Създаването на ултразвук. Биологични ефекти от ултразвук и безопасност. Области на приложение за диагностика.

Ултразвук - Какво е това?

Теория и практика.

С цялата сложност на теорията на ултразвука, за да се разберат принципите на ултразвукова почистване повърхности не е толкова трудно. Тази статия е предназначена за тези, които искат да получат представа за основните явления, използвани в технологиите за акустично почистване, и най-важното е да разберат "как работи това нещо", какви критерии могат да се използват за насочване на избора на оборудване, почистващи среди и режими на обработка.
Технологиите за почистване постоянно се подобряват. Сместа алкохол-бензин, която се използва широко в Русия за почистване на плоскостите от остатъци от флюс и технологични замърсители, губи своята ефективност с намаляването на размера на компонентите. В намаляващите синуси и пропуски няма необходимата размяна на разтвора, за да се измие технологичното замърсяване от там.
Желанието за подобряване на измиването с увеличаване на времето води до излугване на свързващото вещество, образуването на белезникава плака на повърхността на дъските. Пречистването на кондензацията, практикувано в чужбина, използвайки хлорирани и флуорирани въглеводороди, уврежда екологията на нашата планета и ще изчезне в бъдеще. В същото време изискванията за качеството на почистването непрекъснато се увеличават.

Чистотата се превърна в съответен качествен фактор в много индустрии, което в миналото не беше така. В електронната промишленост, където чистотата винаги е била важна, тя се превърна в още по-критичен фактор за осигуряване на последователността на високите технологии.
Изглежда, че всяко подобрение в технологиите изисква все повече внимание към чистотата за нейното прилагане. В резултат на това технологиите за почистване са критично преразгледани през последните няколко години. Много от тях сега се основават на използването на ултразвукови методи за почистване.
Всъщност, без значение колко ефективни са почистващите разтвори, без добавянето на акустична енергия на ултразвука, не е възможно да се осигури определено ниво на почистване.

Какво е ултразвук?
Ултразвук (US) - еластични вибрации и вълни, чиято честота е по-висока от 15 .. .20 kHz. Долната граница на ултразвуковата честотна област, която я отделя от областта на звуковия звук, се определя от субективните свойства на човешкия слух и е условна. Горната граница се дължи на физическата природа на еластичните вълни, които могат да се разпространяват само в материалната среда, т.е. при условие, че дължината на вълната е значително по-голяма от средния свободен път на молекулите в газовете или междуатомните разстояния в течности и твърди вещества. Следователно, в газовете, горната граница на ултразвуковите честоти се определя от условието за приблизително равенство на дължината на звуковата вълна и средния свободен път на молекулите. При нормално налягане тя е 109 Hz. В течностите и твърдите вещества решаващо е равенството на дължината на вълната с междуатомните разстояния, а честотата на прекъсване достига 1012-1013 Hz. В зависимост от дължината на вълната и честотата, ултразвукът има специфични характеристики на излъчване, приемане, разпространение и използване, следователно диапазонът на ултразвуковите честоти е удобно разделен на три подрегиона: нисък - 1.5-10. .105 Hz; средна - 105 ... 107 Hz; висока - 1O7 ... 1O9 Hz.

Теория на звуковите вълни.
Ултразвук като еластични вълни.
Ултразвукови вълни   по своята природа те не се различават от еластичните вълни на звуковия диапазон, както и от инфразвукови вълни. Разпространението на ултразвук е подчинено на основните закони, които са общи за акустичните вълни от всеки честотен диапазон, обикновено наричани звукови вълни. Основните закони на тяхното разпространение включват законите на отражение и пречупване на звука в границите на различни среди, дифракция и разсейване на звука при наличие на препятствия и нееднородности в средата и неравномерности на границите, закони на разпространение на вълноводите в ограничени области на средата.

Специфичните особености на ултразвука.
Въпреки че физическата природа на ултразвука и неговият контрол на разпространението, основните закони са същите като за звукови вълни от всеки честотен диапазон, той има редица специфични характеристики, които определят неговото значение в науката и технологиите. Те се дължат на относително високите му честоти и съответно на малка дължина на вълната. За област с ниска честота, дължините на ултразвуковите вълни не превишават няколко сантиметра в повечето случаи и само в близост до долната граница на обхвата, няколко десетки сантиметра достигат твърди частици. Ултразвуковите вълни намаляват много по-бързо от вълните в нискочестотния диапазон, тъй като коефициентът на звуково поглъщане (на единица разстояние) е пропорционален на квадрата на честотата.

