Die Schaffung von Ultraschall. Biologische Auswirkungen von Ultraschall und Sicherheit. Anwendungsbereiche für die Diagnose.

Ultraschall - was ist das?

Theorie und Praxis.

Bei aller Komplexität der Theorie des Ultraschalls ist es nicht so schwierig, die Prinzipien der Ultraschallreinigung von Oberflächen zu verstehen. Dieser Artikel wendet sich an alle, die sich ein Bild von den Hauptphänomenen der akustischen Reinigungstechnologien machen möchten und vor allem verstehen wollen, wie dieses Ding funktioniert, anhand welcher Kriterien man die Auswahl von Ausrüstung, Reinigungsmedien und Verarbeitungsmodi bestimmen kann.
Reinigungstechnologien werden ständig verbessert. Das in Russland weit verbreitete Alkohol-Benzin-Gemisch zur Reinigung der Platten von Flussmittelrückständen und Prozessverunreinigungen verliert mit abnehmender Größe der Komponenten an Effizienz. In den abnehmenden Nebenhöhlen und Lücken ist kein Lösungsaustausch erforderlich, um technologische Kontaminationen dort auszuspülen.
Der Wunsch, das Waschen durch Verlängerung der Waschzeit zu verbessern, führt zum Auswaschen des Bindemittels und zur Bildung von weißlichen Plaques auf der Oberfläche der Platten. Die im Ausland praktizierte Kondensationsreinigung mit chlorierten und fluorierten Kohlenwasserstoffen schädigt die Ökologie unseres Planeten und wird in Zukunft verschwinden. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Reinigungsqualität kontinuierlich.

Sauberkeit ist in vielen Branchen zu einem relevanten Qualitätsfaktor geworden, was in der Vergangenheit nicht der Fall war. In der Elektronikbranche, in der Sauberkeit seit jeher wichtig ist, ist sie ein noch wichtigerer Faktor für die Konsistenz der Hochtechnologie.
Es scheint, dass jede Verbesserung der Technologie bei ihrer Umsetzung mehr und mehr auf Sauberkeit achtet. Daher wurden Reinigungstechnologien in den letzten Jahren kritisch überarbeitet. Viele von ihnen basieren jetzt auf dem Einsatz von Ultraschallreinigungsmethoden.
Unabhängig davon, wie wirksame Reinigungslösungen verwendet werden, ist es ohne die Hinzufügung von akustischer Energie des Ultraschalls nicht möglich, einen bestimmten Reinigungsgrad bereitzustellen.

Was ist Ultraschall?
Ultrasound (US) - elastische Schwingungen und Wellen, deren Frequenz höher als 15 ... 20 kHz ist. Die untere Grenze des Ultraschallfrequenzbereichs, die ihn vom hörbaren Schallbereich trennt, wird durch die subjektiven Eigenschaften des menschlichen Gehörs bestimmt und ist bedingt. Die Obergrenze ist auf die physikalische Natur der elastischen Wellen zurückzuführen, die sich nur im Materialmedium ausbreiten können, das heißt, vorausgesetzt, dass die Wellenlänge deutlich größer ist als der mittlere freie Weg von Molekülen in Gasen oder interatomaren Abständen in Flüssigkeiten und Festkörpern. Daher wird in Gasen die Obergrenze der Ultraschallfrequenzen aus der Bedingung einer ungefähren Gleichheit der Schallwellenlänge und des mittleren freien Weges der Moleküle bestimmt. Bei Normaldruck sind es 109 Hz. In Flüssigkeiten und Festkörpern ist die Gleichheit der Wellenlänge zu den Abständen zwischen den Atomen von entscheidender Bedeutung, und die Grenzfrequenz erreicht 1012-1013 Hz. In Abhängigkeit von der Wellenlänge und der Frequenz weist Ultraschall spezifische Merkmale für Strahlung, Empfang, Ausbreitung und Verwendung auf. Daher ist der Bereich der Ultraschallfrequenzen zweckmäßigerweise in drei Unterbereiche unterteilt: niedrig - 1,5 bis 10. ..105 Hz; mittel - 105 ... 107 Hz; hoch - 1O7 ... 1O9 Hz.

Theorie der Schallwellen.
Ultraschall als elastische Wellen.
Ultraschallwellen  Sie unterscheiden sich naturgemäß nicht von elastischen Wellen des hörbaren Bereichs sowie von Infraschallwellen. Die Ausbreitung des Ultraschalls unterliegt den Grundgesetzen, die für Schallwellen eines beliebigen Frequenzbereichs gelten, die üblicherweise als Schallwellen bezeichnet werden. Die Hauptgesetze ihrer Ausbreitung umfassen die Gesetze der Reflexion und Brechung von Schall an den Grenzen verschiedener Medien, Beugung und Streuung von Schall in Gegenwart von Hindernissen und Inhomogenitäten im Medium und Unregelmäßigkeiten an den Grenzen, Gesetze der Wellenleiterausbreitung in begrenzten Bereichen des Mediums.

Die Besonderheiten des Ultraschalls.
Obwohl die physikalische Natur des Ultraschalls und seine Ausbreitungssteuerung die Grundgesetze denen für Schallwellen eines beliebigen Frequenzbereichs entsprechen, weist er eine Reihe spezifischer Merkmale auf, die seine Bedeutung in Wissenschaft und Technologie bestimmen. Sie sind aufgrund ihrer relativ hohen Frequenzen und dementsprechend einer kleinen Wellenlänge. Für den niederfrequenten Bereich überschreiten Ultraschallwellenlängen in den meisten Fällen einige Zentimeter nicht und nur in der Nähe der unteren Grenze des Bereichs erreichen mehrere Zentimeter Festkörper. Ultraschallwellen fallen viel schneller ab als niederfrequente Wellen, da der Schallabsorptionskoeffizient (pro Distanz) proportional zum Quadrat der Frequenz ist.

