Створення ультразвуку. Біологічна дія ультразвуку і безпеку. Області застосування діагностики.

Ультразвук - Що це таке?

Теорія та практика.

При всій складності теорії ультразвуку, розібратися в принципах ультразвукового очищення поверхонь не так вже й складно. Ця стаття адресована тим, хто хоче отримати уявлення про основні явища, що використовуються в акустичних технологіях очищення, а головне - зрозуміти, "як ця штука працює", якими критеріями можна керуватися при виборі обладнання, миючих середовищ і режимів обробки.
Технології очищення постійно удосконалюються. Широко використовується в Росії спиртобензиновой суміш для відмивання плат від залишків флюсу і технологічних забруднень втрачає ефективність у міру зменшення розмірів компонентів. У зменшуються пазухах і зазорах немає потрібного обміну розчину, щоб вимити звідти технологічні забруднення.
Бажання поліпшити відмивання збільшенням її часу призводить до вимивання сполучного, утворення білястого нальоту на поверхні плат. Практикується за кордоном конденсационная очищення, яка використовує хлоровані і фторовані вуглеводні, завдає шкоди екології нашої планети і в перспективі зникне. У той же час вимоги до якості очищення безперервно підвищуються.

Чистота стала актуальним фактором якості у багатьох галузях промисловості, чого не було в минулому. В електронній промисловості, де чистота була завжди важлива, вона стала ще більш критичним фактором у забезпеченні спроможності високих технологій.
Створюється враження, що кожне удосконалення технології вимагає все більшого і більшого уваги до чистоти для його реалізації. В результаті технології очищення протягом останніх кількох років були критично переглянуті. Багато з них тепер засновані на використанні ультразвукових методів очищення.
Дійсно, які б ефективні миючі розчини не використовувалися, без додавання акустичної енергії ультразвуку немає можливості забезпечити заданий рівень очищення.

Що таке ультразвук?
Ультразвук (УЗ) - пружні коливання і хвилі, частота яких вище 15 .. .20 кГц. Нижня межа області ультразвукових частот, що відокремлює її від області чутного звуку, визначається суб'єктивними властивостями людського слуху і є умовною. Верхня межа зумовлена \u200b\u200bфізичною природою пружних хвиль, які можуть поширюватися лише в матеріальному середовищі, тобто за умови, що довжина хвилі значно більше довжини вільного пробігу молекул в газах або міжатомних відстаней в рідинах і твердих тілах. Тому в газах верхню межу частот УЗ визначають з умови приблизного рівності довжини звукової хвилі і довжини вільного пробігу молекул. При нормальному тиску вона становить 109 Гц. У рідинах і твердих тілах визначальним є рівність довжини хвилі міжатомним відстаням, і гранична частота сягає 1012-1013 Гц. Залежно від довжини хвилі і частоти УЗ має специфічними особливостями випромінювання, прийому, поширення і застосування, тому область ультразвукових частот зручно поділити на три підобласті: низькі - 1,5-10. ..105 Гц; середні - 105 ... 107 Гц; високі - 1О7 ... 1О9 Гц.

Теорія звукових хвиль.
Ультразвук як пружні хвилі.
ультразвукові хвилі за своєю природою не відрізняються від пружних хвиль чутного діапазону, а також від інфразвукових хвиль. Поширення ультразвуку підкоряється основним законам, загальним для акустичних хвиль будь-якого діапазону частот, зазвичай званих звуковими хвилями. До основних законів їх поширення відносяться закони відображення і заломлення звуку на кордонах різних середовищ, дифракція і розсіювання звуку при наявності перешкод і неоднорідностей в середовищі і нерівностей на кордонах, закони волноводного поширення в обмежених ділянках середовища.

Специфічні особливості ультразвуку.
Хоча фізична природа УЗ і керуючі його поширенням основні закони ті ж, що і для звукових хвиль будь-якого діапазону частот, він має низку специфічних особливостей, що визначають його значимість в науці і техніці. Вони обумовлені його відносно високими частотами і, відповідно, малою довжиною хвилі. Для низькочастотної області УЗ довжини хвиль не перевищують в більшості випадків декількох сантиметрів і лише поблизу нижньої межі діапазону досягають в твердих тілах кількох десятків сантиметрів. УЗВ загасають значно швидше, ніж хвилі низькочастотного діапазону, так як коефіцієнт поглинання звуку (на одиницю відстані) пропорційний квадрату частоти.