Друга много важна характеристика на ултразвука е възможността за получаване на високи стойности на интензивност при относително малки амплитуди на вибрационното изместване, тъй като при дадена амплитуда интензитетът е правопропорционален на квадрата на честотата. Амплитудата на колебателното изместване на практика е ограничена от силата на акустичните излъчватели. Най-важният нелинеен ефект в ултразвуково поле е кавитация - появата в маса на маса от пулсиращи мехурчета, пълни с пара, газ или тяхната смес. Сложното движение на мехурчетата, тяхното срутване, сливане помежду си и т.н., генерират компресионни импулси (микро-шокови вълни) и микро-потоци в течност, причиняват локално нагряване на средата и йонизация. Тези ефекти засягат веществото: настъпва разрушаването на твърди вещества в течност (кавитационна ерозия), започват или ускоряват се различни физични и химични процеси.

Чрез промяна на условията на кавитация може да се повишат или отслабят различни кавитационни ефекти. Например, с увеличаване на честотата на ултразвука, ролята на микропотоците се увеличава и кавитационната ерозия намалява, а с увеличаването на хидростатичното налягане в течността, ролята на микроударните ефекти се увеличава. Увеличаването на честотата обикновено води до увеличаване на праговата стойност на интензитета, съответстваща на началото на кавитацията, която зависи от вида на течността, неговото газово съдържание, температура и др. За вода в нискочестотния ултразвуков диапазон при атмосферно налягане, тя обикновено е 0,3-1 W / cm3.

Ултразвукови източници
В природата ултразвукът може да се намери в много естествени шумове (в шума на вятъра, водопада, дъжда, в шума от камъчета, валцувани от сърф, в звуците, придружаващи мълния и т.н.), както и в света на животните, които го използват за ехолокация и комуникация. Технически излъчватели на ултразвук, използвани при изследването на ултразвук и техните технически приложениямогат да бъдат разделени на две групи.

Първата включва излъчватели-генератори (свирки). Осцилациите в тях се възбуждат поради наличието на препятствия по пътя на постоянен поток от газ или течност.

Втората група излъчватели са електроакустични преобразуватели: те преобразуват вече посочените електрически колебания в механични колебания на твърдо вещество, което излъчва акустични вълни в околната среда.

Използването на ултразвук.
Няколко приложения на ултразвук, в които се използват различните му характеристики, могат да бъдат разделени на три области.
Първият е свързан с получаването на информация с помощта на RAS, а вторият - с активно действие върху веществото, а третият - с обработката и предаването на сигнали (посоките са изброени по реда на историческата им формация).

Принципи на ултразвуково почистване.
Основната роля в влиянието на ултразвука върху вещества и процеси в течности е кавитация. Кавитацията се основава на най-широко използвания ултразвуков технологичен процес - почистване на повърхностите на твърдите частици. В зависимост от естеството на замърсяването, различни прояви на кавитация могат да имат по-голяма или по-малка стойност, като микроудар, микропотоци, отопление. Чрез избиране на параметрите на звуковото поле, физикохимичните свойства на измиващата течност, неговото газово съдържание, външни фактори (налягане, температура) е възможно да се контролира процеса на почистване в широк диапазон, като се оптимизира вида на замърсяването и вида на почистваните части.

Разнообразие от почистване е офорт в ултразвуково поле, където действието на ултразвука се комбинира с действието на силни химикали. Ултразвукова метализация и запояване са действително базирани на ултразвуково почистване (включително оксиден филм) свързани или метализирани повърхности. Почистване по време на запояване поради кавитация в стопения метал. В същото време степента на пречистване е толкова висока, че се образуват съединения от неабсорбиращи се материали, например алуминий с други метали, различни метали със стъкло, керамика и пластмаси. В процесите на почистване и метализация, звуко-капилярният ефект също е от съществено значение, като осигурява проникването на промивния разтвор или се топи в най-малките пукнатини и пори.

Механизми за почистване и измиване.
Почистването в повечето случаи изисква замърсителите да бъдат разтворени (в случай на разтваряне на соли), почистени (в случай на неразтворими соли) или и двете разтворени и почистени (както в случая на неразтворими частици, фиксирани в слой от мастни филми). Механичните ефекти на ултразвуковата енергия могат да бъдат полезни както за ускоряване на разтварянето, така и за отделяне на частиците от почистваната повърхност.
Ултразвукът може да се използва ефективно и в процеса на изплакване. Остатъчните почистващи препарати могат бързо да бъдат отстранени чрез ултразвуково изплакване. При отстраняване на замърсители чрез разтваряне, разтворителят трябва да влезе в контакт с замърсяващ филм и да го унищожи.