Ein weiteres sehr wichtiges Merkmal des Ultraschalls ist die Möglichkeit, hohe Intensitätswerte mit relativ kleinen Amplituden der Vibrationsverschiebung zu erhalten, da bei einer gegebenen Amplitude die Intensität direkt proportional zum Quadrat der Frequenz ist. Die Amplitude der oszillatorischen Verschiebung ist in der Praxis durch die Stärke der akustischen Emitter begrenzt. Der wichtigste nichtlineare Effekt in einem Ultraschallfeld ist die Kavitation - das Auftreten einer Masse pulsierender Blasen, die mit Dampf, Gas oder deren Mischung gefüllt sind. Die komplexe Bewegung der Blasen, ihr Zusammenbruch, das Zusammenführen usw. erzeugen Kompressionsimpulse (Mikroschockwellen) und Mikroströmungen in einer Flüssigkeit, verursachen eine lokale Erwärmung des Mediums und eine Ionisierung. Diese Auswirkungen wirken sich auf die Substanz aus: Es kommt zur Zerstörung von Feststoffen in einer Flüssigkeit (Kavitationserosion), verschiedene physikalische und chemische Prozesse werden eingeleitet oder beschleunigt.

Durch Änderung der Kavitationsbedingungen können verschiedene Kavitationseffekte verstärkt oder geschwächt werden. Mit einer Zunahme der Ultraschallfrequenz nimmt beispielsweise die Rolle von Mikroflüssen zu und die Kavitationserosion nimmt ab, und mit zunehmendem hydrostatischem Druck in einer Flüssigkeit nimmt die Rolle von Mikroaufpralleffekten zu. Eine Erhöhung der Frequenz führt normalerweise zu einem Anstieg des Intensitätsschwellwerts entsprechend dem Beginn der Kavitation, der von der Art der Flüssigkeit, ihrem Gasgehalt, der Temperatur usw. abhängt. Für Wasser im niederfrequenten Ultraschallbereich bei atmosphärischem Druck beträgt es normalerweise 0,3 bis 1 W / cm 3.

Ultraschallquellen
In der Natur kann Ultraschall in vielen natürlichen Geräuschen (Windgeräuschen, Wasserfall, Regen, Kieselgeräuschen, Wellenrollen, Geräuschen bei Blitzen usw.) sowie in der Welt der Tiere gefunden werden, die ihn für die Echoortung verwenden und Kommunikation. Technische Ultraschallgeräte für Ultraschall und deren Untersuchung technische Anwendungenkann in zwei Gruppen unterteilt werden.

Der erste umfasst Emitter-Generatoren (Pfeifen). Schwingungen in ihnen werden durch das Vorhandensein von Hindernissen im Weg eines konstanten Gas- oder Flüssigkeitsstroms angeregt.

Die zweite Gruppe von Emittern sind elektroakustische Wandler: Sie wandeln die bereits angegebenen elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen eines Festkörpers um, die akustische Wellen in die Umgebung strahlen.

Die Verwendung von Ultraschall.
Mehrere Anwendungen von Ultraschall, bei denen die verschiedenen Merkmale verwendet werden, können in drei Bereiche unterteilt werden.
Die erste bezieht sich auf den Empfang von Informationen mittels eines RAS, die zweite - mit aktiver Wirkung auf den Stoff und die dritte - auf die Verarbeitung und Übertragung von Signalen (die Richtungen sind in der Reihenfolge ihrer historischen Anordnung aufgeführt).

Prinzipien der Ultraschallreinigung.
Die Hauptrolle beim Einfluss von Ultraschall auf Substanzen und Prozesse in Flüssigkeiten ist die Kavitation. Die Kavitation basiert auf dem am weitesten verbreiteten technologischen Ultraschallverfahren - der Reinigung von Festkörperoberflächen. Abhängig von der Art der Verschmutzung können verschiedene Manifestationen der Kavitation einen mehr oder weniger großen Wert haben, wie z. B. Mikroeinwirkung, Mikroflow, Erwärmung. Durch die Wahl der Parameter des Schallfelds, der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Waschflüssigkeit, ihres Gasgehalts, äußerer Faktoren (Druck, Temperatur) ist es möglich, den Reinigungsprozess über einen weiten Bereich zu steuern und ihn hinsichtlich der Art der Verschmutzung und der Art der zu reinigenden Teile zu optimieren.

Eine Vielzahl von Reinigungsvorgängen betrifft das Ätzen im Ultraschallbereich, wo die Wirkung des Ultraschalls mit der Wirkung starker Chemikalien kombiniert wird. Ultraschallmetallisierung und Löten basieren eigentlich auf Ultraschallreinigung (einschließlich oxidfilm) verbundene oder metallisierte Oberflächen. Reinigung während des Lötens durch Kavitation in der Metallschmelze. Gleichzeitig ist der Reinigungsgrad so hoch, dass Verbindungen nicht absorbierbarer Materialien, z. B. Aluminium, mit anderen Metallen, verschiedenen Metallen mit Glas, Keramiken und Kunststoffen gebildet werden. Bei den Reinigungs- und Metallisierungsprozessen ist auch der schallkapillare Effekt wichtig, der das Eindringen der Waschlösung oder das Schmelzen in die kleinsten Risse und Poren gewährleistet.

Reinigungs- und Waschmechanismen.
Die Reinigung erfordert in den meisten Fällen, dass die Verunreinigungen aufgelöst (im Fall der Auflösung von Salzen), gereinigt (im Fall unlöslicher Salze) oder sowohl gelöst als auch gereinigt (wie im Fall von unlöslichen Teilchen, die in einer Schicht von Fettfilmen fixiert sind) sind. Die mechanischen Wirkungen von Ultraschallenergie können sowohl zur Beschleunigung der Auflösung als auch zum Abtrennen von Partikeln von der zu reinigenden Oberfläche nützlich sein.
Ultraschall kann auch effektiv beim Spülprozess eingesetzt werden. Reinigungsmittelrückstände können durch Ultraschallspülung schnell entfernt werden. Beim Entfernen von Verunreinigungen durch Auflösen muss das Lösungsmittel mit einem verunreinigenden Film in Kontakt kommen und diesen zerstören.