Ще одна дуже важлива особливість УЗ - можливість отримання високих значень інтенсивності при відносно невеликих амплітудах коливального зміщення, так як при даній амплітуді інтенсивність прямо пропорційна квадрату частоти. Амплітуда коливального зміщення на практиці обмежена міцністю акустичних випромінювачів. Найважливішим нелінійним ефектом в ультразвуковому полі є кавітація - виникнення в рідини маси пульсуючих бульбашок, заповнених паром, газом або їх сумішшю. Складний рух бульбашок, їх закриттю, злиття один з одним і т. Д. Породжують в рідині імпульси стиснення (мікроударние хвилі) і мікропотоки, викликають локальне нагрівання середовища, іонізацію. Ці ефекти впливають на речовину: відбувається руйнування знаходяться в рідині твердих тіл (кавітаційна ерозія), ініціюються або прискорюються різні фізичні і хімічні процеси.

Змінюючи умови протікання кавітації, можна підсилювати або послаблювати різні кавитационні ефекти. Наприклад, зі зростанням частоти УЗ збільшується роль мікропотоків і зменшується кавітаційна ерозія, зі збільшенням гідростатичного тиску в рідині зростає роль мікроударних впливів. Збільшення частоти зазвичай призводить до підвищення порогового значення інтенсивності, що відповідає початку кавітації, яке залежить від роду рідини, її газосодержания, температури і ін. Для води в низькочастотному ультразвуковому діапазоні при атмосферному тиску воно зазвичай становить 0,3-1 Вт / см3.

джерела ультразвуку
У природі УЗ зустрічається в складі багатьох природних шумів (в шумі вітру, водоспаду, дощу, в шумі гальки, перекочується морським прибоєм, в звуках, які супроводжують грозові розряди, і т. Д.), А також в світі тварин, що використовують його для ехолокації і спілкування. Технічні випромінювачі ультразвуку, що використовуються при вивченні УЗВ і їх технічних застосуваннях, Можна поділити на дві групи.

До першої відносяться випромінювачі-генератори (свистки). Коливання в них порушуються через наявність перешкод на шляху постійного потоку струменя газу або рідини.

Друга група випромінювачів - електроакустичні перетворювачі: вони перетворять вже задані електричні коливання в механічні коливання будь-якого твердого тіла, яке і випромінює в навколишнє середовище акустичні хвилі.

Застосування ультразвуку.
Різноманітні застосування УЗ, при яких використовуються різні його особливості, можна умовно розбити на три напрямки.
Перша пов'язана з отриманням інформації за допомогою УЗВ, друге - з активним впливом на речовина і третє - з обробкою і передачею сигналів (напрямки перераховані в порядку їх історичного становлення).

Принципи ультразвукового очищення.
Основну роль при впливі УЗ на речовини і процеси в рідинах грає кавітація. На квітці заснований отримав найбільшого поширення ультразвукової технологічний процес - очищення поверхонь твердих тіл. Залежно від характеру забруднень більше чи менше значення можуть мати різні прояви кавітації, такі як мікроударние впливу, мікропотоки, нагрівання. Підбираючи параметри звукового поля, фізико-хімічні властивості миючої рідини, її газосодержание, зовнішні фактори (тиск, температуру), можна в широких межах управляти процесом очищення, оптимізуючи його стосовно типу забруднень і виду очищаються деталей.

Різновидом очищення є травлення в ультразвуковому полі, де дія УЗ поєднується з дією сильних хімічних реагентів. Ультразвукова металлизация і пайка грунтуються фактично на ультразвукововой очищення (в т. Ч. Від окисної плівки) З'єднуються або металізуюча поверхонь. Очищення при пайку обумовлена \u200b\u200bкавитацией в розплавленому металі. Ступінь очищення при цьому така висока, що утворюються сполуки неспаіваемих в звичайних умовах матеріалів, наприклад, алюмінію з іншими металами, різних металів зі склом, керамікою, пластмасами. У процесах очищення та металізації істотне значення має також звукокапілярний ефект, що забезпечує проникнення миючого розчину або розплаву в найдрібніші тріщини і пори.

Механізми очищення і відмивання.
Очищення в більшості випадків вимагає, щоб забруднення були розчинені (в разі розчинення солей), зчищені (в разі нерозчинних солей) або і розчинені, і зчищені (як у випадку нерозчинних частинок, закріплених в шарі жирових плівок). Механічні ефекти ультразвукової енергії можуть бути корисні як для прискорення розчинення, так і для відділення частинок від поверхні, що очищається.
Ультразвук також можна ефективно використовувати в процесі ополіскування. Залишкові хімікалії миючих середовищ можуть бути швидко видалені ультразвуковим обполіскуванням. При видаленні забруднень розчиненням, розчинника необхідно увійти в контакт з забруднює плівкою і зруйнувати її.

