Ультразвук и его использование кратко. Применение ультразвука в радиоэлектронике

Ультразвук………………………………………………………………….4

Ультразвук как упругие волны……………………………………..4

Специфические особенности ультразвука………………………………..5

Источники и приемники ультразвука……………………………………..7

Механические излучатели…………………………………………...7

Электроакустические преобразователи…………………………….9

Приемники ультразвука……………………………………………..11

Применение ультразвука…………………………………………………...11

Ультразвуковая очистка……………………………………………...11

Механическая обработка сверхтвердых и хрупких

материалов……………………………………………………………13

Ультразвуковая сварка……………………………………………….14

Ультразвуковая пайка и лужение……………………………………14

Ускорение производственных процессов………………..…………15

Ультразвуковая дефектоскопия…………………………..…………15

Ультразвук в радиоэлектронике………………………..……………17

Ультразвук в медицине………………………………..……………..18

Литература…………………………………………………..……………….19

Двадцать первый век - век атома, покорения космоса, радиоэлектроники и ультразвука. Наука об ультразвуке сравнительно молодая. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены великим русским ученым-физиком П. Н. Лебедевым в конце XIX, а затем ультразвуком занимались многие видные ученые.

Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности по сравнению со звуками слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне сравнительно легко получить направленное излучение; он хорошо поддается фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает интересные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и техники.

В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое направление химии – ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-технологические процессы. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазомерия, акустоэлектроника.

Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ. Разработаны универсальные и специальные ультразвуковые станки, установки, работающие под повышенным статическим давлением, ультразвуковые механизированные установки для очистки деталей, генераторы с повышенной частотой и новой системой охлаждения, преобразователи с равномерно распределенным полем. Созданы и внедрены в производство автоматические ультразвуковые установки, которые включаются в поточные линии, позволяющие значительно повысить производительность труда.

Ультразвук (УЗ) – упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 – 20 кГц. Нижняя граница области УЗ-вых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной, так как верхняя граница слухового восприятия у каждого человека своя. Верхняя граница УЗ-вых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. В газах при нормальном давлении верхняя граница частот УЗ составляет » 10 9 Гц, в жидкостях и твердых телах граничная частота достигает 10 12 -10 13 Гц. В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает различными специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область УЗ-вых частот подразделяют на три области:

· низкие УЗ-вые частоты (1,5×10 4 – 10 5 Гц);

· средние (10 5 – 10 7 Гц);

· высокие (10 7 – 10 9 Гц).

Упругие волны с частотами 10 9 – 10 13 Гц принято называть гиперзвуком.

Ультразвук как упругие волны.

УЗ-вые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона. В газах и жидкостях распространяются только продольные волны, а в твердых телах – продольные и сдвигов ые.

Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общими для акустических волн любого диапазона частот. К основным законам распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды. Существенную роль при этом играет соотношение между длиной волны звука l и геометрическим размером D – размером источника звука или препятствия на пути волны, размером неоднородностей среды. При D>>l распространение звука вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрической акустики (можно пользоваться законами отражения и преломления). Степень отклонения от геометрической картины распространения и необходимость учета дифракционных явлений определяются параметром

Скорость распространения УЗ-вых волн в неограниченной среде определяется характеристиками упругости и плотностью среды. В ограниченных средах на скорость распространения волн влияет наличие и характер границ, что приводит к частотной зависимости скорости (дисперсия скорости звука). Уменьшение амплитуды и интенсивности УЗ-вой волны по мере ее распространения в заданном направлении, то есть затухание звука, вызывается, как и для волн любой частоты, расхождением фронта волны с удалением от источника, рассеянием и поглощением звука. На всех частотах как слышимого, так и неслышимых диапазонов имеет место так называемое «классическое» поглощение, вызванное сдвиговой вязкостью (внутренним трением) среды. Кроме того, существует дополнительное (релаксационное) поглощение, часто существенно превосходящее «классическое» поглощение.

При значительной интенсивности звуковых волн появляются нелинейные эффекты:

· нарушается принцип суперпозиции и возникает взаимодействие волн, приводящее к появлению тонов;

· изменяется форма волны, ее спектр обогащается высшими гармониками и соответственно растет поглощение;

· при достижении некоторого порогового значения интенсивности УЗ в жидкости возникает кавитация (см. ниже).

Критерием применимости законов линейной акустики и возможности пренебрежения нелинейными эффектами является: М << 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Параметр М называется «число Маха».

Хотя физическая природа УЗ и определяющие его распространение основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей. Эти особенности обусловлены относительно высокими частотами УЗ.

Малость длины волны определяет лучевой характер распространения УЗ-вых волн. Вблизи излучателя волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные препятствия такой пучок (УЗ луч) испытывает отражение и преломление. При попадании луча на малые препятствия возникает рассеянная волна, что позволяет обнаруживать в среде малые неоднородности (порядка десятых и сотых долей мм.). Отражение и рассеяние УЗ на неоднородностях среды позволяют формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов, используя звуковые фокусирующие системы, подобно тому, как это делается с помощью световых лучей.