Wenn das Lösungsmittel die Verunreinigung auflöst, entsteht an der Grenze der Lösungsmittelverunreinigung eine gesättigte Lösung der Verunreinigung im Lösungsmittel, und die Auflösung stoppt, da keine frische Lösung an die Oberfläche der Verunreinigung abgegeben wird. Die Wirkung von Ultraschall zerstört eine Schicht gesättigter Lösungsmittel und gewährleistet die Abgabe einer frischen Lösung an die Oberfläche der Verunreinigung. Dies ist besonders effektiv, wenn „falsche“ Oberflächen mit einem Sinuslabyrinth und Oberflächenrelief, wie Leiterplatten und Elektronikmodule, einer Reinigung unterzogen werden. Einige Verunreinigungen sind eine Schicht unlöslicher Teilchen, die durch Ionenbindung und Adhäsionskräfte stark an der Oberfläche haften. Diese Partikel müssen nur von der Oberfläche getrennt werden, um die Anziehungskräfte zu brechen und in das Volumen des Waschmediums zur anschließenden Entfernung zu überführen. Kavitation und akustische Strömungen stören den Staub (z. B. Staub) von der Oberfläche, waschen und entfernen ihn.

Verunreinigungen sind in der Regel mehrkomponentig und können lösliche und unlösliche Komponenten im Komplex enthalten. Die Wirkung des Ultraschalls besteht darin, dass er jegliche Bestandteile emulgiert, dh auf das Waschmedium überträgt und sie zusammen mit diesem von der Oberfläche der Produkte entfernt. Um Ultraschallenergie in das Reinigungssystem einzuführen, sind ein Ultraschallgenerator, ein Generator für elektrische Energie des Generators für Ultraschallstrahlung und ein akustischer Leistungsmesser erforderlich.
Ein elektrischer Ultraschallgenerator wandelt die elektrische Energie eines Netzwerks in elektrische Energie bei einer Ultraschallfrequenz um. Dies geschieht nach bekannten Methoden und hat keine Spezifität. Es ist jedoch bevorzugt, eine digitale Erzeugungstechnik zu verwenden, wenn die Ausgabe ein rechteckiger Impuls mit alternierender Polarität ist. Der Wirkungsgrad solcher Generatoren liegt nahe bei 100%, wodurch das Problem der Energieintensität des Prozesses gelöst werden kann. Die Verwendung einer rechteckigen Wellenform führt zu einer akustischen Strahlung mit Oberwellen. Die Vorteile eines Mehrfrequenz-Reinigungssystems bestehen darin, dass in den Interferenzknoten im Volumen des Waschmediums keine "toten" Zonen gebildet werden. Durch die Ultraschall-Bestrahlung mit mehreren Frequenzen können Sie daher in fast allen Bereichen des Ultraschallbades eine Reinigungsmöglichkeit haben.

Eine andere Technik zum Beseitigen von Totzonen ist die Verwendung eines Generators mit einer Wobbelfrequenz. In diesem Fall werden die Knoten und Gegenknoten des Interferenzfelds zu verschiedenen Punkten des Reinigungssystems bewegt, so dass keine Bereiche zur Reinigung ohne Bestrahlung übrig bleiben. Der Wirkungsgrad solcher Generatoren ist jedoch relativ gering.

Konverter.
Es gibt zwei allgemeine Arten von Ultraschallwandlern: Magnetostriktion und piezoelektrische. Beide haben die gleiche Aufgabe, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. In magnetostriktiven Wandlern wird der Magnetostriktionseffekt verwendet, bei dem einige Materialien die linearen Abmessungen in einem magnetischen Wechselfeld ändern. Die elektrische Energie des Ultraschallgenerators wird zunächst durch die Wicklung des Magnetostriktors in ein magnetisches Wechselfeld umgewandelt. Das magnetische Wechselfeld erzeugt wiederum mechanische Schwingungen der Ultraschallfrequenz aufgrund der Verformung des Magnetkreises mit der Frequenz des Magnetfelds. Da sich magnetostriktive Materialien wie Elektromagnete verhalten, ist die Frequenz ihrer Deformationsschwingungen zweimal höher als die Frequenz des magnetischen und damit des elektrischen Feldes.
Elektromagnetische Wandler zeichnen sich durch einen Anstieg der Energieverluste durch Wirbelströme und Magnetisierungsumkehr mit zunehmender Frequenz aus. Daher werden leistungsstarke magnetostriktive Wandler bei Frequenzen über 20 kHz selten verwendet.

Im Gegensatz dazu können Piezo-Wandler im Megahertz-Bereich gut emittieren. Magnetostriktive Wandler sind im Allgemeinen weniger effizient als ihre piezoelektrisch-elektrischen Gegenstücke. Dies ist hauptsächlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass der Magnetostriktionswandler eine doppelte Energieumwandlung benötigt: von elektrisch nach magnetisch und dann von magnetisch nach mechanisch. Bei jeder Umwandlung tritt ein Energieverlust auf. Dies reduziert den Wirkungsgrad des Magnetostriktors.
Piezowandler wandeln elektrische Energie direkt in mechanische Energie um, indem sie den piezoelektrischen Effekt verwenden, bei dem einige Materialien (piezoelektrische Materialien) ihre linearen Abmessungen ändern, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird.
Bisher verwendeten piezoelektrische Emitter solche piezoelektrischen Materialien wie natürliche Quarzkristalle und synthetisierten Bariumtitanat, die spröde und instabil und daher unzuverlässig waren.
In modernen Wandlern werden widerstandsfähigere und hochstabile keramische piezoelektrische Materialien verwendet. Die überwiegende Mehrheit der Ultraschallreinigungssysteme verwendet heute den piezoelektrischen Effekt.