У міру того як розчинник розчиняє забруднення, на кордоні розчинник-забруднення виникає насичений розчин забруднення в розчиннику, і розчинення зупиняється, оскільки немає доставки свіжого розчину до поверхні забруднення. Вплив ультразвуку руйнує шар насиченого розчинника і забезпечує доставку свіжого розчину до поверхні забруднення. Це особливо ефективно, в тих випадках, коли очищення піддаються "неправильні" поверхні з лабіринтом пазух і рельєфу поверхонь, до яких відносяться друковані плати та електронні модулі. Деякі забруднення являють собою шар нерозчинних частинок, міцно зчеплений з поверхнею силами іонної зв'язку та адгезії. Ці частинки досить тільки відокремити від поверхні, щоб розірвати сили тяжіння і перевести їх в обсяг миючої середовища для подальшого видалення. Кавітація і акустичні течії зривають з поверхні забруднення типу пилу, змивають і видаляють їх.

Забруднення, як правило, багатокомпонентні і можуть в комплексі містити розчинні і нерозчинні компоненти. Ефект УЗ в тому і полягає, що він емульгує будь-які компоненти, тобто переводить їх в миючу середу і разом з нею видаляє їх з поверхні виробів. Щоб ввести ультразвукову енергію в систему очищення необхідний УЗ-генератор, перетворювач електричної енергії генератора в УЗ-випромінювання і вимірювач акустичної потужності.
Електричний ультразвуковий генератор конвертує електричну енергію мережі в електричну енергію на ультразвукової частоті. Це виконується відомими способами і не має будь-якої специфіки. Однак, краще використовувати цифрову техніку генерації, коли на виході виходять прямокутні імпульси чергується полярності. ККД таких генераторів близький до 100%, що дозволяє вирішити проблему енергоємності процесу. Використання сигналу прямокутної форми призводить до акустичного випромінювання, багатому гармоніками. Переваги многочастотной системи очищення полягають у тому, що в обсязі миючої середовища не утворюється "мертвих" зон в вузлах інтерференції. Тому багаточастотну УЗ-опромінення дозволяє розташовувати об'єкт очищення практично в будь-якій зоні УЗ-ванни.

Іншим прийомом позбавлення від "мертвих" зон є використання генератора з хитається частотою. В цьому випадку вузли і пучности интерференционного поля переміщаються на різні точки очищає системи, не залишаючи без опромінення будь-які ділянки для очищення. Але ККД таких генераторів відносно низький.

Перетворювачі.
Є два загальних типу ультразвукових перетворювачів: магнітострикційний і п'єзоелектричний. Вони обидва виконують однакову задачу перетворення електричної енергії в механічну. У магнітострикційних перетворювачів використовують ефект магнітострикції, при якому деякі матеріали змінюють лінійні розміри в змінному магнітному полі. Електрична енергія від ультразвукового генератора спочатку перетвориться обмоткою магнітостріктора в змінне магнітне поле. Змінне магнітне поле, в свою чергу, породжує механічні коливання ультразвукової частоти за рахунок деформації муздрамтеатру в такт з частотою магнітного поля. Оскільки магнітострикційні матеріали поводяться подібно електромагнітам, частота їх деформаційних коливань в два рази вище частоти магнітного, а, значить, і електричного поля.
Електромагнітним перетворювачів властивий зростання втрат енергії на вихрові струми і перемагничивание з ростом частоти. Тому потужні магнітострикційні перетворювачі рідко використовують на частотах вище 20 кГц.

П'єзоперетворювачі, навпаки, можуть добре випромінювати в мегагерцовому діапазоні. Магнітострикційні перетворювачі взагалі менш ефективні, ніж їх пьезое-лектріческая аналоги. Це обумовлено, перш за все, тим, що магнітострикційні перетворювач вимагає подвійного енергетичного перетворення: з електричного в магнітне і потім з магнітного в механічне. Втрати енергії відбуваються на кожному перетворенні. Це зменшує ККД магнітострікторов.
П'єзоперетворювачі конвертують електричну енергію прямо в механічну за рахунок використання п'єзоелектричного ефекту, при якому деякі матеріали (п'єзоелектрики) змінюють лінійні розміри при додатку електричного поля.
Раніше для пьезоізлучателей використовували такі п'єзоелектричні матеріали як природні кристали кварцу і синтезується титанат барію, які були крихкими і нестабільними, а тому і ненадійними.
В сучасних перетворювачах використовують більш міцні і високостабільні керамічні п'єзоелектричні матеріали. Переважна більшість систем УЗ-очищення використовують сьогодні п'єзоелектричний ефект.