Фокусировка УЗ позволяет не только получать звуковые изображения (системы звуковидения и акустической голографии), но и концентрировать звуковую энергию. С помощью УЗ-вых фокусирующих систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими.

Периодическое изменение показателя преломления световых волн, связанное с изменением плотности в УЗ-волне, вызывает дифракцию света на ультразвуке , наблюдаемую на частотах УЗ мегагерцевого-гигагерцевого диапазона. УЗ волну при этом можно рассматривать как дифракционную решетку.

Важнейшим нелинейным эффектом в УЗ-вом поле является кавитация – возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их схлопывание, слияние друг с другом и т.д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия ), возникает перемешивание жидкости, инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы. Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты, например с ростом частоты УЗ увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с увеличением давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий. Увеличение частоты приводит к повышению порогового значения интенсивности, соответствующей началу кавитации, которое зависит от рода жидкости, ее газосодержания, температуры и т.д.. Для воды при атмосферном давлении оно обычно составляет 0,3¸1,0 Вт/см 2 . Кавитация – сложный комплекс явлений. УЗ-вые волны, распространяющиеся в жидкости, образуют чередующиеся области высоких и низких давлений, создающих зоны высоких сжатий и зоны разрежений. В разреженной зоне гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил межмолекулярного сцепления. В результате резкого изменения гидростатического равновесия жидкость «разрывается», образуя многочисленные мельчайшие пузырьки газов и паров. В следующий момент, когда в жидкости наступает период высокого давления, образовавшиеся ранее пузырьки схлопываются. Процесс схлопывания пузырьков сопровождается образованием ударных волн с очень большим местным мгновенным давлением, достигающим нескольких сотен атмосфер.

Механические волны с частотой колебания, большей 20 000 Гц, не воспринимаются человеком как звук. Из называют ультразвуковыми волнами или ультразвуком. Ультразвук сильно поглощается газами и во много раз слабее - твердыми веществами и жидкостями. Поэтому ультразвуковые волны могут распространяться на значительные расстояния только в твердых телах и жидкостях.

Так как энергия, которую переносят волны, пропорциональна плотности среды и квадрату частоты, то ультразвук может переносить энергию, намного большую, чем звуковые волны. Еще одно важное свойство ультразвука заключается в том, что сравнительно просто осуществляется его направленное излучение. Все это позволяет широко использовать ультразвук в технике.

Описанные свойства ультразвука используются в эхолоте - приборе для определения глубины моря (рис. 25.11). Корабль снабжают источником и приемником ультразвука определенной частоты. Источник отправляет кратковременные ультразвуковые импульсы, а приемник улавливает отраженные импульсы. Зная время между отправлением и приемом импульсов и скорость распространения ультразвука в воде, с помощью формулы (25.3) определяют глубину моря. Аналогично действует ультразвуковой локатор, которым пользуются для определения расстояния до препятствия на

пути корабля в горизонтальном направлении. При отсутствии таких препятствий ультразвуковые импульсы не возвращаются к кораблю.

Интересно, что некоторые животные, например летучие мыши, имеют органы, действующие по принципу ультразвукового локатора, что позволяет им хорошо ориентироваться в темноте. Совершенный ультразвуковой локатор имеют дельфины. -

При прохождении ультразвука через жидкость частицы жидкости приобретают большие ускорения и сильно воздействуют на различные тела, помещенные в жидкость. Это используют для ускорения самых различных технологических процессов (например, приготовления растворов, отмывки деталей, дубления кож и т. д.).

При интенсивных ультразвуковых колебаниях в жидкости ее частицы приобретают такие большие ускорения, что в жидкости образуются на короткое время разрывы (пустоты), которые резко захлопываются, создавая множество маленьких ударов, т. е. происходит кавитация. В таких условиях жидкость оказывает сильное дробящее действие, что используется для приготовления суспензий, состоящих из распыленных частиц твердого тела в жидкости, и эмульсий - взвесей мелких капелек одной жидкости в другой.

Ультразвук применяется для обнаружения дефектов в металлических деталях. В современной технике применение ультразвука столь обширно, что трудно даже перечислить все области его использования.

Заметим, что механические волны с частотой колебаний меньше 16 Гц называют инфразвуковыми волнами или инфразвуком. Они также не вызывают звуковых ощущений, Инфразвуковые волны возникают на море во время ураганов и землетрясений. Скорость распространения инфразвука в воде гораздо больше, чем скорость перемещения урагана или гигантских волн цунами, образующихся при землетрясении, Это позволяет некоторым морским животным, обладающим способностью воспринимать инфразвуковые волны, получать таким путем сигналы о приближающейся опасности.

