Mis on ultraheli ja kuidas seda tööstuses kasutatakse?

Ultraheli nimetatakse elastseteks laineteks (elastsusjõudude toimel levivad lained vedelas, tahkes ja gaasilises keskkonnas), mille sagedus jääb inimesele kuuldavast vahemikust välja - umbes 20 kHz ja rohkem.

Esialgu eristati ultraheli- ja kuuldavaid helisid ainult inimkõrva tajumise või mittetajumise põhjal. Erinevate inimeste kuulmislävi varieerub vahemikus 7-25 kHz ning on kindlaks tehtud, et inimene tajub ultraheli sagedusega 30 - 40 kHz luu juhtivuse mehhanismi kaudu. Seetõttu on tavapäraselt aktsepteeritud ultraheli sageduse alumine piir.

Ultraheli sageduse ülempiir ulatub sagedusteni 1013 — 1014 Hz, s.o. kuni sagedusteni, kus lainepikkus muutub võrreldavaks molekulidevaheliste kaugustega tahketes ja vedelikes. Gaasides asub see piir allpool ja selle määrab molekuli vaba tee.

Ultrahelilainete kasulikud funktsioonid

Ja kuigi füüsiliselt on ultrahelil sama olemus kui kuuldaval helil, mis erineb ainult tinglikult (kõrgem sagedus), on ultraheli rakendatav mitmes kasulikus suunas just tänu kõrgemale sagedusele.

Niisiis saadakse ultraheli kiiruse mõõtmisel tahkes, vedelas või gaasilises aines kiirete protsesside jälgimisel, erisoojuse (gaasi) määramisel, tahkete ainete elastsuskonstantide mõõtmisel väga väikesed vead.

Kõrge sagedus madalatel amplituudidel võimaldab saavutada suuremat energiavoogude tihedust, kuna elastse laine energia on võrdeline selle sageduse ruuduga. Lisaks võivad ultrahelilained õigel kasutamisel tekitada mitmeid väga erilisi akustilisi efekte ja nähtusi.

Üks neist ebatavalistest nähtustest on akustiline kavitatsioon, mis tekib siis, kui võimas ultrahelilaine suunatakse vedelikku. Vedelikus hakkavad ultraheli toime piirkonnas väikesed auru- või gaasimullid (submikroskoopilise suurusega) kasvama kuni millimeetrise läbimõõduga osadeks, pulseerides laine sagedusega ja kokku kukkudes positiivse rõhu faasis.

Kokkuvarisev mull tekitab lokaalselt kõrgsurveimpulsi, mida mõõdetakse tuhandetes atmosfäärides, muutudes sfääriliste lööklainete allikaks. Selliste pulseerivate mullide läheduses tekkivad akustilised mikrovoolud on olnud kasulikud emulsioonide valmistamisel, osade puhastamisel jne.

Ultraheli fokuseerimisel saadakse helipildid akustilises holograafias ja helinägemissüsteemides ning helienergia kontsentreeritakse, moodustades määratletud ja kontrollitud suunaomadustega suunavihu.

Kasutades ultrahelilainet valguse difraktsioonivõrena, on võimalik valguse murdumisnäitajaid erinevatel eesmärkidel muuta, kuna ultrahelilaines, nagu ka elastsel lainel, muutub tihedus üldjuhul perioodiliselt.

Lõpuks ultraheli levimiskiirusega seotud omadused. Anorgaanilises keskkonnas levib ultraheli kiirusega, mis sõltub keskkonna elastsusest ja tihedusest.

Mis puutub orgaanilistesse keskkondadesse, siis siin mõjutavad kiirust piirid ja nende iseloom, st faasikiirus sõltub sagedusest (dispersioon) Ultraheli vaibub lainefrondi kaugusega allikast — front divereerub, ultraheli on hajutatud, imendub.