Устаткування ультразвукового очищення.
Діапазон використовуваного обладнання ультразвукового очищення дуже широкий: від малих настільних модулів в стоматології, ювелірних магазинах, електронної індустрії до величезних систем з обсягами в кілька тисяч літрів в ряді промислових застосувань. Правильний вибір необхідного обладнання має першорядне значення в успіху застосування ультразвукового очищення. Найпростіше застосування УЗ очищення може вимагати лише нагрітої миючої рідини. Більш складні системи очищення вимагають великої кількості ванн, останні з яких повинні бути наповнені дистильованою або деионизированной водою.
самі великі системи використовують занурюються ультразвукові перетворювачі, комбінація яких може опромінити ванни майже будь-якого розміру. Вони забезпечують максимальну гнучкість і легкість у використанні і обслуговування. Ультразвукові ванни з підігрівом миючого розчину найбільш часто застосовуються в лабораторіях, медицині, ювелірній справі.
Лінії УЗ-очищення, що використовуються в великому виробництві, об'єднують в одному корпусі електричні УЗ-генератори, УЗ-перетворювачі, транспортну систему переміщення об'єктів очищення по ванн і систему управління. УЗ-ванни можуть бути включені в лінію хімікогальванічні металізації з використанням модульних занурюються ультразвукових перетворень-зователем.

Системи УЗ-очищення
При виборі системи очищення особливо важливо звертати увагу на ті характеристики, які дозволяють найбільш ефективно використовувати її. В першу чергу важливо визначити чинники інтенсивності ультразвукової кавітації в миючої рідини. Температура рідини - найбільш важливий фактор, Що забезпечує інтенсивність кавітації. Зміни температури призводять до змін в'язкості, розчинності газу в рідині, швидкості дифузії розчинених газів в рідині і тиску пари.
Всі вони впливають на інтенсивність кавітації. В'язкі рідини інерційні і не можуть реагувати досить швидко, щоб формувати кавитационні бульбашки і сильні акустичні течії. Для найбільш ефективної кавітації очищає рідина повинна містити якомога менше розчиненого газу.
Газ, розчинений у рідині, виходить під час бульбашкового фази зростання кавітації і послаблює її вибуховий ефект, який необхідний для очікуваного ефекту ультразвукового впливу. Кількість розчиненого газу в рідині зменшується зі збільшенням температури.
Швидкість дифузії розчинених газів в рідині також збільшується при більш високих температурах. Тому перевагу віддають очищення в підігрітих миючих розчинах.
Пароподібна кавітація, в якій кавитационні бульбашки заповнені парою рідини, є найбільш ефективною. Інтенсивність кавітації прямо пов'язана з потужністю ультразвукового опромінення. Зазвичай її встановлюють вище кавитационного порога. Інтенсивність кавітації обернено пропорційна ультразвукової частоті: зі збільшенням ультразвукової частоти зменшуються розміри кавітаційних бульбашок і їх результуюча вплив на зовнішніх поверхнях. Компенсувати зменшення інтенсивності ультразвукового впливу зі збільшенням частоти можна тільки збільшенням потужності опромінення.

Забезпечення максимального ефекту очищення
Вдалий вибір миючих середовищ - запорука успіху в процесі ультразвукового очищення. В першу чергу обраний склад повинен бути сумісний з матеріалами очищуються. Найбільш підходять для цього водні розчини технічних миючих засобів. Як правило, це звичайні поверхнево активні речовини (ПАР). Дегазація миючих розчинів надзвичайно важлива в досягненні задовільних результатів очищення. Свіжі розчини або розчини, які напередодні були охолоджені, повинні бути дегазовані перед процесом очищення. Дегазація виконується нагріванням рідини і попередніми опроміненням ванни ультразвуком. Час, заданий для дегазації рідини, становить від кількох хвилин для ванн малого розміру до години або більше для великого резервуара. Ненагретий резервуар може дегазувати кілька годин. Ознакою закінчилася дегазації є відсутність видимих \u200b\u200bбульбашок газу, що переміщаються до поверхні рідини, і відсутність видимої пульсацій бульбашок. Потужність ультразвукового опромінення повинна зіставлятися з об'ємом ванни. Очищення масивних об'єктів або мають велике відношення поверхні до маси, може вимагати додаткової ультразвукової потужності. Надмірна потужність може викликати кавитационную ерозію або "спалюючи ющий" ефект на м'якій поверхні. Якщо очищаються об'єкти з різнорідними поверхнями, потужність опромінення рекомендується встановити по менш міцному компоненту.
Важливо правильно розміщувати очищаються об'єкти в ванні. Занурюються пристрої не повинні екранувати об'єкти від впливу ультразвуку.
Тверді матеріали зазвичай мають гарну звукопроводностью і не екранують об'єкт очищення. Разом з тим, об'єкти очищення потрібно постійно орієнтувати або обертати їх під час очищення так, щоб повністю очистити внутрішні пазухи і глухі отвори.