Тъй като разтворителят разтваря замърсяването, на границата на замърсяване с разтворител възниква наситен разтвор на замърсяване в разтворителя и разтварянето спира, тъй като не се доставя пресен разтвор на повърхността на замърсяването. Ефектът от ултразвука разрушава слой от наситен разтворител и осигурява доставянето на пресен разтвор на повърхността на замърсяването. Това е особено ефективно в случаите, когато "погрешни" повърхности с лабиринт от синуси и повърхностен релеф, като печатни платки и електронни модули, са подложени на почистване. Някои замърсители са слой от неразтворими частици, силно прикрепени към повърхността чрез йонни свързващи и адхезионни сили. Тези частици трябва да се отделят само от повърхността, за да се разрушат силите на привличане и да се прехвърлят в обема на измиващата среда за последващо отстраняване. Кавитация и акустични токове разрушават праха, като прах, от повърхността, измиват се и ги отстраняват.

Замърсителите, като правило, са многокомпонентни и могат да съдържат разтворими и неразтворими компоненти в комплекса. Ефектът на ултразвука се състои в това, че той емулгира всякакви компоненти, т.е. ги прехвърля в миещата среда и заедно с тях ги отстранява от повърхността на продуктите. За въвеждане на ултразвукова енергия в почистващата система е необходим ултразвуков генератор, генератор на електрическа енергия на генератора в ултразвуково излъчване и акустичен електромер.
Електрическият ултразвуков генератор преобразува електрическата енергия на мрежата в електрическа енергия на ултразвукова честота. Това се прави с известни методи и няма специфичност. За предпочитане е обаче да се използва цифрова техника за генериране, когато изходът е правоъгълен импулс с променлива полярност. Ефективността на такива генератори е близо 100%, което позволява да се реши проблемът с енергийната интензивност на процеса. Използването на правоъгълна форма на вълната води до акустична радиация, богата на хармоници. Предимствата на многочестотната почистваща система са, че не се образуват "мъртви" зони в интерферентните възли в обема на измиващата среда. Ето защо, многочестотното ултразвуково облъчване ви позволява да имате съоръжение за почистване в почти всяка област на ултразвуковата баня.

Друга техника за премахване на мъртвите зони е използването на генератор с честота, която е метена. В този случай възлите и антинодите от интерференционното поле се преместват в различни точки на почистващата система, без да се оставят никакви зони за почистване без облъчване. Но ефективността на такива генератори е сравнително ниска.

Преобразуватели.
Има два основни вида ултразвукови преобразуватели: магнитострикция и пиезоелектрик. И двете изпълняват една и съща задача за преобразуване на електрическата енергия в механична енергия. В магнитострикционните преобразуватели се използва магнитострикционен ефект, при който някои материали променят линейните размери в променливо магнитно поле. Електрическата енергия от ултразвуковия генератор първо се превръща от намотката на магнитостриктора в променливо магнитно поле. Променливото магнитно поле от своя страна генерира механични вибрации на ултразвуковата честота, дължащи се на деформация на магнитната верига във времето с честотата на магнитното поле. Тъй като магнитострикционните материали се държат като електромагнити, честотата на деформационните им колебания е два пъти по-висока от честотата на магнитното, а оттук и електричното поле.
Електромагнитните преобразуватели се характеризират с увеличаване на енергийните загуби, дължащи се на вихрови токове и обръщане на намагнитването с нарастваща честота. Следователно, мощни магнитострикционни преобразуватели рядко се използват при честоти над 20 kHz.

За разлика от това, пиезо преобразувателите могат да излъчват добре в мегагерцовия диапазон. Магнитострикционните преобразуватели обикновено са по-малко ефективни от техните пиезоелектрически електрически аналози. Това се дължи главно на факта, че магнитострикционният преобразувател изисква двойно преобразуване на енергия: от електрически към магнитно и след това от магнитно към механично. Загубата на енергия се получава при всяко преобразуване. Това намалява ефективността на магнитостриктора.
Пиезо преобразувателите преобразуват електрическата енергия директно в механична енергия чрез пиезоелектричния ефект, при който някои материали (пиезоелектрици) променят своите линейни размери, когато се прилага електрическо поле.
Преди това пиезоелектричните излъчватели използваха такива пиезоелектрични материали като естествени кварцови кристали и синтезиран бариев титанат, които бяха чупливи и нестабилни и следователно ненадеждни.
В съвременните преобразуватели се използват по-трайни и стабилни керамични пиезоелектрически материали. Повечето от ултразвуковите системи за почистване днес използват пиезоелектричния ефект.