Ultraschall-Reinigungsgeräte
Das Spektrum der verwendeten Ultraschallreinigungsgeräte ist sehr breit: Von kleinen Desktop-Modulen in der Zahnheilkunde, Juweliergeschäften, der Elektronikindustrie bis zu riesigen Systemen mit Volumen von mehreren tausend Litern in einer Reihe industrieller Anwendungen. Die Wahl der richtigen Ausrüstung ist für den Erfolg der Ultraschallreinigung von entscheidender Bedeutung. Die einfachste Anwendung der Ultraschallreinigung erfordert möglicherweise nur eine erwärmte Waschflüssigkeit. Komplexere Reinigungssysteme erfordern eine große Anzahl von Bädern, wobei letztere mit destilliertem oder entionisiertem Wasser gefüllt werden müssen.
Die meisten große Systeme  Verwenden Sie eintauchbare Ultraschallwandler, deren Kombination Bäder nahezu jeder Größe bestrahlen kann. Sie bieten maximale Flexibilität sowie einfache Verwendung und Wartung. Ultraschallbäder mit beheizter Waschlösung werden am häufigsten in Laboratorien, in der Medizin und in Schmuck verwendet.
In der Großserie eingesetzte Ultraschallreinigungslinien vereinen elektrische Ultraschallgeneratoren, Ultraschallwandler, ein Transportsystem zum Bewegen von Reinigungsobjekten durch Bäder und ein Steuersystem in einem Gebäude. Ultraschallbäder können in die chemisch-galvanische Metallisierungslinie integriert werden, indem modulare Ultraschall-Ultraschallwandler verwendet werden.

Ultraschallreinigungssysteme
Bei der Auswahl eines Reinigungssystems ist es besonders wichtig, auf die Eigenschaften zu achten, die eine optimale Nutzung des Reinigungssystems ermöglichen. Zunächst ist es wichtig, die Intensitätsfaktoren der Ultraschallkavitation in der Waschflüssigkeit zu bestimmen. Flüssigkeitstemperatur ist am meisten wichtiger FaktorBereitstellung von Kavitationsintensität. Temperaturänderungen führen zu Viskositätsänderungen, Gaslöslichkeit in einer Flüssigkeit, Diffusionsgeschwindigkeit von gelösten Gasen in einer Flüssigkeit und Dampfdruck.
Sie alle beeinflussen die Intensität der Kavitation. Viskose Flüssigkeiten sind inert und können nicht schnell genug reagieren, um Kavitationsblasen und starke akustische Strömungen zu bilden. Für die effektivste Kavitation sollte die Reinigungsflüssigkeit so wenig wie möglich vom gelösten Gas enthalten.
Das in der Flüssigkeit gelöste Gas entweicht während der Blasenphase des Kavitationswachstums und schwächt seine Sprengwirkung, die für die erwartete Wirkung der Ultraschallwirkung erforderlich ist. Die Menge an gelöstem Gas in einer Flüssigkeit nimmt mit steigender Temperatur ab.
Die Diffusionsrate von gelösten Gasen in einer Flüssigkeit steigt auch bei höheren Temperaturen. Daher wird die Reinigung bevorzugt in erwärmten Reinigungsmittellösungen durchgeführt.
Am effektivsten ist eine verdampfte Kavitation, bei der Kavitationsblasen mit flüssigem Dampf gefüllt sind. Die Intensität der Kavitation hängt direkt mit der Stärke der Ultraschallbestrahlung zusammen. Normalerweise wird es über der Kavitationsschwelle eingestellt. Die Intensität der Kavitation ist umgekehrt proportional zur Ultraschallfrequenz: Mit zunehmender Ultraschallfrequenz nehmen die Abmessungen der Kavitationsblasen und deren Nettoeffekt auf der zu reinigenden Oberfläche ab. Um die Abnahme der Intensität der Ultraschallbelastung mit zunehmender Frequenz zu kompensieren, kann nur die Strahlungsleistung erhöht werden.

Maximale Reinigungswirkung
Eine gute Auswahl an Reinigungsmedien ist der Schlüssel zum Erfolg bei der Ultraschallreinigung. Zunächst sollte die ausgewählte Zusammensetzung mit den Materialien der zu reinigenden Oberflächen kompatibel sein. Am besten geeignet für diesen Zweck sind wässrige Lösungen von technischen Waschmitteln. In der Regel handelt es sich dabei um übliche oberflächenaktive Substanzen (Tenside). Die Entgasung von Reinigungsmittellösungen ist äußerst wichtig, um zufriedenstellende Reinigungsergebnisse zu erzielen. Frische Lösungen oder Lösungen, die am Vortag gekühlt wurden, müssen vor dem Reinigungsprozess entgast werden. Die Entgasung erfolgt durch Erhitzen der Flüssigkeit und Vorbestrahlen des Bades mit Ultraschall. Die Zeit zum Entgasen einer Flüssigkeit reicht von wenigen Minuten für kleine Bäder bis zu einer Stunde oder mehr für einen großen Tank. Ein ungeheizter Tank kann mehrere Stunden entgast werden. Ein Zeichen für eine vollständige Entgasung ist das Fehlen sichtbarer Gasblasen, die sich zur Oberfläche der Flüssigkeit bewegen, und das Fehlen von sichtbaren Pulsationen der Blasen. Die Leistung der Ultraschallstrahlung sollte mit dem Badvolumen verglichen werden. Das Reinigen massiver Objekte oder das Verhältnis von Oberfläche zu Masse erfordern möglicherweise zusätzliche Ultraschallleistung. Übermäßige Kraft kann auf weichen Oberflächen Kavitationserosion oder einen "brennenden" Effekt verursachen. Wenn Objekte mit unähnlichen Oberflächen gereinigt werden, wird empfohlen, die Bestrahlungsstärke auf einem weniger haltbaren Bauteil zu installieren.
Es ist wichtig, dass die zu reinigenden Gegenstände ordnungsgemäß in der Badewanne platziert werden. Tauchgeräte sollten keine Gegenstände vor Ultraschall schützen.
Feststoffe haben normalerweise eine gute Schallleitfähigkeit und schirmen den zu reinigenden Gegenstand nicht ab. Gleichzeitig müssen die Reinigungsobjekte während der Reinigung ständig ausgerichtet oder gedreht werden, um die inneren Nebenhöhlen und Sacklöcher vollständig zu reinigen.

