Hvad er ultralyd, og hvordan bruges det i industrien?

Ultralyd kaldes elastiske bølger (bølger, der forplanter sig i flydende, faste og gasformige medier på grund af virkningen af ​​elastiske kræfter), hvis frekvens ligger uden for det område, der kan høres for mennesker - fra omkring 20 kHz og mere.

Oprindeligt skelnes ultralyd og hørbare lyde kun på grundlag af perception eller ikke-opfattelse af det menneskelige øre. Forskellige menneskers høretærskel varierer fra 7 til 25 kHz, og det er blevet fastslået, at en person opfatter ultralyd med en frekvens på 30 - 40 kHz gennem knogleledningsmekanismen. Derfor er den nedre grænse for ultralydsfrekvensen konventionelt accepteret.

Den øvre grænse for ultralydsfrekvensen strækker sig til frekvenser 1013 — 1014 Hz, dvs. op til frekvenser, hvor bølgelængden bliver sammenlignelig med de intermolekylære afstande i faste stoffer og væsker. I gasser er denne grænse placeret under og bestemmes af molekylets frie vej.

Nyttige funktioner af ultralydsbølger

Og selvom fysisk ultralyd har samme karakter som hørbar lyd, og kun adskiller sig betinget (højere frekvens), er det netop på grund af den højere frekvens, at ultralyd er anvendelig i en række nyttige retninger.

Så når man måler hastigheden af ​​ultralyd i et fast, flydende eller gasformigt stof, opnås meget mindre fejl, når man observerer hurtige processer, ved bestemmelse af den specifikke varme (gas), når man måler de elastiske konstanter af faste stoffer.

Høj frekvens ved lave amplituder gør det muligt at opnå øgede tætheder af energistrømme, da energien af ​​en elastisk bølge er proportional med kvadratet af dens frekvens. Derudover kan ultralydsbølger, brugt på den rigtige måde, frembringe en række helt særlige akustiske effekter og fænomener.

Et af disse usædvanlige fænomener er akustisk kavitation, som opstår, når en kraftig ultralydsbølge ledes ind i en væske. I en væske, i området med ultralydsvirkning, begynder små bobler af damp eller gas (submikroskopisk størrelse) at vokse til fraktioner af en millimeter i diameter, pulserende med bølgens frekvens og kollapser i positiv trykfase.

Den kollapsende boble genererer lokalt en højtryksimpuls målt i tusindvis af atmosfærer og bliver kilden til sfæriske chokbølger. Akustiske mikrostrømme genereret nær sådanne pulserende bobler har været nyttige til fremstilling af emulsioner, rengøring af dele osv.

Ved at fokusere ultralyd opnås lydbilleder i akustiske holografi- og lydsynssystemer, og lydenergien koncentreres til at danne en retningsstråle med definerede og kontrollerede retningsegenskaber.

Ved at bruge en ultralydsbølge som et diffraktionsgitter for lys er det muligt at ændre lysets brydningsindeks til forskellige formål, da tætheden i en ultralydsbølge, som i en elastisk bølge, generelt ændres periodisk.

Endelig er egenskaberne relateret til hastigheden af ​​udbredelse af ultralyd. I uorganiske medier forplanter ultralyd sig med en hastighed, der afhænger af mediets elasticitet og tæthed.

Hvad angår organiske medier, her påvirkes hastigheden af ​​grænserne og deres natur, det vil sige, at fasehastigheden afhænger af frekvensen (spredningen) Ultralyd henfalder med bølgefrontens afstand fra kilden — fronten divergerer, ultralyden er spredt, absorberet.

Mediets indre friktion (forskydningsviskositet) fører til den klassiske absorption af ultralyd, desuden er afslapningsabsorptionen for ultralyd overlegen i forhold til den klassiske. I gas svækkes ultralyd kraftigere, i faste stoffer og i væsker er det meget svagere. I vand nedbrydes det for eksempel 1000 gange langsommere end i luft. Således er de industrielle anvendelser af ultralyd næsten udelukkende relateret til faste stoffer og væsker.

Brugen af ​​ultralyd

Brugen af ​​ultralyd udvikler sig i følgende retninger:

• ultralydsteknologi, som gør det muligt at producere irreversible effekter på et givet stof og på forløbet af fysisk-kemiske processer ved hjælp af ultralyd med en intensitet på enheder på W/cm2 til hundredtusindvis af W/cm2;
• ultralydskontrol baseret på afhængigheden af ​​absorptionen og hastigheden af ​​ultralyd af tilstanden af ​​det medium, gennem hvilket det forplanter sig;
• ultralydslokaliseringsmetoder, signalforsinkelseslinjer, medicinsk diagnostik osv., baseret på ultralydsvibrationer af højere frekvensers evne til at forplante sig i retlinede stråler (stråler), følge den geometriske akustiks love og samtidig udbrede sig ved relativt lav hastighed.