Належним чином використовувана ультразвукова технологія забезпечує більшу швидкість і висока якість очищення поверхонь.
Відмова від використання розчинників за рахунок застосування водних середовищ здешевлює процес і найбільш ефективно вирішує екологічні проблеми.
Ультразвук - це не технологія майбутнього, це технологія сьогоднішнього дня.

Аркадій Медведєв.

Частоти 16 - 18000 Гц, які здатний сприймати слуховий апарат людини прийнято називати звуковими, наприклад писк комара »10 кГц. Але повітря, глибини морів і земні надра наповнені звуками, що лежать нижче і вище цього діапазону - інфра і ультразвуками. У природі ультразвук зустрічається в якості компонента багатьох природних шумів: в шумі вітру, водоспаду, дощу, морської гальки, перекочується прибоєм, в грозових розрядах. Багато ссавці, наприклад кішки і собаки, мають здатність сприйняття ультразвуку частотою до 100 кГц, а локаційні здатності кажанів, нічних комах і морських тварин всім добре відомі. Існування нечутні звуків було виявлено з розвитком акустики в кінці XIX століття. Тоді ж почалися перші дослідження ультразвуку, але основи його застосування були закладені тільки в першій третині XX-століття.

Нижньою межею ультразвукового діапазону називають пружні коливання частотою від 18 кГц. Верхня межа ультразвуку визначається природою пружних хвиль, які можуть поширюватися тільки за тієї умови, що довжина хвилі значно більше довжини вільного пробігу молекул (в газах) або міжатомних відстаней (в рідинах і газах). У газах верхня межа становить »106 кГц, в рідинах і твердих тілах» 1010 кГц. Як правило, ультразвуком називають частоти до 106 кГц. Більш високі частоти прийнято називати гіперзвуком.

Ультразвукові хвилі за своєю природою не відрізняються від хвиль чутного діапазону і підкоряються тим же фізичним законам. Але, у ультразвуку є специфічні особливості, які визначили його широке застосування в науці і техніці. Ось основні з них:

• Мала довжина хвилі. Для найнижчого ультразвукового діапазону довжина хвилі не перевищує в більшості середовищ декількох сантиметрів. Мала довжина хвилі обумовлює променевої характер поширення УЗ хвиль. Поблизу випромінювача ультразвук поширюється у вигляді пучків за розміром близьких до розміру випромінювача. Потрапляючи на неоднорідності в середовищі, ультразвуковий пучок поводиться як світловий промінь, відчуваючи відображення, заломлення, розсіювання, що дозволяє формувати звукові зображення в оптично непрозорих середовищах, використовуючи чисто оптичні ефекти (фокусування, дифракцію і ін.)
• Малий період коливань, що дозволяє випромінювати ультразвук у вигляді імпульсів і здійснювати в середовищі точну тимчасову селекцію розповсюджуються сигналів.
• Можливість отримання високих значень енергії коливань при малій амплітуді, тому що енергія коливань пропорційна квадрату частоти. Це дозволяє створювати УЗ пучки і поля з високим рівнем енергії, не вимагаючи при цьому великогабаритної апаратури.
• В ультразвуковому полі розвиваються значні акустичні течії. Тому вплив ультразвуку на середу породжує специфічні ефекти: фізичні, хімічні, біологічні та медичні. Такі як кавітація, звукокапілярний ефект, диспергування, емульгування, дегазація, знезараження, локальний нагрів і багато інших.
• Ультразвук нечутний і не створює дискомфорту обслуговуючому персоналу.

Історія ультразвуку. Хто відкрив ультразвук.

Увага до акустики було викликано потребами морського флоту провідних держав - Англії і Франції, тому що акустичний - єдиний вид сигналу, здатний далеко поширюватися в воді. У 1826 році французький учений Колладон визначив швидкість звуку у воді. Експеримент Колладона вважається народженням сучасної гідроакустики. Удар в підводний дзвін у Женевському озері відбувався з одночасним підпалом пороху. Спалах від пороху спостерігалася Колладон на відстані 10 миль. Він також чув звук дзвону за допомогою підводного слухової труби. Вимірюючи часовий інтервал між цими двома подіями, Колладон обчислив швидкість звуку - 1435 м / сек. Різниця з сучасними обчисленнями тільки 3 м / сек.

У 1838 році, в США, звук вперше застосували для визначення профілю морського дна з метою прокладки телеграфного кабелю. Джерелом звуку, як і в досвіді Колладона, був дзвін, що звучить під водою, а приймачем великі слухові труби, опускалися за борт корабля. Результати досвіду виявилися невтішними. Звук дзвони (як, втім, і підрив в воді порохових патронів), давав дуже слабке відлуння, майже не чутне серед інших звуків моря. Треба було йти в область більш високих частот, що дозволяють створювати спрямовані звукові пучки.