Ултразвуково оборудване за почистване.
Използваната гама от ултразвукови уреди за почистване е много широка: от малки настолни модули в стоматологията, бижутерийни магазини, електронна промишленост до огромни системи с обеми от няколко хиляди литра в редица промишлени приложения. Изборът на подходящо оборудване е от първостепенно значение за успеха на ултразвуковото почистване. Най-простото прилагане на ултразвуково почистване може да изисква само загрята промивна течност. По-сложните системи за почистване изискват голям брой вани, последната от които трябва да се напълни с дестилирана или дейонизирана вода.
най-доброто големи системи   използвайте потапящи се ултразвукови преобразуватели, комбинация от които могат да облъчват бани с почти всякакъв размер. Те осигуряват максимална гъвкавост и лекота на използване и поддръжка. Ултразвуковите вани с нагрят миещ разтвор се използват най-често в лаборатории, медицина, бижута.
Ултразвукови линии за почистване, използвани в широкомащабно производство обединяват електрически ултразвукови генератори, ултразвукови преобразуватели, транспортна система за преместване на почистващи обекти през бани и система за контрол в една сграда. Ултразвуковите вани могат да бъдат включени в химико-галваничната линия за метализация чрез модулни потопяеми ултразвукови преобразуватели.

Ултразвукови системи за почистване
При избора на почистваща система е особено важно да се обърне внимание на характеристиките, които позволяват най-ефективното му използване. Преди всичко е важно да се определят интензитетните коефициенти на ултразвукова кавитация в промивната течност. Температурата на флуида е най-голяма важен факторосигуряване на интензивност на кавитация. Промените в температурата водят до промени във вискозитета, разтворимост на газ в течност, скорост на дифузия на разтворени газове в течност и налягане на парите.
Всички те влияят върху интензивността на кавитацията. Вискозните течности са инерционни и не могат да реагират достатъчно бързо, за да образуват кавитационни мехурчета и силни акустични токове. За най-ефективна кавитация почистващата течност трябва да съдържа възможно най-малко разтворения газ.
Разтвореният в течността газ излиза по време на балонната фаза на кавитационния растеж и отслабва неговия експлозивен ефект, който е необходим за очаквания ефект от ултразвуковото действие. Количеството на разтворен газ в течност намалява с увеличаване на температурата.
Скоростта на дифузия на разтворени газове в течност също се увеличава при по-високи температури. Следователно, предпочитание се дава на почистването с нагрявани детергентни разтвори.
Най-ефективна е изпарената кавитация, в която кавитационните мехурчета са пълни с течна пара. Интензивността на кавитацията е пряко свързана със силата на ултразвуковото облъчване. Обикновено се поставя над прага на кавитация. Интензивността на кавитацията е обратно пропорционална на ултразвуковата честота: с увеличаване на ултразвуковата честота се намаляват размерите на кавитационните мехурчета и последващия им ефект върху повърхността. За да се компенсира намаляването на интензивността на ултразвуковата експозиция с увеличаване на честотата може само да се увеличи силата на излъчване.

Осигурява максимален почистващ ефект
Добрият избор на почистващи среди е ключът към успеха в процеса на ултразвуково почистване. На първо място, избраният състав трябва да бъде съвместим с материалите на почистваните повърхности. Най-подходящи за тази цел са водните разтвори на техническите детергенти. По правило това са обичайни повърхностно активни вещества (ПАВ). Дегазирането на почистващите препарати е изключително важно за постигане на задоволителни резултати от почистването. Пресни разтвори или разтвори, които се охлаждат предишния ден, трябва да бъдат дегазирани преди процеса на почистване. Дегазирането се извършва чрез нагряване на флуида и предварително облъчване на банята с ултразвук. Времето за дегазиране на течността е от няколко минути за малки бани до един час или повече за голям резервоар. Неотопляем резервоар може да бъде дегазиран за няколко часа. Признак на завършено обезгазяване е липсата на видими газови мехурчета, движещи се към повърхността на течността, и липсата на видими пулсации на мехурчетата. Силата на ултразвуковото излъчване трябва да се сравни с обема на ваната. Почистването на масивни обекти или голямото съотношение повърхност към маса може да изисква допълнителна ултразвукова енергия. Прекомерната мощност може да причини кавитационна ерозия или "парещ" ефект върху меките повърхности. Ако се почистват предмети с различни повърхности, се препоръчва мощността на облъчване да се монтира на по-малко траен компонент.
Важно е да поставите правилно предметите за почистване в банята. Потопяемите устройства не трябва да предпазват предмети от излагане на ултразвук.
Твърдите материали обикновено имат добра звукопроводимост и не проследяват обекта за почистване. В същото време, обектите за почистване трябва да бъдат постоянно ориентирани или завъртени по време на почистването, за да се почистят напълно вътрешните синуси и слепите дупки.