Применение ультразвука в промышленности

Ультразвуковыми называют упругие механические ко­лебания с частотой выше 20 кГц, которые не восприни­маются человеческим ухом. Наиболее короткие ультразвуковые волны имеют длину порядка длин волн видимого света. Ультразвуковые волны, так же как и све­товые, отражаются от препятствий, их можно фокусиро­вать и т. п.

При распространении ультразвуковых колебаний в жидкой среде в последней возникают чередующиеся сжатия и растяжения с частотой проходящих колебаний; в момент растяжения происходят местные разрывы жид­кости и образуются полости (пузырьки), заполняющиеся парами жидкости и растворенными в ней газами. В мо­мент сжатия пузырьки захлопываются, что сопрово­ждается сильными гидравлическими ударами. Это явле­ние называется кавитацией. Местные ударные давле­ния при этом часто превышают 980 МПа.

Используемые в промышленности источники ультра­звука могут быть разделены на две группы: механиче­ские и электромеханические.

Из механических источников ультразвука наибольшее применение получили динамические (сирены) и статиче­ские (свистковые). Сирены имеют статор с отверстиями и ротор из перфорированного диска. При подаче в кор­пус сирены пара, газа или сжатого воздуха ротор вра­щается, периодически закрывая и открывая отверстия статора, создавая механические колебания. Сирены ши­роко применяют, например, для осаждения тумана сер­ной кислоты и мелкодисперсной сажи в процессе их производства.

Из статических источников ультразвука (генераторов) наиболее известен свисток Гартмана, в котором зву­ковые колебания возникают при ударе струи газа, движу­щейся со сверхзвуковой скоростью из сопла в цилиндри­ческий резонатор.

Из электромеханических источников наибольшее при­менение получили магнитострикционные и пьезокерамические преобразователи.

Основной частью магнитострикционного преобразова­теля служит так называемый двигатель из ферромагнит­ного материала, обладающий способностью изменять свои размеры в магнитном поле. Например, стержень из никеля, помещенный в магнитное поле, укорачивается, а стержень из железокобальтового сплава (пермендюра) - удлиняется.

Пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при растяжении и сжатии в определенных направлениях некоторых кристаллов, например кварца, на их поверхности возникают электрические заряды (прямой пьезоэффект).

Если к такой кварцевой пластинке подвести электри­ческий заряд, то она изменит свои размеры (обратный пьезоэффект). При действии на пластинку переменного электрического поля она будет сжиматься или разжи­маться синхронно с изменением приложенного напряже­ния. Прямой пьезоэлектрический эффект используется в приемниках ультразвуковых колебаний, где последние преобразуются в переменный ток.

Обратный пьезоэффект используется при изготовле­нии излучателей ультразвуковых колебаний, которые преобразуют электрические колебания в механические, главным образом, более высоких частот по сравнению с магнитострикционными.

В последние годы широкое распространение получили вибраторы из пьезокерамики, обладающие более высо­ким пьезоэффектом, чем природный кварц.

Одним из основных технологических применений уль­тразвука является интенсификация многих техно­логических процессов.

Ультразвуковые колебания применяются при ускоре­нии таких процессов, как полимеризация (например, уль­тразвуковая обработка эмульсии при изготовлении ис­кусственного каучука).

Значительно ускоряет ультразвук кристаллизацию различных веществ из пересыщенных растворов (вин­ной кислоты, фтористого алюминия и др.).

С помощью ультразвука можно ускорить и растворе­ние твердых веществ в жидкости. Например, продолжи­тельность растворения вискозы в процессе изготовления химических волокон при применении ультразвука сокра­щается с 7 до 3 ч.

Ультразвук позволяет ускорить экстракционные про­цессы, например получать рыбий жир из рыбьей печени без значительного повышения температуры, что позво­ляет сохранить в нем все ценные витамины.

В химических процессах ультразвук применяют для очистки деталей (подшипников, электрических контак­тов и др.) и сборочных единиц от загрязнений.

Качество ультразвуковой очистки несравнимо с дру­гими способами. Например, при очистке деталей в раз­личных органических растворителях на их поверхности остается до 80% загрязнений, при вибрационной очист­ке - около 55 %, а при ультразвуковой - не более 0,5 %.

Ультразвуковые методы в большинстве случаев обеспе­чивают полную очистку деталей от технических загрязне­ний.

Ультразвуковая очистка производится в органических растворителях или водных растворах моющих веществ.

В последние годы преимущественное распространение получают водные растворы моющих веществ благодаря их негорючести и отсутствию токсичных компонентов, низкой стоимости, способности удерживать загрязнения во взвешенном состоянии без повторного осаждения их на очищаемую поверхность. В качестве водных моющих растворов применяются растворы щелочей и щелочных солей с добавками поверхностно-активных веществ. При очистке в таких растворах происходит одновременно эмульгирование и омыление загрязнений.

Продолжительность ультразвуковой очистки зависит от характера загрязнений и моющих растворов и не пре­вышает 10-15 мин.