Перший генератор ультразвуку зробив в 1883 році англієць Френсіс Гальтон. Ультразвук створювався подібно свисту на вістрі ножа, якщо на нього дути. Роль такого вістря в свистку Гальтона грав циліндр з гострими краями. Повітря або інший газ, що виходить під тиском через кільцеве сопло, діаметром таким же, як і кромка циліндра, набігав на кромку, і виникали високочастотні коливання. Продуваючи свисток воднем, вдалося отримати коливання до 170 кГц.

У 1880 році П'єр і Жак Кюрі зробили вирішальний для ультразвукової техніки відкриття. Брати Кюрі помітили, що при чиненні тиску на кристали кварцу генерується електричний заряд, прямо пропорційний прикладається до кристалу силі. Це явище було названо "п'єзоелектрику" від грецького слова, що означає "натиснути". Крім того, вони продемонстрували зворотний п'єзоелектричний ефект, який проявлявся тоді, коли швидко змінюється електричний потенціал застосовувався до кристалу, викликаючи його вібрацію. Відтепер з'явилася технічна можливість виготовлення малогабаритних випромінювачів і приймачів ультразвуку.

Загибель «Титаніка» від зіткнення з айсбергом, необхідність боротьби з новою зброєю - підводними човнами вимагали швидкого розвитку ультразвукової гідроакустики. У 1914 році, французький фізик Поль Ланжевен спільно з талановитим російським ученим-емігрантом - Костянтином Васильовичем Шиловським вперше розробили гідролокатор, що складається з випромінювача ультразвуку і гідрофону - приймача УЗ коливань, заснований на п'єзоефекті. гідролокатор Ланжевена - Шиловського, був першим ультразвуковим пристроєм, Що застосовувався на практиці. Тоді ж російський вчений С.Я.Соколов розробив основи ультразвукової дефектоскопії в промисловості. У 1937 році німецький лікар-психіатр Карл Дуссік, разом з братом Фрідріхом, фізиком, вперше застосували ультразвук для виявлення пухлин головного мозку, але результати, отримані ними, виявилися недостовірними. У медичній практиці ультразвук вперше почали застосовувати тільки з 50-х років XX-го століття в США.

Отримання ультразвуку.

Випромінювачі ультразвуку можна розділити на дві великі групи:

1) Коливання збуджуються перешкодами на шляху струменя газу або рідини, або перериванням струменя газу або рідини. Використовуються обмежено, в основному для отримання потужного УЗ в газовому середовищі.

2) Коливання збуджуються перетворенням в механічні коливань струму або напруги. У більшості ультразвукових пристроїв використовуються випромінювачі цієї групи: п'єзоелектричні і магнітострикційні перетворювачі.

Крім перетворювачів, заснованих на п'єзоефекті, для отримання потужного ультразвукового пучка використовуються магнітострикційні перетворювачі. Магнітострикція - це зміна розмірів тіл при зміні їх магнітного стану. Сердечник з магнитострикционного матеріалу, поміщений в провідну обмотку змінює свою довжину відповідно до форми токового сигналу, що проходить по обмотці. Дане явище, відкрите в 1842 р Джеймсом Джоулем, властиво феромагнетика і феритів. Найбільш вживані магнітострикційні матеріали це сплави на основі нікелю, кобальту, заліза і алюмінію. Найбільшою інтенсивності ультразвукового випромінювання дозволяє досягти сплав пермендюр (49% Co, 2% V, інше Fe), який використовується в потужних УЗ випромінювачі. Зокрема в, що випускаються нашим підприємством.

Застосування ультразвуку.

Різноманітні застосування ультразвуку можна умовно розділити на три напрямки:

• отримання інформації про речовину
• вплив на речовина
• обробка та передача сигналів

Залежність швидкості поширення і затухання акустичних хвиль від властивостей речовини і процесів в них відбуваються, використовується в таких дослідженнях:

• вивчення молекулярних процесів в газах, рідинах і полімерах
• вивчення будови кристалів і інших твердих тіл
• контроль протікання хімічних реакцій, фазових переходів, полімеризації і ін.
• визначення концентрації розчинів
• визначення міцності і складу матеріалів
• визначення наявності домішок
• визначення швидкості течії рідини і газу

Вимірювання швидкості звуку в твердих тілах дозволяє визначати пружні та міцнісні характеристики конструкційних матеріалів. Такий непрямий метод визначення міцності зручний простотою і можливістю використання в реальних умовах.