Söötme sisemine hõõrdumine (nihkeviskoossus) viib ultraheli klassikalise neeldumiseni, pealegi on ultraheli relaksatsioonineeldumine parem kui klassikalisel. Gaasi puhul nõrgeneb ultraheli tugevamini, tahkes ja vedelikes palju nõrgemalt. Näiteks vees laguneb see 1000 korda aeglasemalt kui õhus. Seega on ultraheli tööstuslikud rakendused peaaegu täielikult seotud tahkete ainete ja vedelikega.

Ultraheli kasutamine

Ultraheli kasutamine areneb järgmistes suundades:

• ultrahelitehnoloogia, mis võimaldab tekitada pöördumatuid mõjusid antud ainele ja füüsikalis-keemiliste protsesside kulgemisele ultraheli abil intensiivsusega W / cm2 kuni sadade tuhandete W / cm2;
• ultraheli juhtimine, mis põhineb ultraheli neeldumise ja kiiruse sõltuvusel keskkonna olekust, mille kaudu see levib;
• ultraheli lokaliseerimise meetodid, signaali viiteliinid, meditsiiniline diagnostika jne, mis põhinevad kõrgema sagedusega ultrahelivõngete võimel levida sirgjoonelistes kiirtes (kiirtes), järgivad geomeetrilise akustika seadusi ja levivad samal ajal suhteliselt väikese kiirusega.

Ultrahelil on eriline roll aine struktuuri ja omaduste uurimisel, kuna nende abil on suhteliselt lihtne määrata materiaalsete keskkondade kõige erinevamaid omadusi, nagu elastsus- ja viskoelastsuskonstandid, termodünaamilised omadused, Fermi pindade vormid, nihestused, kristallvõre puudused jne. Ultraheli uurimise asjakohast haru nimetatakse molekulaarakustikaks.

Ultraheli kajalokatsioonis ja sonaris (toit, kaitse, kaevandamine)

Esimese sonari prototüübi lõi vene insener Shilovsky koos prantsuse füüsiku Langeviniga 1912. aastal, et vältida laevade kokkupõrkeid jääplokkide ja jäämägedega.

Seade kasutab helilainete peegelduse ja vastuvõtmise põhimõtet. Signaal oli suunatud kindlasse punkti ja vastussignaali (kaja) viivituse järgi oli heli kiirust teades võimalik hinnata kaugust heli peegeldava takistuseni.

Shilovsky ja Langevin alustasid hüdroakustika põhjalikku uurimist ja lõid peagi seadme, mis suudab tuvastada vaenlase allveelaevu Vahemerel kuni 2 kilomeetri kauguselt. Kõik kaasaegsed kajaloodid, sealhulgas sõjalised, on selle seadme järeltulijad.

Kaasaegsed kajaloodid põhjareljeefi uurimiseks koosnevad neljast plokist: saatja, vastuvõtja, andur ja ekraan.Saatja ülesanne on saata sügavale vette ultraheliimpulsse (50 kHz, 192 kHz või 200 kHz), mis levivad läbi vee kiirusega 1,5 km/s, kus need peegelduvad kaladelt, kividelt, muudelt objektidelt. ja allpool, pärast selle kaja jõudmist vastuvõtjani, töödeldakse muundurit ja tulemus kuvatakse ekraanil visuaalseks tajumiseks mugavas vormis.

Ultraheli elektroonika- ja elektritööstuses

Paljud kaasaegse füüsika valdkonnad ei saa ilma ultrahelita hakkama. Tahkete ainete ja pooljuhtide füüsika, aga ka akustoelektroonika on paljuski tihedalt seotud ultraheliuuringute meetoditega — mõjudega sagedusel 20 kHz ja kõrgemal. Erilise koha on siin hõivanud akustoelektroonika, kus ultrahelilained interakteeruvad tahkete kehade sees olevate elektriväljade ja elektronidega.