Richtig verwendet ultraschalltechnologie  sorgt für eine schnellere und qualitativ hochwertige Oberflächenreinigung.
Durch den Verzicht auf die Verwendung von Lösungsmitteln durch die Verwendung wässriger Medien werden die Kosten des Verfahrens reduziert und Umweltprobleme am effektivsten gelöst.
Ultraschall ist nicht die Technologie der Zukunft, sondern die Technologie von heute.

Arkady Medvedev

Frequenzen von 16 - 18000 Hz, die ein menschliches Hörgerät wahrnehmen kann, werden üblicherweise als Ton bezeichnet, beispielsweise das Quietschen einer Mücke »10 kHz. Aber die Luft, die Tiefen der Meere und die Eingeweide der Erde sind gefüllt mit Tönen, die unterhalb und oberhalb dieses Bereichs liegen - Infra und Ultraschall. In der Natur wird Ultraschall als Bestandteil vieler natürlicher Geräusche gefunden: im Lärm von Wind, Wasserfall, Regen, Seekiesel, durch die Brandung gerollt, in Blitzeinschlägen. Viele Säugetiere wie Katzen und Hunde können Ultraschall bei Frequenzen bis zu 100 kHz wahrnehmen, und die Standortfähigkeiten von Fledermäusen, nächtlichen Insekten und Meerestieren sind allen bekannt. Das Vorhandensein von unhörbaren Klängen wurde mit der Entwicklung der Akustik Ende des 19. Jahrhunderts entdeckt. Zur gleichen Zeit begannen die ersten Untersuchungen des Ultraschalls, aber die Grundlagen für seine Anwendung wurden erst im ersten Drittel des 20. Jahrhunderts gelegt.

Die untere Grenze des Ultraschallbereichs wird als elastische Schwingungen mit einer Frequenz von 18 kHz bezeichnet. Die Obergrenze des Ultraschalls wird durch die Natur der elastischen Wellen bestimmt, die sich nur unter der Bedingung ausbreiten können, dass die Wellenlänge deutlich länger ist als der mittlere freie Weg der Moleküle (in Gasen) oder der interatomaren Abstände (in Flüssigkeiten und Gasen). In Gasen liegt die Obergrenze bei "106 kHz, in Flüssigkeiten und Feststoffen" bei 1010 kHz. Ultraschall bezieht sich in der Regel auf Frequenzen bis 106 kHz. Höhere Frequenzen werden als Hyperton bezeichnet.

Ultraschallwellen unterscheiden sich naturgemäß nicht von den Wellen des hörbaren Bereichs und gehorchen den gleichen physikalischen Gesetzen. Ultraschall hat jedoch bestimmte Merkmale, die es bestimmt haben. breite anwendung  in Wissenschaft und Technik. Hier sind die wichtigsten:

• Kurze Wellenlänge Für den niedrigsten Ultraschallbereich liegt die Wellenlänge bei den meisten Medien nicht über einigen Zentimetern. Die kurze Wellenlänge bestimmt die radiale Natur der Ausbreitung von Ultraschallwellen. In der Nähe des Emitters breitet sich Ultraschall in Form von Strahlen mit einer Größe aus, die der Größe des Emitters nahe kommt. Um die Heterogenität des Mediums zu erreichen, verhält sich der Ultraschallstrahl wie ein Lichtstrahl und erfährt Reflexion, Brechung und Streuung. Dadurch können Sie Klangbilder in optisch undurchsichtigen Umgebungen mit rein optischen Effekten (Fokussierung, Beugung usw.) erzeugen.
• Kleine Schwingungsperiode, die es erlaubt, Ultraschall in Form von Impulsen zu emittieren und im Medium die genaue zeitliche Auswahl der Ausbreitungssignale durchzuführen.
• Die Möglichkeit, hohe Werte der Schwingungsenergie mit kleiner Amplitude zu erhalten, ist da Die Schwingungsenergie ist proportional zum Quadrat der Frequenz. Auf diese Weise können Sie Ultraschallstrahlen und Felder mit hoher Energie erzeugen, ohne dass dafür große Geräte erforderlich sind.
• Im Ultraschallfeld entwickeln sich erhebliche akustische Ströme. Daher hat der Einfluss von Ultraschall auf die Umwelt spezifische Auswirkungen: physikalische, chemische, biologische und medizinische. Wie Kavitation, sonokapillare Wirkung, Dispersion, Emulgierung, Entgasung, Desinfektion, lokales Erhitzen und viele andere.
• Ultraschall ist nicht hörbar und verursacht für die Teilnehmer keine Beschwerden.

Ultraschall-Geschichte Wer hat den Ultraschall geöffnet?

Die Aufmerksamkeit für die Akustik wurde durch die Bedürfnisse der Marine der führenden Mächte - Großbritannien und Frankreich - verursacht akustisch ist die einzige Signalart, die sich weit im Wasser ausbreiten kann. Im Jahr 1826 französischer Wissenschaftler Colladon  bestimmt die Schallgeschwindigkeit im Wasser. Das Colladon-Experiment gilt als die Geburtsstunde der modernen Hydroakustik. Der Schlag auf die Unterwasserglocke im Genfersee erfolgte unter gleichzeitiger Verbrennung von Schießpulver. Von Colladon wurde in einer Entfernung von 10 Meilen ein Pulverblitz beobachtet. Er hörte auch den Klang einer Glocke mit einem Unterwasser-Hörrohr. Colladon misst das Zeitintervall zwischen diesen beiden Ereignissen und berechnete die Schallgeschwindigkeit - 1435 m / s. Der Unterschied zu modernen Berechnungen beträgt nur 3 m / s.

Im Jahr 1838 wurde in den Vereinigten Staaten zunächst das Profil des Meeresbodens mit dem Ziel der Verlegung eines Telegraphenkabels bestimmt. Die Schallquelle war, wie im Colladon-Experiment, eine unter Wasser klingende Glocke, und der Empfänger bestand aus großen Hörröhren, die über die Bordwand fielen. Die Ergebnisse des Experiments waren enttäuschend. Das Geräusch der Glocke (sowie die Explosion von Pulverpatronen im Wasser) gab ein zu schwaches Echo wider, das unter anderen Meeresgeräuschen kaum zu hören war. Es war notwendig, in den Bereich höherer Frequenzen zu gehen, um gerichtete Schallstrahlen erzeugen zu können.