Пайка некоторых металлов и сплавов, например алю­миния, нержавеющих сталей и др., обычными способами затруднена из-за наличия на их поверхностях прочной, трудноудаляемой оксидной пленки. Введение ультразву­ковых колебаний в расплавленный припой приводит к разрушению пленки и облегчает смачивание припоем поверхности, подлежащей пайке или лужению, облегчает и ускоряет процесс пайки, повышает качество паяных со­единений. Внедрение ультразвука при пайке алюминия уменьшает трудоемкость процесса на 20 - 30%. С по­мощью ультразвука можно облуживать изделия из кера­мики.

Сущность ультразвуковой размерной об­работки заключается в том, что между инструментом, соединенным с излучателем, и заготовкой вводится абра­зивный материал, который воздействует на обрабатывае­мую поверхность. В качестве абразивных зерен приме­няют алмаз, корунд, наждак, кварцевый песок, карбид бора, карбид кремния и др.

Ультразвуком можно обрабатывать как хрупкие ма­териалы (стекло, керамику, кварц, кремний, германий и др.), так и жаропрочные твердые (закаленные и азоти­рованные стали, твердые сплавы), применяемые, в част­ности, для изготовления металлорежущего инстру­мента.

Ультразвуковая обработка может производиться сво­бодно направленным абразивом, например при декоративном шлифовании и для снятия заусенцев у мелких деталей.

Размерная обработка инструментом обеспечивает вы­сокую точность, позволяет получать сквозные и глухие отверстия, вырезы, осуществлять шлифование, клейме­ние, гравирование и другие операции.

Наряду с преимуществами ультразвуковой метод имеет и недостатки: сравнительно небольшая площадь и глубина обработки, большая энергоемкость, невысокая производительность процесса и большой износ инстру­мента.

Электроэрозионная обработка

Электроэрозионные методы обработки применимы для всех токопроводящих материалов. Эти методы осно­ваны на явлении эрозии (разрушения) поверхности токо­проводящих электродов от разрядов при пропускании между ними импульсного электрического тока.

Разрушение материала происходит из-за его локаль­ного оплавления и выброса расплавленного материала в виде парожидкостной смеси.

Все виды электроэрозионной обработки осущест­вляются в жидкостной среде - керосине, нефтяном мас­ле, дистиллированной воде.

При прохождении искрового разряда в жидкости на­чинается бурное газообразование, в результате чего жид­кость как бы взрывается, что способствует удалению продуктов эрозии из рабочей зоны. Кроме того, рабочая жидкость препятствует окислению поверхности обра­батываемого материала.

Основными разновидностями электроэрозионных ме­тодов являются электроискровая и анодно-механическая обработка.

Электроискровая обработка широко при­меняется в инструментальном производстве при изготов­лении штампов, литейных форм и прессформ, а также в основном производстве при размерной обработке заго­товок деталей сложных профилей из труднообрабаты­ваемых электропроводящих материалов. С ее помощью можно получать сквозные и глухие отверстия различной конфигурации, криволинейные щели и пазы, вырезать сложный контур, клеймить детали, удалять из заготовок сломанный инструмент и т. п.

Принципиальная схема установки приведена на рис. 18.57, а. Источник питания - генератор 3 однополярных импульсов заряжает конденсатор 5 до напряжения про­боя в промежутке между электродом-инструментом 2 и обрабатываемой заготовкой 1. При пробое энергия, на­копленная конденсатором 5, мгновенно выделяется в ви­де разряда.

Из-за малой длительности разряда заготовка и рабо­чий электрод практически не нагреваются, хотя основная часть накопленной энергии превращается в теплоту, иду­щую на плавление и испарение обрабатываемого мате­риала.

Под действием многочисленных разрядов в обра­батываемом материале образуется выемка, представляю­щая собой отпечаток торца электрода-инструмента. Станки для электроискровой обработки снабжены про­граммно-управляющими устройствами, которые обеспе­чивают постоянный зазор между заготовкой и инстру­ментом, продольное перемещение инструмента и регули­рование подачи. Производительность процесса зависит от частоты следования импульсов, энергии разряда, свойств обрабатываемого материала, материала и формы электрода-инструмента. При оптимальных ре­жимах обработки, устанавливаемых с помощью перемен­ного сопротивления 4, конфигурация детали обеспечи­вается с погрешностью ± 0,005 мм.

Обработку профильным электродом применяют для получения сквозных и глухих отверстий с различной фор­мой поперечного сечения.

В настоящее время наибольшее применение получил метод электроискровой обработки непрофилированным электродом-проволокой. При этом (рис. 18.57,6) электрод-проволока 2 диаметром 0,02 - 0,5 мм (в зависимости от требуемой точности обработки) перематывается с опре­деленной скоростью с подающей катушки 4 на приемную катушку 1 , воспроизводя любой заданный контур. При вырезании замкнутого контура в заготовке 3 предусма­тривается технологическое отверстие.

