ubåter i Middelhavet i en avstand på opptil 2 kilometer. Alle moderne sonarer, inkludert militære, er etterkommere av denne enheten.

Moderne ekkolodd for å studere bunnrelieff består av fire blokker: en sender, en mottaker, en svinger og en skjerm.Senderens funksjon er å sende ultralydpulser (50 kHz, 192 kHz eller 200 kHz) dypt ned i vannet, som forplanter seg gjennom vannet med en hastighet på 1,5 km/s, hvor de reflekteres av fisk, steiner, andre gjenstander. og nedenfor, etter at dette ekkoet når mottakeren, behandles en omformer og resultatet vises på skjermen i en form som er praktisk for visuell persepsjon.

Ultralyd i elektronisk og elektrisk industri

Mange områder av moderne fysikk kan ikke klare seg uten ultralyd. Fysikken til faste stoffer og halvledere, så vel som akustoelelektronikk, er på mange måter nært beslektet med ultralydforskningsmetoder - med effekter ved en frekvens på 20 kHz og høyere. En spesiell plass her er okkupert av akustoelelektronikk, der ultralydbølger samhandler med elektriske felt og elektroner inne i faste legemer.

Volumetriske ultralydbølger brukes i forsinkelseslinjer og i kvartsresonatorer for å stabilisere frekvensen i moderne elektroniske systemer for behandling og overføring av informasjon.Akustiske overflatebølger inntar en spesiell plass i båndpassfiltre for TV, i frekvenssynthesizere, i enheter for overføring av akustiske bølger, i minne- og bildeleseenheter. Til slutt bruker korrelatorer og konvolvere den tverrgående akustoelelektriske effekten i sin operasjon.

Radioelektronikk og ultralyd

Ultralydforsinkelseslinjer er nyttige for å forsinke ett elektrisk signal i forhold til et annet.En elektrisk puls omdannes til en pulsert mekanisk vibrasjon med en ultralydfrekvens, som forplanter seg mange ganger langsommere enn en elektromagnetisk puls; den mekaniske vibrasjonen konverteres så tilbake til en elektrisk puls og det produseres et signal som er forsinket i forhold til den opprinnelige inngangen.

For slik konvertering brukes vanligvis piezoelektriske eller magnetostriktive transdusere, og det er grunnen til at forsinkelseslinjer også kalles piezoelektriske eller magnetostriktive.

I en piezoelektrisk forsinkelseslinje tilføres et elektrisk signal til en kvartsplate (piezoelektrisk transduser) som er stivt koblet til en metallstang.

En andre piezoelektrisk transduser er koblet til den andre enden av stangen. Inngangstransduseren mottar signalet, genererer mekaniske vibrasjoner som forplanter seg langs stangen, og når vibrasjonene når den andre transduseren gjennom stangen, produseres et elektrisk signal igjen.

Forplantningshastigheten av vibrasjoner langs stangen er mye mindre enn for et elektrisk signal, derfor er signalet som passerer gjennom stangen forsinket i forhold til inngangen med en mengde relatert til forskjellen i hastighetene til elektromagnetiske og ultralydsvibrasjoner.

Den magnetostriktive forsinkelseslinjen vil inneholde inngangstransduseren, magneter, lydtråd, utgangstransduser og absorbere. Inngangssignalet tilføres den første spolen, ultrasoniske frekvensoscillasjoner - mekaniske svingninger - starter i den akustiske lederen til stangen laget av magnetostriktivt materiale - magneten skaper her permanent magnetisering i transformasjonssonen og initial magnetisk induksjon.

I stangen forplanter vibrasjoner seg med en hastighet på 5000 m/s, for eksempel for en stanglengde på 40 cm vil forsinkelsen være 80 μs. Dempere i begge ender av stangen forhindrer uønskede signalrefleksjoner. Magnetostriktive forstyrrelser vil forårsake en endring i induksjonen i den andre viklingen (utgangsomformer) EMF.

Ultralyd i produksjonsindustrien (skjæring og sveising)

Et slipende materiale (kvartssand, diamant, stein osv.) plasseres mellom ultralydkilden og arbeidsstykket. Ultralyd virker på slitende partikler, som igjen treffer delen med frekvensen av ultralyd. Materialet til arbeidsstykket under påvirkning av et stort antall små slag fra slipekorn blir ødelagt - dette er hvordan behandlingen utføres.

