Kas yra ultragarsas ir kaip jis naudojamas pramonėje?
Ultragarsu vadinamos elastinės bangos (bangos, sklindančios skystoje, kietoje ir dujinėje terpėje dėl tamprumo jėgų veikimo), kurių dažnis yra už žmogui girdimo diapazono – nuo maždaug 20 kHz ir daugiau.
Iš pradžių ultragarsiniai ir girdimi garsai buvo skiriami tik pagal suvokimą ar nesuvokimą žmogaus ausimi. Įvairių žmonių klausos slenkstis svyruoja nuo 7 iki 25 kHz, nustatyta, kad žmogus 30 - 40 kHz dažnio ultragarsą suvokia per kaulų laidumo mechanizmą. Todėl paprastai pripažįstama apatinė ultragarso dažnio riba.
Viršutinė ultragarso dažnio riba tęsiasi iki 1013 — 1014 Hz dažnių, t.y. iki dažnių, kai bangos ilgis tampa panašus į tarpmolekulinius atstumus kietose ir skysčiuose. Dujose ši riba yra žemiau ir ją lemia laisvas molekulės kelias.
Naudingos ultragarso bangų funkcijos
Ir nors fiziškai ultragarsas turi tokią pat prigimtį kaip ir girdimas garsas, skiriasi tik sąlyginai (didesnis dažnis), būtent dėl aukštesnio dažnio ultragarsas pritaikomas keliomis naudingomis kryptimis.
Taigi, matuojant ultragarso greitį kietoje, skystoje ar dujinėje medžiagoje, gaunamos labai nedidelės paklaidos stebint greitus procesus, nustatant savitąją šilumą (dujas), matuojant kietųjų medžiagų tamprumo konstantas.
Aukštas dažnis esant mažoms amplitudėms leidžia pasiekti didesnį energijos srautų tankį, nes tampriosios bangos energija yra proporcinga jos dažnio kvadratui. Be to, ultragarso bangos, naudojamos teisingai, gali sukelti daugybę labai ypatingų akustinių efektų ir reiškinių.
Vienas iš šių neįprastų reiškinių – akustinė kavitacija, atsirandanti, kai į skystį nukreipiama galinga ultragarso banga. Skystyje, ultragarso veikimo srityje, maži garų ar dujų burbuliukai (submikroskopinio dydžio) pradeda augti iki milimetro skersmens dalių, pulsuojančių bangos dažniu ir žlunga teigiamo slėgio fazėje.
Griūvantis burbulas lokaliai sukuria aukšto slėgio impulsą, išmatuotą tūkstančiais atmosferų, tapdamas sferinių smūginių bangų šaltiniu. Prie tokių pulsuojančių burbuliukų susidarę akustiniai mikrosrautai buvo naudingi ruošiant emulsijas, valant dalis ir pan.
Fokusuojant ultragarsą, garso vaizdai gaunami akustinėse holografijos ir garso matymo sistemose, o garso energija koncentruojama į kryptingą pluoštą su apibrėžtomis ir kontroliuojamomis kryptingumo charakteristikomis.
Naudojant ultragarso bangą kaip šviesos difrakcijos gardelę, galima įvairiems tikslams keisti šviesos lūžio rodiklius, nes ultragarso bangoje, kaip ir elastinėje bangoje, tankis paprastai keičiasi periodiškai.
Galiausiai, charakteristikos, susijusios su ultragarso sklidimo greičiu. Neorganinėse terpėse ultragarsas sklinda greičiu, kuris priklauso nuo terpės elastingumo ir tankio.
Kalbant apie organines terpes, čia greitį įtakoja ribos ir jų pobūdis, tai yra fazės greitis priklauso nuo dažnio (dispersijos) Ultragarsas slūgsta bangos fronto atstumu nuo šaltinio — frontas išsiskiria, ultragarsas. yra išsklaidytas, absorbuojamas.