Използва се правилно ултразвукова технология   осигурява по-голяма скорост и висококачествено почистване на повърхността.
Премахването на използването на разтворители чрез използването на водни среди намалява разходите за процеса и най-ефективно решава екологичните проблеми.
Ултразвукът не е технологията на бъдещето, а днес е технологията.

Аркадий Медведев.

Честоти от 16 - 18000 Hz, които човешкият слухов апарат е способен да възприеме, обикновено се наричат ​​звук, например писък на комар »10 kHz. Но въздухът, дълбините на моретата и земните недра са изпълнени със звуци, които лежат под и над този обхват - инфра и ултразвук. В природата ултразвукът се намира като компонент на много естествени шумове: в шума на вятъра, водопада, дъжда, морски камъчета, навити от сърф, в мълниеносни изхвърляния. Много бозайници, като котки и кучета, имат способността да възприемат ултразвук на честоти до 100 kHz, а способностите на местоположението на прилепите, нощните насекоми и морските животни са добре познати на всички. С развитието на акустиката в края на XIX век е открито съществуването на нечувани звуци. В същото време започват и първите изследвания на ултразвука, но основите на неговото прилагане са положени едва през първата трета на 20 век.

Долната граница на ултразвуковия диапазон се нарича еластични колебания с честота 18 kHz. Горната граница на ултразвука се определя от естеството на еластичните вълни, които могат да се разпространяват само при условие, че дължината на вълната е значително по-голяма от средния свободен път на молекулите (в газовете) или междуатомните разстояния (в течности и газове). В газове горната граница е "106 kHz, в течности и твърди вещества" 1010 kHz. Като правило, ултразвукът се отнася до честоти до 106 kHz. По-високите честоти се наричат ​​хиперзвук.

Ултразвуковите вълни по своята природа не се различават от вълните на звуковия диапазон и се подчиняват на същите физични закони. Но ултразвукът има специфични особености, които го определят. широко приложение   в науката и технологиите. Ето основните:

• Къса дължина на вълната. За най-ниския ултразвуков обхват, дължината на вълната не превишава няколко сантиметра в повечето среди. Късата дължина на вълната определя радиалната природа на разпространението на ултразвукови вълни. Близо до излъчвателя ултразвукът се разпространява под формата на греди в размер, близък до размера на излъчвателя. Като се стигне до хетерогенността в средата, ултразвуковият лъч се държи като светлинен лъч, изпитващ отражение, пречупване, разсейване, което ви позволява да формирате звукови образи в оптически непрозрачни среди, използвайки чисто оптични ефекти (фокусиране, дифракция и др.)
• Малък период на трептене, който позволява да се излъчва ултразвук под формата на импулси и да се извършва в средата точното време за избор на разпространяващи се сигнали.
• Възможността за получаване на високи стойности на енергията на трептенията с малка амплитуда, тъй като енергията на трептенията е пропорционална на квадрата на честотата. Това ви позволява да създавате ултразвукови лъчи и полета с високо ниво на енергия, без да се изисква голямо оборудване.
• В ултразвуковото поле се развиват значителни акустични токове. Ето защо ефектът от ултразвука върху околната среда генерира специфични ефекти: физически, химически, биологични и медицински. Такива като кавитация, сонокапиларен ефект, дисперсия, емулгиране, дегазиране, дезинфекция, локално отопление и много други.
• Ултразвукът не се чува и не създава дискомфорт за присъстващите.

История на ултразвука. Кой отвори ултразвука.

Вниманието към акустиката се дължи на нуждите на военноморските сили на водещите сили - Великобритания и Франция акустиката е единственият тип сигнал, който може да се разпространява далеч във водата. През 1826 година френски учен Коладон   определи скоростта на звука във водата. Експериментът Коладон се счита за раждане на модерна хидроакустика. Ударът по подводната камбанка в Женевското езеро се състоя с едновременно изгаряне на барут. Коладон забеляза флаш прах на разстояние 10 мили. Той чу и звука на звънеца, използвайки подводна слухова тръба. Измервайки времевия интервал между тези две събития, Коладон изчисли скоростта на звука - 1435 m / s. Разликата със съвременните изчисления е само 3 m / s.