Kutting legges til med matebevegelsen, mens langsgående kuttesvingninger er de viktigste. Nøyaktigheten av ultralydbehandling avhenger av størrelsen på kornene til slipemidlet og når 1 mikron. På denne måten lages komplekse kutt, som er nødvendige i produksjon av metalldeler, sliping, gravering og boring.

Hvis det er nødvendig å sveise forskjellige metaller (eller til og med polymerer) eller å kombinere en tykk del med en tynn plate, kommer ultralyd igjen til unnsetning. Dette er den såkalte kald ultralydsveising… Under påvirkning av ultralyd i sveisesonen blir metallet veldig plastisk, delene kan lett rotere under sammenføyning i alle vinkler. Og det er verdt å slå av ultralyden - delene vil umiddelbart koble til, fange.

Det er spesielt bemerkelsesverdig at sveisingen utføres ved en temperatur under delenes smeltepunkt, og at deres sammenkobling faktisk skjer i fast tilstand, men stål, titan og til og med molybden sveises på denne måten. Tynne plater er enklest å sveise. Denne sveisemetoden innebærer ikke spesiell forberedelse av overflaten på delene, dette gjelder også metaller og polymerer.

Ultralydtesting brukes til å oppdage flat-type defekter i metallet under sveising (sprekker, manglende penetrering, mangel på vedheft). Denne metoden er svært effektiv for finkornstål.

Ultralyd i metallurgi (ultralydfeildeteksjon)

Ultralyddeteksjon av defekter - deteksjon av defekter basert på endring av forplantningsforholdene til elastiske, hovedsakelig ultralydvibrasjoner.

Ultralydfeildeteksjon er en av de mest effektive metodene for ikke-destruktiv kvalitetskontroll av metalldeler.

I et homogent medium forplanter ultralyd seg i en retning uten rask dempning, og refleksjon er karakteristisk for det ved mediets grense. Så metalldeler blir sjekket for tomrom og sprekker inne i dem (luft til metall-grensesnitt) og økt metalltretthet oppdages.

Ultralyd kan trenge gjennom en del på 10 meters dybde, og størrelsen på de oppdagede defektene er i størrelsesorden 5 mm. Det er: skygge, puls, resonans, strukturell analyse, visualisering, — fem metoder for ultralydfeildeteksjon.

Den enkleste metoden er ultralydskyggedefektdeteksjon, denne metoden er basert på demping av en ultralydbølge når den møter en defekt når den passerer gjennom en del, da defekten skaper en ultralydskygge.To omformere fungerer: den første sender ut en bølge, den andre mottar den.

Denne metoden er ufølsom, en defekt oppdages bare hvis dens påvirkning endrer signalet med minst 15%, i tillegg er det umulig å bestemme dybden der defekten er lokalisert i delen. Mer nøyaktige resultater oppnås ved pulsert ultralydmetode, den viser også dybden.

For å sende ut og motta elastiske vibrasjoner brukes piezoelektriske svingere, og i området for lyd og lave ultralydfrekvenser — magnetostriktive transdusere.

Følgende metoder brukes for å overføre elastiske vibrasjoner fra transduseren til det kontrollerte produktet og omvendt:

• kontaktløs;
• tørr kontakt (hovedsakelig for lave frekvenser);
• kontakt med et smøremiddel (før testen påføres et lag med olje eller vann med en tykkelse som er mye mindre enn den elastiske bølgelengden på den rent behandlede overflaten av produktet);
• jetkontakt (gjennom en strøm av væske som strømmer i et lite gap mellom det piezoelektriske elementet og overflaten av produktet);
• nedsenking (det kontrollerte produktet nedsenkes i et bad og kontakten skjer gjennom et væskelag, hvis tykkelse må være minst 1/4 av tykkelsen på produktet).

Fordelen med nedsenking, blekkstråle og berøringsfrie metoder er manglende slitasje på søkehodene og muligheten for å bruke høyere skannehastigheter, samt muligheten for automatisering av styringen.

Se også:

Ultralydskjæring av metaller

Installasjoner for ultralydrensing av deler

Ultralydsensorer for automasjonssystemer

Sensorer og måleapparater for å bestemme sammensetningen og egenskapene til stoffer