Анодно-механическая обработка (рис. 18.57, в) осуществляется при включении обрабатываемой заготовки 1 в цепь постоянного тока в качестве анода, а рабочего инструмента - диска 2 в качестве катода. В зазор подается рабочая жидкость (раствор жидкого стекла при черновой обработке или раствор хлористого или сернокислого натрия при доводке). При анодно-меха-нической обработке металл заготовки подвергается анод­ному (электрохимическому) растворению, а также ло­кальному плавлению от воздействия разрядов, как при электроискровой обработке, и механическому воздей­ствию инструмента, который снимает оксидную пленку и расплавленный металл.

Производительность процесса в 2 - 3 раза выше, чем при обычной механической обработке. Этот метод при­меняют для шлифования, хонингования цилиндрических отверстий, полирования, резки. Анодно-механическую обработку можно совмещать с абразивной обработкой, используя при этом в качестве инструмента электропро­водящий абразивный диск или добавляя абразив в рабо­чую жидкость.

Процесс электроискрового упрочнения применяют для упрочнения поверхностей различных ме­таллов и сплавов, чаще всего штамповой оснастки. В от­личие от размерной электроискровой обработки здесь анодом является электрод-инструмент, материал с по­верхности которого переносится на обрабатываемую заготовку - катод.

Сущность метода заключается в том, что при сближе­нии инструмента с деталью между ними возникает ис­кровой электрический разряд, который оплавляет мате­риал анода. На первой стадии капля расплавленного металла разогревается до высокой температуры, заки­пает и металл анода в виде мелких частиц устремляется к катоду. Достигнув катода, расплавленные частицы сва­риваются с ним. На следующей стадии через раска­ленный участок катода проходит второй импульс тока, Этот импульс сопровождается механическим ударом анода о катод, при котором происходит сварка металла анода с поверхностью катода, сопровождаемая химиче­скими реакциями, диффузионными процессами и явле­ниями, характерными при ковке.

В качестве материала анода для упрочнения режущего инструмента (резцов, фрез, сверл, ножей и др.) исполь­зуют твердые сплавы различных марок, феррохром и графит. Расход этих материалов невелик.

Механические волны с частотой колебания, большей 20 000 Гц, не воспринимаются человеком как звук. Из называют ультразвуковыми волнами или ультразвуком . Ультразвук сильно поглощается газами и во много раз слабее - твердыми веществами и жидкостями. Поэтому ультразвуковые волны могут распространяться на значительные расстояния только в твердых телах и жидкостях.

Так как энергия, которую переносят волны, пропорциональна плотности среды и квадрату частоты, то ультразвук может переносить энергию, намного большую, чем звуковые волны. Еще одно важное свойство ультразвука заключается в том, что сравнительно просто осуществляется его направленное излучение. Все это позволяет широко использовать ультразвук в технике.

Описанные свойства ультразвука используются в эхолоте - приборе для определения глубины моря (рис. 25,11). Корабль снабжают источником и приемником ультразвука определенной частоты. Источник отправляет кратковременные ультразвуковые импульсы, а приемник улавливает отраженные импульсы. Зная время между отправлением и приемом импульсов и скорость распространения ультразвука в воде, с помощью формулы l = vt/2 определяют глубину моря. Аналогично действует ультразвуковой локатор, которым пользуются для определения расстояния до препятствия на пути корабля в горизонтальном направлении . При отсутствии таких препятствий ультразвуковые импульсы не возвращаются к кораблю.

Интересно, что некоторые животные, например, летучие мыши, имеют органы, действующие по принципу ультразвукового локатора, что позволяет им хорошо ориентироваться в темноте. Совершенный ультразвуковой локатор имеют дельфины.

При прохождении ультразвука через жидкость частицы жидкости приобретают большие ускорения и сильно воздействуют на различные тела, помещенные в жидкость. Это используют для ускорения самых различных технологических процессов (например, приготовления растворов, отмывки деталей, дубления кож и т. д.).

При интенсивных ультразвуковых колебаниях в жидкости ее частицы приобретают такие большие ускорения, что в жидкости образуются на короткое время разрывы (пустоты ), которые резко захлопываются, создавая множество маленьких ударов, т. е. происходит кавитация. В таких условиях жидкость оказывает сильное дробящее действие, что используется для приготовления суспензий, состоящих из распыленных частиц твердого тела в жидкости, и эмульсий - взвесей мелких капелек одной жидкости в другой.

Ультразвук применяется для обнаружения дефектов в металлических деталях. В современной технике применение ультразвука столь обширно, что трудно даже перечислить все области его использования.

Заметим, что механические волны с частотой колебаний меньше 16 Гц называют инфразвуковыми волна ми или инфразвуком. Они также не вызывают звуковых ощущений. Инфразвуковые волны возникают на море во время ураганов и землетрясений. Скорость распространения инфразвука в воде гораздо больше, чем скорость перемещения урагана или гигантских волн цунами, образующихся при землетрясении. Это позволяет некоторым морским животным, обладающим способностью воспринимать инфразвуковые волны, получать таким путем сигналы о приближающейся опасности.