През 1838 г. в Съединените щати за първи път се използва звук за определяне на профила на морското дъно с цел да се положи телеграфен кабел. Източникът на звука, както в експеримента на Коладон, беше звънец, който звучеше под водата, а приемникът имаше големи слухови тръби, които се спускаха над борда на кораба. Резултатите от експеримента бяха разочароващи. Звукът на камбаната (както и експлозията на праховите касети във водата) дава твърде слаб ехо, почти нечувано сред другите звуци на морето. Необходимо е да се отиде в района на по-високите честоти, което позволява да се създават насочени звукови лъчи.

Първият ултразвуков генератор   е направил през 1883 г. един англичанин Франсис Галтън, Ултразвукът беше създаден като свирка на ръба на ножа, ако духате върху него. Ролята на такъв ръб в свирката Галтън играе цилиндър с остри ръбове. Въздух или друг газ, изпуснат под налягане през пръстеновидна дюза с диаметър, също като ръба на цилиндъра, се е появил на ръба и са възникнали високочестотни колебания. Издувайки свирката с водород, успяхме да получим трептения до 170 kHz.

През 1880 година Пиер и Жак Кюри   е от решаващо значение за откриването на ултразвукова технология. Братята Кюри забелязаха, че когато се прилага налягане към кристалите на кварца, се генерира електрически заряд, който е бил пряко пропорционален на приложената към кристала сила. Това явление се нарича "пиезоелектричество" с гръцка дума, която означава "тласък". Освен това те демонстрират обратен пиезоелектричен ефект, който се проявява, когато към кристала се приложи бързо променящ се електрически потенциал, причинявайки неговата вибрация. Отсега нататък техническата възможност за производство на малки емитери и приемници на ултразвук.

Смъртта на "Титаник" от сблъсъка с айсберг, необходимостта от борба с нови оръжия - подводници изискват бързото развитие на ултразвуковата хидроакустика. През 1914 г. френският физик Пол Ланжевен   Заедно с талантлив руски емигрантски учен Константин Василевич Шиловски за първи път беше разработен сонар, състоящ се от ултразвуков емитер и хидрофон, ултразвуков вибрационен приемник, базиран на пиезоелектричния ефект. хидролокатор Ланжевен - Шиловски е първото ултразвуково устройствона практика. В същото време руският учен С.Я.Соколов разработи основите на ултразвуковата дефектоскопия в промишлеността. През 1937 г. немският психиатър Карл Дюсик, заедно с брат си Фридрих, физик, първо използваха ултразвук за откриване на мозъчни тумори, но получените резултати се оказаха ненадеждни. В медицинската практика ултразвукът е използван за пръв път едва през 50-те години на 20-ти век в САЩ.

Получаване на ултразвук.

Ултразвуковите излъчватели могат да бъдат разделени на две големи групи:

1) Колебанията се възбуждат от препятствия по пътя на газ или течност, или чрез прекъсване на газ или течност. Използва се ограничено, главно за получаване на мощен ултразвук в газообразна среда.

2) Осцилациите се възбуждат чрез превръщане в механични колебания на ток или напрежение. Повечето ултразвукови устройства използват радиатори от тази група: пиезоелектрични и магнитострикционни преобразуватели.

В допълнение към преобразувателите, базирани на пиезоелектричния ефект, магнитострикционните преобразуватели се използват за производство на мощен ултразвуков лъч. Магнитострикция е промяната в размера на телата с промяна в магнитното им състояние. Сърцевината на магнитострикционния материал, поставена в проводящата намотка, променя своята дължина в съответствие с формата на токовия сигнал, преминаващ през намотката. Това явление, открито през 1842 г. от Джеймс Джоул, е характерно за феромагнети и ферити. Най-често използваните магнитострикционни материали са сплави на база никел, кобалт, желязо и алуминий. Най-високата интензивност на ултразвуковото излъчване позволява да се достигне до пермендъра на сплавта (49% Co, 2% V, останалото е Fe), който се използва във високомощни ултразвукови излъчватели. По-специално, произведени от нашата компания.

Използването на ултразвук.

Няколко приложения на ултразвук могат да бъдат разделени на три области:

• получаване на информация за вещество
• експозиция на веществото
• обработка и предаване на сигнали

В тези изследвания се използва зависимостта на скоростта на разпространение и затихване на акустичните вълни върху свойствата на материята и процесите, които се срещат в тях:

• изследване на молекулярни процеси в газове, течности и полимери
• изследване на структурата на кристалите и други твърди вещества
• контрол на химични реакции, фазови преходи, полимеризация и др.
• определяне на концентрацията на разтворите
• определяне на якостните характеристики и състава на материалите
• откриване на примеси
• определяне на скоростта на потока на течност и газ

Измерването на скоростта на звука в твърдите тела позволява да се определят еластичните и якостни характеристики на конструктивните материали. Такъв непряк метод за определяне на якостта е удобна простота и възможност за използване в реални условия.