Ультразвукові газоаналізатори здійснюють стеження за процесами накопичення небезпечних домішок. Залежність швидкості УЗ від температури використовується для безконтактної термометрії газів і рідин.

На вимірюванні швидкості звуку в рухомих рідинах і газах, в тому числі неоднорідних (емульсії, суспензії, пульпи), засновані ультразвукові витратоміри, що працюють на ефекті Доплера. Аналогічна апаратура використовується для визначення швидкості і витрати потоку крові в клінічних дослідженнях.

Велика група методів вимірювання заснована на відображенні і розсіянні хвиль ультразвуку на кордонах між середовищами. Ці методи дозволяють точно визначати місцезнаходження сторонніх для середовища тел і використовуються в таких сферах як:

• гидролокация
• неруйнівний контроль і дефектоскопія
• медична діагностика
• визначення рівнів рідин і сипучих тіл в закритих ємностях
• визначення розмірів виробів
• візуалізація звукових полів - звукобачення і акустична голографія

Відображення, заломлення і можливість фокусування ультразвуку використовується в ультразвукової дефектоскопії, в ультразвукових акустичних мікроскопах, в медичній діагностиці, для вивчення макронеоднородностей речовини. Наявність неоднорідностей і їх координати визначаються по відбитих сигналах або за структурою тіні.

Методи вимірювання, засновані на залежності параметрів резонансної коливальної системи від властивостей навантажувальної його середовища (імпеданс), застосовуються для безперервного вимірювання в'язкості і щільності рідин, для вимірювання товщини деталей, доступ до яких можливий тільки з одного боку. Цей же принцип лежить в основі УЗ твердомірів, рівнемірів, сигналізаторів рівня. Переваги УЗ методів контролю: малий час вимірювань, можливість контролю вибухонебезпечних, агресивних і токсичних середовищ, відсутність впливу інструменту на контрольовану середу і процеси.

Вплив ультразвуку на речовину.

Вплив ультразвуку на речовину, що приводить до незворотних змін в ньому, широко використовується в промисловості. При цьому механізми впливу ультразвуку різні для різних середовищ. У газах основним чинником, що діє є акустичні течії, що прискорюють процеси тепломасообміну. Причому ефективність УЗ перемішування значно вище звичайного гідродинамічного, тому що прикордонний шар має меншу товщину і як наслідок, більший градієнт температури або концентрації. Цей ефект використовується в таких процесах, як:

• ультразвукова сушка
• горіння в ультразвуковому полі
• коагуляція аерозолів

У ультразвукової обробки рідин основним діючим фактором є кавітація . На ефекті кавітації засновані наступні технологічні процеси:

• ультразвукове очищення
• металлизация і пайка
• звукокапілярний ефект - проникнення рідин в найдрібніші пори і тріщини. Застосовується для просочення пористих матеріалів і має місце при будь-ультразвукової обробки твердих тіл в рідинах.
• кристалізація
• інтенсифікація електрохімічних процесів
• отримання аерозолів
• знищення мікроорганізмів і ультразвукова стерилізація інструментів

акустичні течії - один з основних механізмів впливу ультразвуку на речовину. Він обумовлений поглинанням ультразвукової енергії в речовині і в прикордонному шарі. Акустичні потоки відрізняються від гідродинамічних малою товщиною прикордонного шару і можливістю його стоншування зі збільшенням частоти коливань. Це призводить до зменшення товщини температурного або концентраційного погранслоя і збільшення градієнтів температури або концентрації, що визначають швидкість перенесення тепла або маси. Це сприяє прискоренню процесів горіння, сушки, перемішування, перегонки, дифузії, екстракції, просочення, сорбції, кристалізації, розчинення, дегазації рідин і розплавів. У потоці з високою енергією вплив акустичної хвилі здійснюється за рахунок енергії самого потоку, шляхом зміни його турбулентності. В цьому випадку акустична енергія може становити всього частки відсотків від енергії потоку.

При проходженні через рідину звукової хвилі великої інтенсивності, виникає так звана акустична кавітація . У інтенсивної звуковій хвилі під час напівперіодів розрідження виникають кавитационні бульбашки, які різко схлопиваются при переході в область підвищеного тиску. У кавитационной області виникають потужні гідродинамічні збурення у вигляді мікроударних хвиль і мікропотоків. Крім того, схлопування бульбашок супроводжується сильним локальним розігрівом речовини та виділенням газу. Такий вплив призводить до руйнування навіть таких міцних речовин, як сталь і кварц. Цей ефект використовується для диспергування твердих тіл, отримання дрібнодисперсних емульсій змішуються рідин, збудження і прискорення хімічних реакцій, знищення мікроорганізмів, екстрагування з тваринних і рослинних клітин ферментів. Кавітація визначає також такі ефекти як слабке світіння рідини під дією ультразвуку - звуколюмінесценція , І аномально глибоке проникнення рідини в капіляри - звукокапілярний ефект .