Vidinė terpės trintis (šlyties klampumas) lemia klasikinę ultragarso sugertį, be to, ultragarso relaksacinė absorbcija yra pranašesnė už klasikinę. Dujose ultragarsas susilpnėja stipriau, kietose medžiagose, o skysčiuose – daug silpniau. Pavyzdžiui, vandenyje jis skyla 1000 kartų lėčiau nei ore. Taigi pramoninis ultragarso pritaikymas beveik visiškai susijęs su kietosiomis medžiagomis ir skysčiais.
Ultragarso naudojimas
Ultragarso naudojimas vystosi šiomis kryptimis:
- ultragarso technologija, leidžianti sukurti negrįžtamą poveikį tam tikrai medžiagai ir fizikinių bei cheminių procesų eigai ultragarsu, kurio intensyvumas yra nuo W / cm2 iki šimtų tūkstančių W / cm2;
- ultragarso valdymas, pagrįstas ultragarso sugerties ir greičio priklausomybe nuo terpės, kuria jis sklinda, būklės;
- ultragarso vietos nustatymo metodai, signalo delsos linijos, medicininė diagnostika ir kt., remiantis aukštesnio dažnio ultragarso virpesių galimybe sklisti tiesiniais pluoštais (spinduliais), vadovaujasi geometrinės akustikos dėsniais ir tuo pačiu sklinda gana mažu greičiu.
Ultragarsas vaidina ypatingą vaidmenį tiriant medžiagos struktūrą ir savybes, nes jų pagalba gana nesunku nustatyti pačias įvairiausias materialinės aplinkos charakteristikas, tokias kaip tamprumo ir klampumo konstantos, termodinaminės charakteristikos, Fermi paviršių formos, išnirimai, kristalinės gardelės trūkumai ir kt. Atitinkama ultragarso tyrimo šaka vadinama molekuline akustika.
Ultragarsas echolokacijoje ir sonare (maisto, gynybos, kasybos)
Pirmąjį sonaro prototipą, siekdamas užkirsti kelią laivų susidūrimams su ledo luitais ir ledkalniais, sukūrė rusų inžinierius Šilovskis kartu su prancūzų fiziku Langevinu 1912 m.
Prietaisas naudoja garso bangų atspindžio ir priėmimo principą. Signalas buvo nukreiptas į tam tikrą tašką, o atsako signalo (aido) uždelsimu, žinant garso greitį, buvo galima įvertinti atstumą iki garsą atspindinčios kliūties.
Shilovsky ir Langevin pradėjo nuodugnų hidroakustikos tyrimą ir netrukus sukūrė įrenginį, galintį aptikti priešo povandeninius laivus Viduržemio jūroje iki 2 kilometrų atstumu. Visi šiuolaikiniai sonarai, įskaitant karinius, yra šio įrenginio palikuonys.
Šiuolaikiniai echolotai, skirti tirti dugno reljefą, susideda iš keturių blokų: siųstuvo, imtuvo, keitiklio ir ekrano.Siųstuvo funkcija – gilyn į vandenį siųsti ultragarsinius impulsus (50 kHz, 192 kHz arba 200 kHz), kurie sklinda vandeniu 1,5 km/s greičiu, kur juos atspindi žuvys, akmenys, kiti objektai. o žemiau, šiam aidui pasiekus imtuvą, apdorojamas keitiklis ir rezultatas rodomas ekrane vizualiniam suvokimui patogia forma.
Ultragarsas elektronikos ir elektros pramonėje
Daugelis šiuolaikinės fizikos sričių neapsieina be ultragarso. Kietųjų kūnų ir puslaidininkių fizika, taip pat akustoelektronika daugeliu atžvilgių yra glaudžiai susijusi su ultragarso tyrimo metodais – jų poveikis 20 kHz ir didesniu dažniu. Ypatingą vietą čia užima akustoelektronika, kur ultragarso bangos sąveikauja su elektriniais laukais ir elektronais kietųjų kūnų viduje.