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Двадцать первый век - век атома, покорения космоса, радиоэлектроники и ультразвука. Наука об ультразвуке сравнительно молодая. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены русским ученым - П.Н. Лебедевым в конце XIXвека, а затем ультразвуком занимались Ж.-Д. Колладон, Ж. и П. Кюри, Ф. Гальтон.

В современном мире ультразвук играет все большую роль в научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое направление химии - ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-технологические процессы. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики - молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука. Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ.

Посещая больницу, я видела приборы, работа которых основывается на ультразвуке. Такие приборы позволяют обнаруживать различные однородности или неоднородности вещества в тканях человека, опухоли мозга и другие образования, патологические состояния мозга, дают возможность контролировать ритмичность работы сердца. Мне стало интересно, как же с помощью ультразвука работают эти установки, и вообще, что такое ультразвук. В школьном курсе физики про ультразвук и его свойства ничего не говорится, и я решила изучить ультразвуковые явления сама.

Цель работы : изучить ультразвук, экспериментально исследовать его свойства, изучить возможности применения ультразвука в технике.

Задачи:

теоретически рассмотреть причины образования ультразвука;

получить ультразвуковой фонтанчик;

исследовать свойства ультразвуковых волн в воде;

исследовать зависимость высоты фонтанчика отконцентрации растворенного вещества для разных растворов (вязкие и невязкие);

изучить современные применения ультразвука в технике.

Гипотеза: ультразвуковые волны обладают теми же свойствами, что и звуковые волны (отражение, преломление, интерференция), но за счет большей проникающей способности в веществе ультразвук имеет больше возможностей применения в технике; при увеличении концентрации раствора (плотности жидкости) высота ультразвукового фонтанчика уменьшается.

Методы исследования:

Анализ и отбор теоретической информации; выдвижение гипотезы исследования; эксперимент; проверка гипотезы.

II. - Теоретическая часть.

1. История возникновения ультразвука.

Внимание к акустике было вызвано потребностями морского флота ведущих держав - Англии и Франции, т.к. акустический - единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году французские учёныеЖ.-Д. Колладон и Ш.-Ф. Штурм определили скорость звука в воде. Их эксперимент считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась учеными на расстоянии 10 миль. Также был слышен звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, была вычислена скорость звука - 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.

В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт корабля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола (как, впрочем, и подрыв в воде пороховых патронов), давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки, то есть переходить на ультразвук.

Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин ФрэнсисГальтон. Ультразвук создавался подобно свисту на острие ножа, если на него дуть. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух или другой газ, выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на кромку, и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.

В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо "пьезоэлектричество" от греческого слова, означающего "нажать". Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Эта вибрация происходила с ультразвуковой частотой. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

Явление электрострикции (обратный пьезоэлектрический эффект) обусловлено ориентацией и плотной упаковкой части молекул воды вокруг ионных групп аминокислот и сопровождается уменьшением теплоемкости и сжимаемости растворов биполярных ионов. Явление электрострикциизаключается в деформации данного тела в электрическом поле. Вследствие явления электрострикции внутри диэлектрика возникают механические силы. Хотя явления электрострикции и наблюдаются у многих диэлектриков, но у большинства кристаллов они слабо выражены. У некоторых кристаллов, например у сегнетовой соли и титаната бария, явление электрострикции протекает весьма интенсивно.

III. - Практическая часть.

Создание ультразвуковых фонтанчиков.

Для получения ультразвука в работе использовались 2 разные ультразвуковые установки: 1) школьная ультразвуковая установка УД-1 и 2) Установка ультразвуковая демонстрационная УД-6.

Для получения фонтана взяли линзовый стакан и разместили сверху излучателя так, чтобы между дном стакана и пьезоэлементом не образовались воздушные пузырьки, сильно мешающие опытам. Для этого стакан ставили путем передвижения дном по крышке излучателя до попадания стакана в уступ излучателя. Установив линзовый стакан правильно, начали проводить наблюдения.Налили в линзовый стакан обычной питьевой воды.

Примерно через минуту после подачи генератору питания от сети наблюдали ультразвуковой фонтан (приложение 1, рис. 1), который настраивается ручкой подстройки частоты и регулировочными винтами. Вращая ручку подстройки частоты, получили фонтан такой высоты, что вода начала выбрызгиваться за край стакана (приложение 1, рис. 3, 12). Снова отверткой повернулиподстроечный конденсатор, уменьшили фонтан и продолжали регулировку винтом до нового максимума фонтана (максимальная высота фонтана 13-15см).Одновременно с возникновением фонтана появлялся водяной туман, являющийся результатом кавитационного явления (приложение 1, рис. 2).