Der erste Ultraschallgenerator  machte 1883 einen Engländer Francis Galton. Ultraschall wurde wie eine Pfeife am Rand eines Messers erzeugt, wenn man darauf bläst. Die Rolle einer solchen Kante in der Pfeife spielte Galton Zylinder mit scharfen Kanten. Luft oder ein anderes Gas, das unter Druck durch eine ringförmige Düse mit einem Durchmesser desselben wie der Rand des Zylinders freigesetzt wurde, fiel auf den Rand und es traten hochfrequente Schwingungen auf. Mit der Pfeife mit Wasserstoff konnten wir Schwingungen bis 170 kHz erreichen.

Im Jahr 1880 Pierre und Jacques Curie  entscheidend für die Entdeckung der Ultraschalltechnologie. Die Curie-Brüder stellten fest, dass bei Druck auf Quarzkristalle eine elektrische Ladung erzeugt wurde, die direkt proportional zu der auf den Kristall ausgeübten Kraft war. Dieses Phänomen wurde von einem griechischen Wort als "Piezoelektrizität" bezeichnet und bedeutet "Push". Außerdem zeigten sie einen umgekehrten piezoelektrischen Effekt, der sich manifestierte, wenn ein sich schnell änderndes elektrisches Potential an den Kristall angelegt wurde, was dessen Vibration verursachte. Fortan die technische Fähigkeit, kleine Sender und Empfänger aus Ultraschall herzustellen.

Der Tod der "Titanic" durch die Kollision mit einem Eisberg, die Notwendigkeit, mit neuen Waffen zu kämpfen - U-Boote forderten die rasche Entwicklung der Ultraschall-Hydroakustik. Im Jahr 1914 wurde der französische Physiker Paul Langevin  Zusammen mit dem talentierten russischen Emigrantenwissenschaftler Konstantin Wassiljewitsch Shilovsky wurde zum ersten Mal ein Sonar entwickelt, das aus einem Ultraschallsender und einem Hydrophon besteht - einem Empfänger von Ultraschallschwingungen, der auf dem piezoelektrischen Effekt basiert. Sonar Langevin - Shilovsky war das erste Ultraschallgerätin der Praxis angewendet. Gleichzeitig entwickelte der russische Wissenschaftler S. Ya.Sokolov die Grundlagen der Ultraschall-Fehlererkennung in der Industrie. Im Jahr 1937 setzte der deutsche Psychiater Karl Dussik zusammen mit seinem Bruder Friedrich, einem Physiker, zum ersten Mal Ultraschall ein, um Gehirntumore zu entdecken, doch die Ergebnisse, die sie erzielten, erwiesen sich als unzuverlässig. In der medizinischen Praxis wurde Ultraschall erst in den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts in den Vereinigten Staaten eingesetzt.

Ultraschall bekommen.

Ultraschallemitter können in zwei große Gruppen unterteilt werden:

1) Schwingungen werden durch Hindernisse im Weg eines Gas- oder Flüssigkeitsstrahls oder durch Unterbrechen eines Gas- oder Flüssigkeitsstrahls angeregt. Wird begrenzt verwendet, hauptsächlich um einen starken Ultraschall in einer gasförmigen Umgebung zu erhalten.

2) Schwingungen werden durch die Umwandlung in mechanische Schwingungen von Strom oder Spannung angeregt. Die meisten Ultraschallgeräte verwenden Strahler dieser Gruppe: piezoelektrische und magnetostriktive Wandler.

Zusätzlich zu den auf dem piezoelektrischen Effekt basierenden Wandlern werden magnetostriktive Wandler verwendet, um einen starken Ultraschallstrahl zu erzeugen. Magnetostriktion ist die Änderung der Größe von Körpern mit einer Änderung ihres magnetischen Zustands. Der Kern des magnetostriktiven Materials, das in der leitfähigen Wicklung angeordnet ist, ändert seine Länge entsprechend der Form des durch die Wicklung laufenden Stromsignals. Dieses Phänomen, das 1842 von James Joule entdeckt wurde, ist für Ferromagnete und Ferrite charakteristisch. Die am häufigsten verwendeten magnetostriktiven Materialien sind Legierungen auf Nickel-, Kobalt-, Eisen- und Aluminiumbasis. Die höchste Intensität der Ultraschallstrahlung ermöglicht es, die Legierung permendur (49% Co, 2% V, der Rest ist Fe) zu erreichen, die in Hochleistungs-Ultraschallemittern verwendet wird. Insbesondere von unserer Firma produziert.

Die Verwendung von Ultraschall.

Mehrere Anwendungen von Ultraschall können in drei Bereiche unterteilt werden:

• informationen über einen Stoff erhalten
• exposition gegenüber dem Stoff
• signalverarbeitung und -übertragung

Die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Dämpfung akustischer Wellen von den Eigenschaften der Materie und den darin ablaufenden Prozessen wird in solchen Untersuchungen verwendet:

• untersuchung molekularer Prozesse in Gasen, Flüssigkeiten und Polymeren
• untersuchung der Struktur von Kristallen und anderen Festkörpern
• kontrolle chemischer Reaktionen, Phasenübergänge, Polymerisation usw.
• bestimmung der Konzentration von Lösungen
• bestimmung der Festigkeitseigenschaften und der Zusammensetzung von Materialien
• nachweis von Verunreinigungen
• bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeit und Gas

Durch die Messung der Schallgeschwindigkeit in Festkörpern können wir die Elastizitäts- und Festigkeitseigenschaften von Konstruktionsmaterialien bestimmen. Ein solches indirektes Verfahren zum Bestimmen der Festigkeit ist eine bequeme Einfachheit und Verwendungsmöglichkeit unter realen Bedingungen.