Tūrinės ultragarso bangos naudojamos vėlinimo linijose ir kvarciniuose rezonatoriuose dažniui stabilizuoti šiuolaikinėse elektroninėse informacijos apdorojimo ir perdavimo sistemose Paviršinės akustinės bangos užima ypatingą vietą juostos filtruose, skirtuose televizijai, dažnių sintezatoriuose, akustinėms bangoms perduoti skirtuose įrenginiuose, atminties ir vaizdo skaitymo įrenginiuose. Galiausiai, koreliatoriai ir konvolveriai savo veikloje naudoja skersinį akustoelektrinį efektą.
Radioelektronika ir ultragarsas
Ultragarsinės vėlinimo linijos yra naudingos atidėti vieną elektrinį signalą, palyginti su kitu.Elektrinis impulsas ultragarso dažniu paverčiamas impulsine mechanine vibracija, kuri sklinda daug kartų lėčiau nei elektromagnetinis impulsas; tada mechaninė vibracija vėl paverčiama elektriniu impulsu ir sukuriamas signalas, uždelstas, palyginti su pradine įvestimi.
Tokiam konvertavimui dažniausiai naudojami pjezoelektriniai arba magnetostrikciniai keitikliai, todėl vėlinimo linijos dar vadinamos pjezoelektrinėmis arba magnetostrikcinėmis.
Pjezoelektrinėje vėlinimo linijoje elektrinis signalas perduodamas kvarcinei plokštei (pjezoelektriniam keitikliui), standžiai sujungtai su metaliniu strypu.
Antrasis pjezoelektrinis keitiklis yra prijungtas prie kito strypo galo. Įvesties keitiklis priima signalą, sukuria mechaninius virpesius, kurie sklinda išilgai strypo, o kai virpesiai per strypą pasiekia antrąjį keitiklį, vėl sukuriamas elektrinis signalas.
Virpesių sklidimo išilgai strypo greitis yra daug mažesnis nei elektrinio signalo, todėl signalas, einantis per strypą, vėluoja įėjimo atžvilgiu dydžiu, susijusiu su elektromagnetinių ir ultragarsinių virpesių greičių skirtumu.
Magnetostrikcinėje vėlinimo linijoje bus įvesties keitiklis, magnetai, garso laidas, išvesties keitiklis ir sugėrikliai. Įvesties signalas nukreipiamas į pirmąją ritę, iš magnetostrikcinės medžiagos pagaminto strypo akustiniame laidininke prasideda ultragarso dažnio svyravimai - mechaniniai virpesiai - magnetas sukuria čia nuolatinį įmagnetinimą transformacijos zonoje ir pradinę magnetinę indukciją.
Strype vibracijos sklinda 5000 m/s greičiu, pavyzdžiui, 40 cm ilgio strypo delsa bus 80 μs. Abiejuose strypo galuose esantys slopintuvai apsaugo nuo nepageidaujamų signalų atspindžių. Magnetostrikciniai trikdžiai sukels antrosios apvijos (išėjimo keitiklio) EMF indukcijos pasikeitimą.
Ultragarsas gamybos pramonėje (pjovimas ir suvirinimas)
Abrazyvinė medžiaga (kvarcinis smėlis, deimantas, akmuo ir kt.) dedama tarp ultragarso šaltinio ir ruošinio. Ultragarsas veikia abrazyvines daleles, kurios savo ruožtu paveikia dalį ultragarso dažniu. Ruošinio medžiaga, veikiama daugybei mažų smūgių iš abrazyvinių grūdelių, sunaikinama - taip apdorojamas.
Pjovimas pridedamas su padavimo judesiu, o išilginiai pjovimo svyravimai yra pagrindiniai. Ultragarsinio apdorojimo tikslumas priklauso nuo abrazyvo grūdelių dydžio ir siekia 1 mikroną. Tokiu būdu atliekami kompleksiniai pjūviai, reikalingi metalinių detalių gamyboje, šlifuojant, graviruojant ir gręžiant.
Jei reikia suvirinti skirtingus metalus (ar net polimerus) arba storą detalę sujungti su plona plokšte, vėl gelbsti ultragarsas. Tai yra vadinamasis šaltas ultragarsinis suvirinimas… Ultragarso veikiamas suvirinimo zonoje metalas tampa labai plastiškas, detalės gali labai lengvai suktis jungiant bet kokiu kampu. Ir verta išjungti echoskopą – dalys tuoj susijungs, pagaus.