Кавітаційне диспергування кристалів карбонату кальцію (накипу) лежить в основі акустичних протинакипних пристроїв. Під впливом ультразвуку відбувається розколювання частинок, що знаходяться у воді, їх середні розміри зменшуються з 10 до 1 мікрона, збільшується їх кількість і загальна площа поверхні частинок. Це призводить до переносу процесу утворення накипу з теплообмінної поверхні в безпосередньо в рідину. Ультразвук так само впливає і на сформований шар накипу, утворюючи в ньому мікротріщини сприяють відколювання шматочків накипу з теплообмінної поверхні.

В установках з ультразвукової очищенні за допомогою кавітації і породжуваних нею мікропотоків видаляють забруднення як жорстко пов'язані з поверхнею, типу окалини, накипу, задирок, так і м'які забруднення типу жирних плівок, бруду і т.п. Цей же ефект використовується для інтенсифікації електролітичного процесів.

Під дією ультразвуку виникає такий цікавий ефект, як акустична коагуляція, тобто зближення і укрупнення зважених часток в рідині і газі. Фізичний механізм цього явища ще не остаточно ясний. Акустична коагуляція застосовується для осадження промислового пилу, димів і туманів при низьких для ультразвуку частотах до 20 кГц. Можливо, що благотворну дію дзвону церковних дзвонів засноване на цьому ефекті.

Механічна обробка твердих тіл із застосуванням ультразвуку заснована на наступних ефектах:

• зменшення тертя між поверхнями при УЗ коливаннях однієї з них
• зниження межі текучості або пластична деформація під дією УЗ
• зміцнення і зниження залишкових напружень в металах під ударним впливом інструменту з УЗ частотою
• Комбінований вплив статичного стискання і ультразвукових коливань використовується в ультразвукової зварюванні

Розрізняють чотири види мехобработки за допомогою ультразвуку:

• розмірна обробка деталей з твердих і крихких матеріалів
• різання важкооброблюваних матеріалів з накладенням УЗ на ріжучий інструмент
• зняття задирок в ультразвукової ванні
• шліфування в'язких матеріалів з ультразвукової очищенням шліфувального круга

Дії ультразвуку на біологічні об'єкти викликає різноманітні ефекти і реакції в тканинах організму, що широко використовується в ультразвукової терапії і хірургії. Ультразвук є каталізатором, який пришвидшує встановлення рівноважного, з точки зору фізіології стану організму, тобто здорового стану. УЗ надає на хворі тканини значно більший вплив, ніж на здорові. Також використовується ультразвукове розпорошення лікарських засобів при інгаляціях. Ультразвукова хірургія заснована на наступних ефектах: руйнування тканин власне сфокусованим ультразвуком і накладення ультразвукових коливань на ріжучий хірургічний інструмент.

Ультразвукові пристрої застосовуються для перетворення і аналогової обробки електронних сигналів і для управління світловими сигналами в оптиці і оптоелектроніці. Мала швидкість ультразвуку використовується в лініях затримки. Управління оптичними сигналами грунтується на дифракції світла на ультразвуку. Один з видів такої дифракції - т.н.брегговская дифракція залежить від довжини хвилі ультразвуку, що дозволяє виділити з широкого спектру світлового випромінювання вузький частотний інтервал, тобто здійснювати фільтрацію світла.

Ультразвук надзвичайно цікава річ і можна припустити, що багато можливостей його практичного застосування до сих пір не відомі людству. Ми любимо і знаємо ультразвук і будемо раді обговорити будь-які ідеї, пов'язані його застосуванням.

Де застосовується ультразвук - зведена таблиця

Наше підприємство, ТОВ «Кільце-енерго», займається виробництвом і монтажем акустичних протинакипних пристроїв «Акустик-Т». Пристрої, що випускаються нашим підприємством, відрізняються виключно високим рівнем ультразвукового сигналу, що дозволяє їм працювати на котлах без водопідготовки і пароводяних бойлерах з артезіанською водою. Але запобігання накипу - дуже мала частина того, що може ультразвук. У цього дивного природного інструменту величезні можливості і ми хочемо розповісти вам про них. Співробітники нашої компанії багато років працювали в провідних російських підприємствах, що займаються акустикою. Ми знаємо про ультразвук дуже багато. І якщо раптом виникне необхідність застосувати ультразвук у вашій технології,

Головна » інструкції » Створення ультразвуку. Біологічна дія ультразвуку і безпеку. Області застосування діагностики.