Ultraschall-Gasanalysatoren überwachen die Ansammlung gefährlicher Verunreinigungen. Die Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Ultraschalls von der Temperatur wird für die berührungslose Thermometrie von Gasen und Flüssigkeiten verwendet.

Ultraschall-Durchflussmesser, die mit dem Doppler-Effekt arbeiten, basieren auf der Messung der Schallgeschwindigkeit in bewegten Flüssigkeiten und Gasen, einschließlich ungleichmäßiger (Emulsionen, Suspensionen, Zellstoffe). Eine ähnliche Vorrichtung wird verwendet, um die Geschwindigkeit und Strömungsgeschwindigkeit von Blut in klinischen Studien zu bestimmen.

Eine große Gruppe von Messmethoden basiert auf der Reflexion und Streuung von Ultraschallwellen an den Mediengrenzen. Mit diesen Methoden können Sie den Standort von Fremdkörpern für die Umgebung genau bestimmen und werden in folgenden Bereichen eingesetzt:

• sonar
• zerstörungsfreie Prüfung und Fehlererkennung
• medizinische Diagnose
• bestimmen Sie den Füllstand von Flüssigkeiten und Schüttgütern in geschlossenen Behältern
• größenbestimmung von Produkten
• visualisierung von Schallfeldern - Klangbild und akustische Holographie

Reflexion, Refraktion und die Möglichkeit der Fokussierung von Ultraschall werden bei der Ultraschall-Fehlererkennung, bei akustischen Ultraschallmikroskopen und in der medizinischen Diagnostik verwendet, um die Makroinhomogenität der Substanz zu untersuchen. Das Vorhandensein von Inhomogenitäten und ihre Koordinaten werden durch die reflektierten Signale oder die Schattenstruktur bestimmt.

Messverfahren, die auf der Abhängigkeit der Parameter des resonanten Schwingsystems von den Eigenschaften des Lademediums (Impedanz) basieren, werden zur kontinuierlichen Messung der Viskosität und Dichte von Flüssigkeiten verwendet, um die Dicke von Teilen zu messen, die nur von einer Seite zugänglich sind. Das gleiche Prinzip gilt für Ultraschall-Härteprüfgeräte, Füllstandsanzeigen und Füllstandsalarme. Die Vorteile von Ultraschallsteuerungsverfahren: kurze Messzeit, die Fähigkeit, explosive, korrosive und toxische Umgebungen zu kontrollieren, ohne Einfluss des Werkzeugs auf die kontrollierte Umgebung und Prozesse.

Die Wirkung von Ultraschall auf die Substanz.

Die Wirkung von Ultraschall auf eine Substanz, die zu irreversiblen Veränderungen führt, ist in der Industrie weit verbreitet. In diesem Fall unterscheiden sich die Wirkungsmechanismen des Ultraschalls für verschiedene Umgebungen. Bei Gasen ist der Hauptfaktor der akustische Fluss, der die Prozesse der Wärme- und Stoffübertragung beschleunigt. Darüber hinaus ist die Wirksamkeit des Ultraschallmischens viel höher als die übliche hydrodynamische, weil Die Grenzschicht hat eine geringere Dicke und folglich einen größeren Temperatur- oder Konzentrationsgradienten. Dieser Effekt wird in Prozessen wie verwendet:

• ultraschalltrocknung
• brennen im Ultraschallfeld
• aerosol-Koagulation

Bei der Ultraschallbehandlung von Flüssigkeiten ist der Hauptfaktor kavitation . Folgende technologische Prozesse basieren auf der Wirkung von Kavitation:

• ultraschallreinigung
• plattieren und Löten
• klangkapillareffekt - das Eindringen von Flüssigkeiten in kleinste Poren und Risse. Es wird zur Imprägnierung von porösen Materialien verwendet und erfolgt bei jeder Ultraschallbehandlung von Feststoffen in Flüssigkeiten.
• kristallisation
• intensivierung elektrochemischer Prozesse
• aerosolproduktion
• mikrobielle Zerstörung und Ultraschallsterilisation von Instrumenten

Akustische Strömungen  - Einer der Hauptwirkungsmechanismen von Ultraschall auf eine Substanz. Ursache ist die Absorption von Ultraschallenergie in der Substanz und in der Grenzschicht. Akustikströme unterscheiden sich von der Hydrodynamik durch eine geringe Dicke der Grenzschicht und die Möglichkeit, diese mit zunehmender Schwingungsfrequenz zu verdünnen. Dies führt zu einer Abnahme der Dicke der Temperatur- oder Konzentrationsgrenzschicht und einer Erhöhung der Temperatur- oder Konzentrationsgradienten, die die Wärme- oder Stoffübertragungsrate bestimmen. Dies trägt zur Beschleunigung der Prozesse der Verbrennung, Trocknung, Mischung, Destillation, Diffusion, Extraktion, Imprägnierung, Sorption, Kristallisation, Auflösung, Entgasung von Flüssigkeiten und Schmelzen bei. In einem Fluss mit hoher Energie wird die akustische Welle durch die Energie der Strömung selbst beeinflusst, indem ihre Turbulenzen geändert werden. In diesem Fall kann die akustische Energie nur einen Bruchteil eines Prozents der Strömungsenergie betragen.

Wenn eine hochintensive Schallwelle durch eine Flüssigkeit tritt, so genannte akustische Kavitation . In einer intensiven Schallwelle treten Kavitationsblasen während Halbperioden der Verdünnung auf, die bei der Bewegung stark zusammenfallen hoher Druck. Im Kavitationsbereich treten starke hydrodynamische Störungen in Form von Mikroschockwellen und Mikroflow auf. Zusätzlich wird der Zusammenbruch der Blasen von einer starken lokalen Erwärmung der Substanz und der Freisetzung von Gas begleitet. Ein solcher Einfluss führt zur Zerstörung selbst starker Substanzen wie Stahl und Quarz. Dieser Effekt wird verwendet, um Feststoffe zu dispergieren, fein dispergierte Emulsionen von nicht mischbaren Flüssigkeiten zu erhalten, chemische Reaktionen zu initiieren und zu beschleunigen, Mikroorganismen zu zerstören, Enzyme aus tierischen und pflanzlichen Zellen zu extrahieren. Kavitation definiert solche Effekte auch als schwaches Glühen einer Flüssigkeit unter Einwirkung von Ultraschall - solide Lumineszenz und ungewöhnlich tiefes Eindringen von Flüssigkeit in die Kapillaren - sonokapillare Wirkung .