Понижение фонтана с разбрызгиванием жидкости объясняется уходом плоскости уровня жидкости в сосуде от фокуса ультразвуковой линзы, вследствие понижения уровня. Для длительного наблюдения фонтана поместили последний в стеклянную трубку, по внутренней стенке которой фонтанирующая жидкость стекает, поэтому ее уровень в сосуде не изменяется. Для этого взяли трубку высотой 50 см с диаметром не более внутреннего диаметра линзового стакана (d=3см). При применении стеклянной трубки в линзовый стакан налили жидкость на 5 мм ниже верхнего края стакана для сохранения уровня жидкости, вследствие разбрызгивания ее на внутреннюю стенку трубки (приложение 1,рис. 4, 5, 6).

Наблюдение свойств ультразвука .

Для того чтобы получить отражение волн, в кювету с глицерином и сверху налитой водой внесли плоскую металлическую пластину и расположили ее под углом 45 0 к поверхности воды. Включили генератор и добивались образования стоячих волн (приложение 1,рис. 10), которые получаются в результате отражения волн от внесенной пластинки и стенки кюветы. В этом опыте одновременно наблюдали и интерференцию волн (приложение 1,рис. 8, 9). Провели точно такой же опыт, но вниз налили крепкий раствор марганцовокислого калия с водой (приложение 1,рис. 11), затем глицерин и сверху воду. В этом опыте добились еще и преломления волн: при переходе ультразвуковых волн через границу раздела двух жидкостей наблюдали изменение длины стоячей волны, в глицерине ее волна получается больше, чем в воде и растворенном в ней марганце, что объясняется различием скорости распространения ультразвука в указанных жидкостях.Также получили явление коагуляции частиц: в кювету с чистой водой добавили крахмал, тщательно перемешали; после включения генератора увидели, как частицы собираются в узлах стоячих волн и после выключения генератора падают вниз, очищая воду.Таким образом, в данных опытах пронаблюдали отражение, преломление, интерференцию ультразвука и коагуляцию частиц.

Наблюдение зависимости высоты фонтанчика от размера молекулы растворенного вещества и вида раствора.

Провелипроверку выдвинутой гипотезы о зависимости высоты ультразвукового фонтанчика от плотности жидкости (концентрации раствора) и размера молекулы. Для этого плотность изменяли путем растворения в ней веществ с разным размером молекулы (крахмал, сахар, яичный белок).

Для того чтобы узнать, как высота фонтанчика зависит от плотности раствора и размера молекулы растворенного вещества, провели следующие опыты. При постоянных частоте, напряжении и объеме жидкости (25мл) облучала ультразвуком воду, с растворенными в ней крахмалом, сахаром, яичным белком. Для каждого вещества проводила 4 опыта, при каждом последующем уменьшала концентрацию веществ в 2 раза, т. е. во втором опыте концентрация ниже в 2 раза, в третьем опыте - ниже в 4 раза, в четвертом - ниже в 8 раз. Все наблюдения записала и оформила в таблицу, приведенную выше. Также в приложении приводится диаграмма, в которой наглядно видно, как уменьшается концентрация веществ (приложение 2, диаграмма 1).

Таким образом, получила зависимость высоты фонтанчика от концентрации веществ (приложение 2, диаграмма 2), причем в опытах с яичным белком и крахмалом высота фонтанчика увеличилась, а в опытах с сахаром она уменьшилась.

Это объясняется тем, что молекулы крахмала и белка - это биологические полимеры (ВМС - высокомолекулярные соединения). При растворении в воде они образуют коллоидные растворы (диаметр коллоидной частицы - 1-100 нм) с высокой вязкостью. Из-за наличия большого количества гидроксогрупп (-ОН), в молекулах таких веществ (между молекулами воды и крахмала, воды и белка) образуются водородные связи, что способствует более равномерному распределению частиц в растворе, что отрицательно отражается на передаче волн.

Сахар - димер (С 12 Н 22 О 11)n, его растворение приводит к образованию истинного раствора (размеры частиц растворенного вещества сравнимы с размерами молекул растворителя), невязкого, с высокой проникающей способностью, такая структура раствора способствует более сильной передаче энергии волны.

Таким образом, для вязких жидкостей с увеличением концентрации раствора высота ультразвукового фонтанчика уменьшается, а для невязких жидкостей с увеличением концентрации раствора высота ультразвукового фонтанчика увеличивается.

IV. -Технические применения ультразвука.

Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:

получение информации о веществе;

воздействие на вещество;

обработка и передача сигналов.

Зависимость скорости распространения и затухания акустических волн от свойств вещества и процессов, в них происходящих, используется в следующих исследованиях:

изучение молекулярных процессов в газах, жидкостях и полимерах;

изучение строения кристаллов и других твёрдых тел;

контроль протекания химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и др.;

определение концентрации растворов;

определение прочностных характеристик и состава материалов;

определение наличия примесей;

определение скорости течения жидкости и газа.