Ултразвукови газови анализатори наблюдават натрупването на опасни примеси. Зависимостта на скоростта на ултразвука от температурата се използва за безконтактна термометрия на газове и течности.

Ултразвуковите разходомери, работещи на доплеровия ефект, се основават на измерване на скоростта на звука в движещи се течности и газове, включително нееднородни (емулсии, суспензии, пулпове). Подобен апарат се използва за определяне на скоростта и скоростта на потока на кръвта в клинични проучвания.

Голяма група от методи за измерване се основават на отражението и разсейването на ултразвуковите вълни на границите между медиите. Тези методи позволяват точно да се определи местоположението на чужди тела за околната среда и се използват в области като:

• хидролокатор
• неразрушаващ контрол и детекция на дефекти
• медицинска диагноза
• определят нивата на течности и насипни вещества в затворени контейнери
• оразмеряване на продукти
• визуализация на звукови полета - звукова визия и акустична холография

Отразяването, пречупването и възможността за фокусиране на ултразвук се използват при ултразвукова дефектоскопия, в ултразвукови акустични микроскопи, в медицинската диагностика, за изследване на макроикономичната неопределеност на веществото. Наличието на нехомогенности и техните координати се определя от отразените сигнали или от структурата на сянката.

За непрекъснато измерване на вискозитета и плътността на течности, за измерване на дебелината на частите, достъпни само от едната страна, се използват методи за измерване, основани на зависимостта на параметрите на резонансната осцилираща система от свойствата на зареждащата среда (импеданс). Същият принцип е в основата на ултразвуковите тестери за твърдост, нивомери, аларми за ниво. Предимствата на методите за ултразвуков контрол: кратко време за измерване, способност за контролиране на експлозивни, корозионни и токсични среди, без въздействие на инструмента върху контролираната среда и процеси.

Ефектът на ултразвука върху веществото.

Ефектът на ултразвука върху вещество, което води до необратими промени в него, се използва широко в промишлеността. В този случай механизмите на действие на ултразвука са различни за различните среди. При газовете основният фактор е акустичният поток, ускоряващ процесите на пренос на топлина и маса. Освен това, ефективността на ултразвуковото смесване е много по-висока от обичайната хидродинамична, защото граничният слой има по-малка дебелина и, като следствие, по-голяма температура или градиент на концентрация. Този ефект се използва в процеси като:

• ултразвуково сушене
• изгаряне в ултразвуковото поле
• аерозолна коагулация

При ултразвукова обработка на течности основният фактор е кавитация , Следните технологични процеси се основават на ефекта от кавитация:

• ултразвуково почистване
• покритие и запояване
• звук-капилярния ефект - проникването на течности в най-малките пори и пукнатини. Използва се за импрегниране на порьозни материали и се извършва с ултразвукова обработка на твърди вещества в течности.
• кристализиране
• интензификация на електрохимичните процеси
• аерозолно производство
• микробно разрушаване и ултразвукова стерилизация на инструменти

Акустични токове   - Един от основните механизми на действие на ултразвук върху вещество. Тя се причинява от абсорбцията на ултразвукова енергия в веществото и в граничния слой. Акустичните потоци се различават от хидродинамичните с малка дебелина на граничния слой и възможността за разреждане с увеличаваща се честота на трептене. Това води до намаляване на дебелината на температурния или концентрационен граничен слой и повишаване на температурата или градиентите на концентрация, които определят скоростта на пренос на топлина или маса. Това допринася за ускоряване на процесите на изгаряне, сушене, смесване, дестилация, дифузия, екстракция, импрегниране, сорбция, кристализация, разтваряне, дегазиране на течности и стопилки. При висок енергиен поток акустичната вълна се влияе от енергията на самия поток, чрез промяна на неговата турбуленция. В този случай акустичната енергия може да бъде само част от процента от енергията на потока.

Когато звукова вълна с висок интензитет минава през течност, така наречената акустична кавитация , При интензивна звукова вълна, кавитационни мехурчета се появяват по време на полупериодите на разреждане, които рязко се срутват при преминаване към високо налягане, В областта на кавитацията възникват мощни хидродинамични смущения под формата на микро-шокови вълни и микропотоци. В допълнение, срутването на мехурчетата е придружено от силно локално нагряване на веществото и освобождаване на газ. Подобно въздействие води до унищожаване на такива силни вещества като стомана и кварц. Този ефект се използва за разпръскване на твърди вещества, получаване на фино диспергирани емулсии на несмесими течности, иницииране и ускоряване на химичните реакции, унищожаване на микроорганизми, екстракция на ензими от животински и растителни клетки. Кавитацията също така определя такива ефекти като слабият блясък на течност под действието на ултразвук - звукова луминесценция и необичайно дълбоко проникване на течност в капилярите - sonocapillary ефект .