Ypač pažymėtina, kad suvirinimas atliekamas žemesnėje nei dalių lydymosi temperatūra, o jų sujungimas iš tikrųjų vyksta kietoje būsenoje, tačiau tokiu būdu suvirinami plienai, titanas ir net molibdenas. Plonus lakštus lengviausia suvirinti. Šis suvirinimo būdas nereiškia specialaus dalių paviršiaus paruošimo, tai taip pat taikoma metalams ir polimerams.
Ultragarsinis bandymas naudojamas plokščio tipo metalo defektams suvirinimo metu nustatyti (įtrūkimai, prasiskverbimo trūkumas, sukibimo trūkumas). Šis metodas yra labai efektyvus smulkiagrūdžiui plienui.
Ultragarsas metalurgijoje (ultragarsinis defektų nustatymas)
Ultragarsinis defektų nustatymas – defektų aptikimas, pagrįstas elastingų, daugiausia ultragarsinių virpesių sklidimo sąlygų keitimu.
Ultragarsinis defektų nustatymas yra vienas iš efektyviausių metalinių dalių neardomosios kokybės kontrolės metodų.
Homogeninėje terpėje ultragarsas sklinda kryptimi be greito slopinimo, o terpės ribose jam būdingas atspindys. Taigi tikrinamos metalinės dalys, ar jų viduje nėra tuštumų ir įtrūkimų (oro ir metalo sąsaja) ir nustatomas padidėjęs metalo nuovargis.
Ultragarsas gali prasiskverbti į detalę 10 metrų gylyje, o aptiktų defektų dydis siekia 5 mm. Yra: šešėlis, pulsas, rezonansas, struktūrinė analizė, vizualizacija, — penki ultragarsinių defektų nustatymo metodai.
Paprasčiausias metodas yra ultragarso šešėlių defektų aptikimas, šis metodas pagrįstas ultragarso bangos slopinimu, kai ji susiduria su defektu eidama per detalę, nes defektas sukuria ultragarsinį šešėlį.Veikia du keitikliai: pirmasis skleidžia bangą, antrasis ją priima.
Šis metodas yra nejautrus, defektas nustatomas tik tada, kai jo įtaka signalą pakeičia ne mažiau kaip 15%, be to, neįmanoma nustatyti, kokio gylio detalėje yra defektas. Tikslesni rezultatai gaunami impulsiniu ultragarsiniu metodu, parodo ir gylį.
Skleisti ir priimti elastines vibracijas pjezoelektriniai keitikliai, ir garso ir žemų ultragarso dažnių diapazone - magnetostrikciniai keitikliai.
Šie metodai naudojami elastinėms vibracijoms perduoti iš keitiklio į valdomą gaminį ir atvirkščiai:
- bekontaktis;
- sausas kontaktas (daugiausia žemiems dažniams);
- sąlytis su tepalu (prieš bandymą ant švariai apdoroto gaminio paviršiaus užtepamas daug mažesnio nei elastinės bangos storio aliejaus arba vandens sluoksnis);
- reaktyvinis kontaktas (per skysčio srovę, tekančią nedideliu tarpu tarp pjezoelektrinio elemento ir gaminio paviršiaus);
- panardinimas (kontroliuojamas produktas panardinamas į vonią ir kontaktas vyksta per skysčio sluoksnį, kurio storis turi būti ne mažesnis kaip 1/4 gaminio storio).
Panardinamųjų, rašalinių ir nekontaktinių metodų privalumas – paieškos galvučių nesusidėvėjimas ir galimybė naudoti didesnį nuskaitymo greitį, taip pat valdymo automatizavimo galimybė.
Taip pat žiūrėkite:
Ultragarsinio detalių valymo įrenginiai
Ultragarsiniai jutikliai automatizavimo sistemoms
Jutikliai ir matavimo prietaisai medžiagų sudėčiai ir savybėms nustatyti