Die Kavitationsdispersion von Kalziumkarbonatkristallen (Skala) ist die Basis von akustischen Antikalkvorrichtungen. Unter dem Einfluss von Ultraschall erfolgt die Spaltung von Partikeln im Wasser, ihre durchschnittliche Größe nimmt von 10 auf 1 Mikrometer ab, ihre Anzahl und Gesamtoberfläche der Partikel nimmt zu. Dies führt zur Übertragung der Zunderbildung von der Wärmeaustauschoberfläche auf die Flüssigkeit selbst. Ultraschall wirkt auch auf die gebildete Skalenschicht, wobei Mikrorisse darin gebildet werden, die dabei helfen, Skalenteile von der Wärmeaustauschoberfläche abzubrechen.

In Anlagen zur Ultraschallreinigung entfernen Kavitation und die von ihr erzeugten Mikroflows Verunreinigungen, die fest mit der Oberfläche verbunden sind, wie z. B. Zunder, Zunder, Grate und weiche Verschmutzungen, wie Fettfilme, Schmutz usw. Der gleiche Effekt wird zur Verstärkung der elektrolytischen Prozesse genutzt.

Unter der Einwirkung von Ultraschall tritt ein merkwürdiger Effekt wie akustische Koagulation auf, d. Konvergenz und Vergrößerung suspendierter Partikel in Flüssigkeit und Gas. Der physikalische Mechanismus dieses Phänomens ist noch nicht völlig klar. Akustische Koagulation wird zur Ablagerung von Industriestäuben, Dämpfen und Nebel bei niedrigen Frequenzen für Ultraschall bis 20 kHz verwendet. Es ist möglich, dass die positive Wirkung des Klingelns von Kirchenglocken auf diesem Effekt beruht.

Die Bearbeitung von Festkörpern mit Ultraschall basiert auf folgenden Effekten:

• verringerung der Reibung zwischen den Oberflächen bei Ultraschallschwingungen von einer davon
• verringerung der Streckgrenze oder plastischen Verformung unter Einwirkung von Ultraschall
• härten und Vermindern von Eigenspannungen in Metallen unter dem Einfluss eines Werkzeugs mit Ultraschallfrequenz
• Die kombinierte Wirkung von statischer Kompression und Ultraschallschwingungen wird beim Ultraschallschweißen genutzt.

Es gibt vier Arten der Bearbeitung mit Ultraschall:

• dimensionsbearbeitung von Teilen aus harten und spröden Materialien
• schneiden von schwer zu schneidenden Materialien mit Ultraschall an Schneidwerkzeugen
• entgraten im Ultraschallbad
• schleifen viskoser Materialien mit Ultraschallreinigung der Schleifscheibe

Die Auswirkungen des Ultraschalls auf biologische Objekte  verursacht eine Vielzahl von Wirkungen und Reaktionen in den Geweben des Körpers, die in der Ultraschalltherapie und -chirurgie weit verbreitet sind. Ultraschall ist ein Katalysator, der die Einstellung eines Gleichgewichtszustandes des Körpers aus physiologischer Sicht beschleunigt. gesunder Zustand Ultraschall hat einen viel größeren Einfluss auf krankes Gewebe als auf gesundes. Ultraschall-Spritzen von Medikamenten während der Inhalation wird ebenfalls verwendet. Ultraschalloperationen basieren auf den folgenden Effekten: der Zerstörung von Geweben durch den fokussierten Ultraschall selbst und dem Aufbringen von Ultraschallschwingungen auf das schneidende chirurgische Instrument.

Ultraschallgeräte dienen zur Umwandlung und zur analogen elektronischen Signalverarbeitung und zur Steuerung von Lichtsignalen in Optik und Optoelektronik. In Verzögerungsleitungen wird Ultraschall mit niedriger Geschwindigkeit verwendet. Die Steuerung optischer Signale basiert auf der Beugung von Licht durch Ultraschall. Eine Art solcher Beugung, die sogenannte Bragg-Beugung, hängt von der Wellenlänge des Ultraschalls ab, wodurch es möglich wird, aus einem breiten Spektrum der Lichtstrahlung ein enges Frequenzintervall auszuwählen Licht filtern

Ultraschall ist eine äußerst interessante Sache, und es ist anzunehmen, dass viele Möglichkeiten der praktischen Anwendung der Menschheit noch nicht bekannt sind. Wir lieben und kennen Ultraschall und werden gerne alle Ideen diskutieren, die mit der Anwendung zusammenhängen.

Wo Ultraschall angewendet wird - Übersichtstabelle

Unser Unternehmen, Ring-Energo LLC, beschäftigt sich mit der Produktion und Installation von akustischen Akustikgeräten von Acoustic-T. Die von unserer Firma hergestellten Geräte zeichnen sich durch ein außergewöhnlich hohes Ultraschallsignal aus, das es ihnen ermöglicht, an Kesseln ohne Wasseraufbereitung und Dampf- und Wasserkesseln mit artesischem Wasser zu arbeiten. Die Verhinderung von Ablagerungen ist jedoch ein sehr kleiner Teil dessen, was Ultraschall bewirken kann. Dieses erstaunliche natürliche Werkzeug bietet großartige Möglichkeiten und wir möchten Ihnen davon erzählen. Mitarbeiter unseres Unternehmens waren viele Jahre in führenden russischen Akustikunternehmen tätig. Wir wissen viel über Ultraschall. Und wenn Sie plötzlich Ultraschall in Ihrer Technologie anwenden müssen,

Zuhause » Anweisungen » Die Schaffung von Ultraschall. Biologische Auswirkungen von Ultraschall und Sicherheit. Anwendungsbereiche für die Diagnose.