Кавитационната дисперсия на кристали на калциев карбонат (скала) е в основата на акустични анти-мащабни устройства. Под влияние на ултразвука се получава разделяне на частиците във водата, като средният им размер намалява от 10 до 1 микрона, а броят им и общата повърхност на частиците нарастват. Това води до прехвърляне на образуването на накип от повърхността на топлообмена към самата течност. Ултразвукът също действа върху формирания слой от скала, образувайки в него микропукнатини, които помагат да се откъснат парчета скала от повърхността на топлообмена.

В инсталации за ултразвуково почистване, кавитация и микропотоци, генерирани от него, се отстраняват замърсявания, които са твърдо свързани с повърхността, като скала, скала, замърсявания и меко замърсяване, като мазни филми, замърсявания и др. Същият ефект се използва за интензифициране на електролитни процеси.

Под действието на ултразвук се появява любопитен ефект, като акустична коагулация, т.е. конвергенция и увеличаване на суспендираните частици в течност и газ. Физическият механизъм на това явление все още не е напълно ясен. Акустичната коагулация се използва за отлагане на индустриални прахове, димни и мъгли при ниски честоти за ултразвук до 20 kHz. Възможно е благотворният ефект от звъненето на църковните камбани да се основава на този ефект.

Обработката на твърди частици с ултразвук се основава на следните ефекти:

• намаляване на триенето между повърхностите при ултразвукови вибрации на една от тях
• намаляване на якостта на провлачане или пластична деформация под действието на ултразвук
• втвърдяване и намаляване на остатъчните напрежения в метали под въздействието на инструмент с ултразвукова честота
• Комбинираните ефекти на статична компресия и ултразвукови вибрации се използват при ултразвуково заваряване.

Има четири вида механична обработка с ултразвук:

• размерна обработка на части от твърди и крехки материали
• рязане на трудно изрязани материали с ултразвук върху режещи инструменти
• отстраняване на зъбите в ултразвукова вана
• смилане на вискозни материали с ултразвуково почистване на шлифовъчния диск

Ефектите на ултразвука върху биологични обекти   причинява различни ефекти и реакции в тъканите на тялото, което се използва широко при ултразвукова терапия и хирургия. Ултразвукът е катализатор, който ускорява установяването на равновесно състояние на тялото по отношение на физиологията. здравословно състояние. Ултразвукът има много по-голямо въздействие върху болните тъкани, отколкото върху здравите. Използва се също и ултразвуково пръскане на лекарства по време на инхалация. Ултразвуковата хирургия се основава на следните ефекти: разрушаване на тъканите от самия фокусиран ултразвук и налагане на ултразвукови вибрации върху режещия хирургически инструмент.

Ултразвукови устройства се използват за преобразуване и аналогова електронна обработка на сигнали и за управление на светлинните сигнали в оптиката и оптоелектрониката. В линиите за забавяне се използва ултразвук с ниска скорост. Контролът на оптичните сигнали се основава на дифракцията на светлината чрез ултразвук. Един вид подобна дифракция, така наречената бракска дифракция, зависи от дължината на вълната на ултразвука, което дава възможност да се избере един тесен интервал от широка гама светлинни лъчения. светлина на филтъра.

Ултразвукът е изключително интересно и може да се предположи, че много възможности за практическото му приложение все още не са известни на човечеството. Ние обичаме и познаваме ултразвук и ще се радваме да обсъдим всякакви идеи, свързани с неговото използване.

Когато се прилага ултразвук - обобщаваща таблица

Нашето предприятие, Ring-Energo LLC, се занимава с производство и монтаж на акустични акустични устройства Acoustic-T. Произведените от нашата компания устройства се отличават с изключително високо ниво на ултразвуков сигнал, което им позволява да работят на котли без пречистване на вода и парно-водни котли с артезианска вода. Но превенцията на мащаба е много малка част от това, което ултразвукът може да направи. Този невероятен естествен инструмент има големи възможности и искаме да ви разкажем за тях. Служители на нашата фирма от много години работят във водещи руски предприятия, занимаващи се с акустика. Знаем много за ултразвука. И ако изведнъж трябва да приложите ултразвук във вашата технология,

основен » инструкции » Създаването на ултразвук. Биологични ефекти от ултразвук и безопасност. Области на приложение за диагностика.