Ultralyd spiller en særlig rolle i studiet af et stofs struktur og egenskaber, da det med deres hjælp er relativt nemt at bestemme de mest forskellige egenskaber ved materialemiljøer, såsom elastiske og viskoelastiske konstanter, termodynamiske egenskaber, former for Fermi-overflader, dislokationer, ufuldkommenheder i krystalgitteret osv. Den relevante gren af ​​undersøgelsen af ​​ultralyd kaldes molekylær akustik.

Ultralyd i ekkolokalisering og sonar (mad, forsvar, minedrift)

Den første prototype af sonar blev skabt for at forhindre skibskollisioner med isblokke og isbjerge af den russiske ingeniør Shilovsky sammen med den franske fysiker Langevin i 1912.

Enheden bruger princippet om lydbølgerefleksion og -modtagelse. Signalet var rettet mod et bestemt punkt, og ved forsinkelsen af ​​responssignalet (ekko), ved at kende lydens hastighed, var det muligt at estimere afstanden til den forhindring, der reflekterede lyden.

Shilovsky og Langevin begyndte en dybdegående undersøgelse af hydroakustik og skabte snart en enhed, der var i stand til at opdage fjendtlige ubåde i Middelhavet i en afstand på op til 2 kilometer. Alle moderne sonarer, inklusive militære, er efterkommere af denne enhed.

Moderne ekkolod til undersøgelse af bundrelief består af fire blokke: en sender, en modtager, en transducer og en skærm.Senderens funktion er at sende ultralydsimpulser (50 kHz, 192 kHz eller 200 kHz) dybt ned i vandet, som forplanter sig gennem vandet med en hastighed på 1,5 km/s, hvor de reflekteres af fisk, sten, andre genstande. og nedenfor, efter at dette ekko når modtageren, behandles en konverter, og resultatet vises på displayet i en form, der er bekvem for visuel perception.

Ultralyd i den elektroniske og elektriske industri

Mange områder af moderne fysik kan ikke undvære ultralyd. Fysikken af ​​faste stoffer og halvledere, såvel som akustoelelektronik, er på mange måder tæt forbundet med ultralydsforskningsmetoder - med effekter ved en frekvens på 20 kHz og højere. En særlig plads her er optaget af akustoelelektronik, hvor ultralydsbølger interagerer med elektriske felter og elektroner inde i faste legemer.

Volumetriske ultralydsbølger bruges i forsinkelseslinjer og i kvartsresonatorer for at stabilisere frekvensen i moderne elektroniske systemer til behandling og transmission af information.Akustiske overfladebølger indtager en særlig plads i båndpasfiltre til fjernsyn, i frekvenssynthesizere, i enheder til transmission af akustiske bølger, i hukommelses- og billedlæsningsenheder. Endelig bruger korrelatorer og konvolvere den tværgående akustoelelektriske effekt i deres drift.

Radioelektronik og ultralyd

Ultralydsforsinkelseslinjer er nyttige til at forsinke et elektrisk signal i forhold til et andet.En elektrisk puls omdannes til en pulseret mekanisk vibration med en ultralydsfrekvens, som forplanter sig mange gange langsommere end en elektromagnetisk puls; den mekaniske vibration konverteres så tilbage til en elektrisk impuls, og der frembringes et signal, der er forsinket i forhold til det oprindelige input.

Til en sådan konvertering anvendes sædvanligvis piezoelektriske eller magnetostriktive transducere, hvorfor forsinkelseslinjer også kaldes piezoelektriske eller magnetostriktive.

I en piezoelektrisk forsinkelseslinje påføres et elektrisk signal til en kvartsplade (piezoelektrisk transducer), der er stift forbundet med en metalstang.

En anden piezoelektrisk transducer er forbundet til den anden ende af stangen. Indgangstransduceren modtager signalet, genererer mekaniske vibrationer, der forplanter sig langs stangen, og når vibrationerne når den anden transducer gennem stangen, produceres der igen et elektrisk signal.

Udbredelseshastigheden af ​​vibrationer langs stangen er meget mindre end for et elektrisk signal, derfor er signalet, der passerer gennem stangen, forsinket i forhold til inputtet med en mængde relateret til forskellen i hastighederne af elektromagnetiske og ultralydsvibrationer.

Den magnetostriktive forsinkelseslinje vil indeholde input-transduceren, magneter, lydtråd, output-transducer og absorbere. Indgangssignalet tilføres den første spole, ultralydsfrekvensoscillationer - mekaniske svingninger - starter i den akustiske leder af stangen lavet af magnetostriktivt materiale - magneten skaber her permanent magnetisering i transformationszonen og initial magnetisk induktion.