Информацию о молекулярной структуре вещества даёт измерение скорости и коэффициента поглощения звука в нём. Это позволяет измерять концентрацию растворов и взвесей в пульпах и жидкостях, контролировать ход экстрагирования, полимеризации, старения, кинетику химических реакций. Точность определения состава веществ и наличия примесей ультразвуком очень высока и составляет доли процента.

Измерение скорости звука в твёрдых телах позволяет определять упругие и прочностные характеристики конструкционных материалов. Такой косвенный метод определения прочности удобен простотой и возможностью использования в реальных условиях.

Ультразвуковые газоанализаторы осуществляют слежение за процессами накопления опасных примесей. Зависимость скорости УЗ от температуры используется для бесконтактной термометрии газов и жидкостей.

На измерении скорости звука в движущихся жидкостях и газах, в том числе неоднородных (эмульсии, суспензии, пульпы), основаны ультразвуковые расходомеры, работающие на эффекте К. Допплера. Аналогичная аппаратура используется для определения скорости и расхода потока крови в клинических исследованиях.

Большая группа методов измерения основана на отражении и рассеянии волн ультразвука на границах между средами. Эти методы позволяют точно определять местонахождение инородных для среды тел и используются в таких сферах как:

гидролокация;

неразрушающий контроль и дефектоскопия;

медицинская диагностика;

определения уровней жидкостей и сыпучих тел в закрытых ёмкостях;

определения размеров изделий;

визуализация звуковых полей — звуковидение и акустическая голография.

Отражение, преломление и возможность фокусировки ультразвука используется в ультразвуковой дефектоскопии, в ультразвуковых акустических микроскопах, в медицинской диагностике, для изучения макронеоднородностей вещества. Наличие неоднородностей и их координаты определяются по отражённым сигналам или по структуре тени.

Методы измерения, основанные на зависимости параметров резонансной колебательной системы от свойств нагружающей его среды (импеданс), применяются для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкостей, для измерения толщины деталей, доступ к которым возможен только с одной стороны. Этот же принцип лежит в основе УЗ твердомеров, уровнемеров, сигнализаторов уровня. Преимущества УЗ методов контроля: малое время измерений, возможность контроля взрывоопасных, агрессивных и токсичных сред, отсутствие воздействия инструмента на контролируемую среду и процессы.

V. - Заключение:

В процессе выполнения исследовательской работы я теоретически рассмотрела причины образования ультразвука; изучила современные применения ультразвука в технике:ультразвук позволяет узнать молекулярную структуру вещества,определять упругие и прочностные характеристики конструкционных материалов,осуществлять слежение за процессами накопления опасных примесей; используется в ультразвуковой дефектоскопии, в ультразвуковых акустических микроскопах, в медицинской диагностике, для изучения макронеоднородностей вещества,для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкостей, для измерения толщины деталей, доступ к которым возможен только с одной стороны. Экспериментально получила ультразвуковой фонтанчик: установила, что максимальная высота фонтанчика 13-15 см, (зависит от уровня воды в стакане, частоты ультразвука, концентрации раствора, вязкости раствора). Экспериментально исследовала свойства ультразвуковых волн в воде: определила, что свойства ультразвуковой волны такие же, как и у звуковой волны, но все процессы, благодаря высокой частоте ультразвука, происходят с большим проникновением в глубину вещества.

Проведённые эксперименты доказали, что ультразвуковой фонтанчик можно использовать для исследования свойств растворов, таких как концентрация, плотность, прозрачность, величина растворённых частиц. Данный метод исследования отличается быстротой и простотой выполнения, точностью исследования, возможностью легко сравнивать различные растворы. Подобные исследования актуальны при осуществлении экологических мониторингов. Например, при изучении состава хвостохранилища горных разработок в г. Оленегорске на различной глубине или для мониторинга воды на очистных сооружениях.

Таким образом, я подтвердила свою гипотезу, что ультразвуковые волны обладают теми же свойствами, что и звуковые волны (отражение, преломление, интерференция), но за счет большей проникающей способности в веществе ультразвук имеет больше возможностей применения в технике. Гипотеза о зависимости высоты ультразвукового фонтанчика от плотности жидкости подтвердилась частично: при изменении концентрации растворенного вещества изменяется плотность и изменяется высота фонтанчика, но передача энергии ультразвуковой волны зависит в большей степени от вязкости раствора, поэтому для разных жидкостей (вязкие и невязкие) зависимость высоты фонтанчика от концентрации оказалась различной.

VI. - Библиографический список:

Мясников Л.Л. Неслышимый звук. Ленинград «Судостроение», 1967. 140 с.

Паспорт Установка ультразвуковая демонстрационная УД-76 3.836.000 ПС

Хорбенко И.Г. Звук, ультразвук, инфразвук. М., «Знание», 1978. 160 с. (Наука и прогресс)

Приложение 1

Приложение 2

Диаграмма 1