Mahulisi ultrahelilaineid kasutatakse viivitusliinides ja kvartsresonaatorites sageduse stabiliseerimiseks tänapäevastes elektroonilistes süsteemides informatsiooni töötlemiseks ja edastamiseks Pinnalained on erilisel kohal televisiooni ribapääsfiltrites, sagedussüntesaatorites, akustiliste lainete edastamise seadmetes, mälu- ja pildilugemisseadmetes. Lõpuks kasutavad korrelaatorid ja konvolverid oma töös põiksuunalist akustoelektrilist efekti.

Raadioelektroonika ja ultraheli

Ultraheli viiteliinid on kasulikud ühe elektrisignaali viivitamiseks teise suhtes.Elektriimpulss muudetakse ultraheli sagedusega impulss-mehaaniliseks vibratsiooniks, mis levib mitu korda aeglasemalt kui elektromagnetimpulss; mehaaniline vibratsioon muundatakse seejärel tagasi elektriimpulssiks ja tekitatakse signaal, mis on algsisendi suhtes viivitatud.

Selliseks muundamiseks kasutatakse tavaliselt piesoelektrilisi või magnetostriktiivseid muundureid, mistõttu viitejooni nimetatakse ka piesoelektrilisteks või magnetostriktiivseteks.

Piesoelektrilises viiteliinis suunatakse elektriline signaal kvartsplaadile (piesoelektriline muundur), mis on jäigalt ühendatud metallvardaga.

Varda teise otsaga on ühendatud teine ​​piesoelektriline muundur. Sisendmuundur võtab signaali vastu, tekitab mehaanilisi vibratsioone, mis levivad mööda varda ja kui vibratsioonid jõuavad läbi varda teise andurini, tekib uuesti elektriline signaal.

Vibratsioonide levimiskiirus piki varda on palju väiksem kui elektrilisel signaalil, seetõttu hilineb varda läbiv signaal sisendi suhtes summa võrra, mis on seotud elektromagnetilise ja ultraheli vibratsiooni kiiruste erinevusega.

Magnetostriktiivne viivitusliin sisaldab sisendmuundurit, magneteid, helijuhet, väljundandurit ja neeldujaid. Sisendsignaal kantakse esimesele mähisele, magnetostriktiivsest materjalist varda akustilises juhis saavad alguse ultraheli sagedusvõnked - mehaanilised võnked - magnet tekitab siin transformatsioonitsoonis püsimagnetiseerimise ja esialgse magnetinduktsiooni.

Varras levivad vibratsioonid kiirusega 5000 m / s, näiteks 40 cm pikkuse varda puhul on viivitus 80 μs. Varda mõlemas otsas olevad summutid hoiavad ära signaali soovimatu peegelduse. Magnetostriktiivsed häired põhjustavad teise mähise (väljundmuunduri) EMF-i induktsiooni muutusi.

Ultraheli töötlevas tööstuses (lõikamine ja keevitamine)

Ultraheliallika ja tooriku vahele asetatakse abrasiivne materjal (kvartsliiv, teemant, kivi jne). Ultraheli mõjub abrasiivsetele osakestele, mis omakorda tabavad ultraheli sagedusega detaili. Tooriku materjal hävib tohutul hulgal abrasiivsetest teradest saadud väikeste löökide mõjul - nii toimub töötlemine.

Lõikamine lisandub etteande liikumisega, kusjuures peamised on pikisuunalised lõikevõnked. Ultrahelitöötluse täpsus sõltub abrasiivi terade suurusest ja ulatub 1 mikronini. Nii tehakse keerukaid lõikeid, mis on vajalikud metalldetailide valmistamisel, lihvimisel, graveerimisel ja puurimisel.

Kui on vaja keevitada erinevaid metalle (või isegi polümeere) või ühendada paks osa õhukese plaadiga, tuleb appi taas ultraheli. See on nn külm ultraheli keevitamine… Ultraheli mõjul keevitustsoonis muutub metall väga plastiliseks, osad võivad ühendamisel iga nurga all väga kergesti pöörata. Ja tasub ultraheli välja lülitada - osad ühenduvad kohe, püüavad kinni.