I stangen forplanter vibrationer sig med en hastighed på 5000 m/s, for eksempel, for en stanglængde på 40 cm, vil forsinkelsen være 80 μs. Dæmpere i begge ender af stangen forhindrer uønskede signalrefleksioner. Magnetostriktive forstyrrelser vil forårsage en ændring i induktionen i den anden vikling (outputkonverter) EMF.

Ultralyd i fremstillingsindustrien (skæring og svejsning)

Et slibende materiale (kvartssand, diamant, sten osv.) placeres mellem ultralydskilden og arbejdsemnet. Ultralyd virker på slibende partikler, som igen rammer delen med frekvensen af ​​ultralyd. Arbejdsstykkets materiale under påvirkning af et stort antal små slag fra slibekorn ødelægges - det er sådan behandlingen udføres.

Skæring tilføjes med fremføringsbevægelsen, mens de langsgående skæreoscillationer er de vigtigste. Nøjagtigheden af ​​ultralydsbehandling afhænger af størrelsen af ​​slibemidlets korn og når 1 mikron. På denne måde laves komplekse snit, som er nødvendige ved fremstilling af metaldele, slibning, gravering og boring.

Hvis det er nødvendigt at svejse uens metaller (eller endda polymerer) eller at kombinere en tyk del med en tynd plade, kommer ultralyd igen til undsætning. Dette er den såkaldte kold ultralydssvejsning… Under påvirkning af ultralyd i svejsezonen bliver metallet meget plastisk, delene kan meget let rotere under sammenføjning i enhver vinkel. Og det er værd at slukke for ultralyden - delene vil straks forbinde, fange.

Det er især bemærkelsesværdigt, at svejsningen udføres ved en temperatur under delenes smeltepunkt, og deres forbindelse faktisk foregår i fast tilstand.Men stål, titanium og endda molybdæn svejses på denne måde. Tynde plader er de nemmeste at svejse. Denne svejsemetode indebærer ikke særlig forberedelse af delenes overflade, dette gælder også for metaller og polymerer.

Ultralydstestning bruges til at detektere flad-type defekter i metallet under svejsning (revner, manglende gennemtrængning, manglende vedhæftning). Denne metode er meget effektiv til finkornet stål.

Ultralyd i metallurgi (ultralydsfejldetektion)

Ultralydsdetektering af defekter — påvisning af defekter baseret på ændring af udbredelsesbetingelserne for elastiske, primært ultralydsvibrationer.

Ultralydsfejldetektion er en af ​​de mest effektive metoder til ikke-destruktiv kvalitetskontrol af metaldele.

I et homogent medium forplanter ultralyd sig i en retning uden hurtig dæmpning, og refleksion er karakteristisk for det ved mediets grænse. Så metaldele kontrolleres for hulrum og revner inde i dem (luft til metal-grænseflade), og øget metaltræthed detekteres.

Ultralyd kan trænge igennem en del på 10 meters dybde, og størrelsen af ​​de opdagede defekter er i størrelsesordenen 5 mm. Der er: skygge, puls, resonans, strukturel analyse, visualisering, — fem metoder til ultralydsdetektering.

Den enkleste metode er ultralyds-skyggedefektdetektion, denne metode er baseret på dæmpningen af ​​en ultralydsbølge, når den støder på en defekt, når den passerer gennem en del, da defekten skaber en ultralydsskygge.To konvertere virker: den første udsender en bølge, den anden modtager den.

Denne metode er ufølsom, en defekt opdages kun, hvis dens indflydelse ændrer signalet med mindst 15%, desuden er det umuligt at bestemme dybden, hvor defekten er placeret i delen. Mere nøjagtige resultater opnås ved pulserende ultralydsmetode, den viser også dybden.

Til udsendelse og modtagelse anvendes elastiske vibrationer piezoelektriske transducere, og i området for lyd og lave ultralydsfrekvenser — magnetostriktive transducere.

Følgende metoder bruges til at overføre elastiske vibrationer fra transduceren til det kontrollerede produkt og omvendt:

• kontaktløs;
• tør kontakt (hovedsageligt til lave frekvenser);
• kontakt med et smøremiddel (før testen påføres et lag af olie eller vand med en tykkelse meget mindre end den elastiske bølgelængde på produktets rent behandlede overflade);
• strålekontakt (gennem en strøm af væske, der strømmer i et lille mellemrum mellem det piezoelektriske element og produktets overflade);
• nedsænkning (det kontrollerede produkt nedsænkes i et bad, og der skabes kontakt gennem et lag væske, hvis tykkelse skal være mindst 1/4 af produktets tykkelse).

Fordelen ved nedsænkning, inkjet og berøringsfri metoder er det manglende slid på søgehovederne og muligheden for at bruge højere scanningshastigheder samt muligheden for automatisering af styringen.

Se også:

Ultralydsskæring af metaller

Installationer til ultralydsrensning af dele

Ultralydssensorer til automationssystemer

Sensorer og måleapparater til bestemmelse af stoffers sammensætning og egenskaber