Eriti tähelepanuväärne on see, et keevitamine toimub temperatuuril, mis on madalam osade sulamistemperatuurist ja nende ühendamine toimub tegelikult tahkes olekus, kuid nii keevitatakse teraseid, titaani ja isegi molübdeeni. Õhukesi lehti on kõige lihtsam keevitada. See keevitusmeetod ei eelda osade pinna spetsiaalset ettevalmistamist, see kehtib ka metallide ja polümeeride kohta.

Ultraheli testimist kasutatakse metalli lamedate defektide tuvastamiseks keevitamise ajal (praod, läbitungimise puudumine, nakkuvuse puudumine). See meetod on väga tõhus peeneteraliste teraste puhul.

Ultraheli metallurgias (ultraheli defektide tuvastamine)

Ultraheli defektide tuvastamine — defektide tuvastamine, mis põhineb elastsete, peamiselt ultrahelivõngete levimistingimuste muutmisel.

Ultraheli defektide tuvastamine on üks tõhusamaid meetodeid metallosade mittepurustavaks kvaliteedikontrolliks.

Homogeenses keskkonnas levib ultraheli kiire sumbumiseta suunas ja sellele on iseloomulik keskkonna piiril peegeldumine. Seega kontrollitakse metallosade sees tühimikke ja pragusid (õhk-metalli liides) ning tuvastatakse metalli suurenenud väsimus.

Ultraheli suudab läbistada detaili 10 meetri sügavuselt ja tuvastatud defektide suurus on 5 mm. Seal on: vari, impulss, resonants, struktuurianalüüs, visualiseerimine, — viis ultrahelivigade tuvastamise meetodit.

Lihtsaim meetod on ultraheli varjude defektide tuvastamine, see meetod põhineb ultrahelilaine sumbumisel, kui see kohtab detaili läbimisel defekti, kuna defekt tekitab ultraheli varju.Töötavad kaks muundurit: esimene kiirgab lainet, teine ​​võtab selle vastu.

See meetod on tundetu, defekt tuvastatakse ainult siis, kui selle mõju muudab signaali vähemalt 15%, lisaks on võimatu määrata defekti asukoha sügavust detailis. Täpsemad tulemused saadakse impulss-ultraheli meetodil, see näitab ka sügavust.

Elastsete vibratsioonide väljastamiseks ja vastuvõtmiseks kasutatakse piesoelektrilised muundurid, ning heli ja madalate ultrahelisageduste vahemikus — magnetostriktiivsed muundurid.

Elastsete vibratsioonide ülekandmiseks muundurilt kontrollitavale tootele ja vastupidi kasutatakse järgmisi meetodeid:

• kontaktivaba;
• kuivkontakt (peamiselt madalate sageduste jaoks);
• kokkupuude määrdeainega (enne katset kantakse toote puhtalt töödeldud pinnale elastsest lainepikkusest palju väiksema paksusega õli- või veekiht);
• joakontakt (läbi vedelikujoa, mis voolab väikeses pilus piesoelektrilise elemendi ja toote pinna vahel);
• sukeldamine (kontrollitav toode kastetakse vanni ja kontakt toimub läbi vedelikukihi, mille paksus peab olema vähemalt 1/4 toote paksusest).

Keelekümblus-, tindiprinteri- ja mittekontaktsete meetodite eeliseks on otsipeade kulumise puudumine ja suuremate skaneerimiskiiruste kasutamise võimalus, samuti juhtimise automatiseerimise võimalus.

Vaata ka:

Ultraheli metallide lõikamine

Paigaldus osade ultraheli puhastamiseks

Ultraheliandurid automaatikasüsteemidele

Andurid ja mõõteseadmed ainete koostise ja omaduste määramiseks