Применение ультразвука в промышленности и требования к защите от ультразвука.
Современный человек непрерывно находится под воздействием физических факторов: дома, на работе, в транспорте, на улице. Физические факторы также широко представлены в производственной среде, они же являются одной из основных причин вредных условий труда, почти половины случаев всех профессиональных заболеваний, а также многочисленных обращений населения
Одним из важных физических факторов, влияющим на здоровье работающего человека, является ультразвук.
В определенных условиях и в зависимости от их интенсивности или уровней ультразвук может наносить вред здоровью и работоспособности человека.
В науке о физической природе звука акустике под звуком понимают механические колебания в сплошной упруго-инерционной среде. В соответствии с определением звуковые колебания охватывают диапазон частот теоретически от нуля до бесконечности.
В зависимости от частоты колебаний совершенно условно звуковые колебания подразделяются на инфразвуковые, акустические, ультразвуковые.
Ультразвук – это упругие колебания и волны с частотой выше 20 кГц, неслышимые человеческим ухом. В настоящее время удаётся получать ультразвуковые колебания с частотой до 10 ГГц.
Ультразвуковые волны способны вызывать разнонаправленные биологические эффекты, характер которых определяется интенсивностью ультразвуковых колебаний, частотой, временными параметрами колебаний, длительностью воздействия, чувствительностью тканей
При систематическом воздействии интенсивного низкочастотного ультразвука с уровнями, превышающими предельно допустимые, у работающих могут наблюдаться функциональные изменения центральной и периферической нервной системы, сердечно-сосудистой, эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов.
К техногенным источникам ультразвука относятся все виды ультразвукового технологического оборудования, ультразвуковые приборы и аппаратура промышленного, медицинского и бытового назначения, которые генерируют ультразвуковые колебания в диапазоне частот от 18 кГц до 100 МГц и выше.
В соответствии с гигиенической классификацией ультразвук подразделяется на воздушный и контактный.
Воздушный – ультразвук, который воздействует на человека через воздушную среду.
Контактный — ультразвук, который действует на человека при соприкосновении рук или других частей тела человека с источником ультразвука, обрабатываемыми деталями, приспособлениями для их удержания, жидкостями, в которых распространяются ультразвуковые колебания, измерительными головками медицинских диагностических приборов и дефектоскопов промышленного назначения, излучателями физиотерапевтической и хирургической ультразвуковой аппаратуры и так далее.
При воздействии на работающих ультразвука с уровнями, превышающими нормативные, для предупреждения неблагоприятных эффектов должны применяться режимы труда, отдыха и другие меры защиты.
При проведении предварительных медицинских осмотров следует учитывать противопоказания для работы в ультразвуковых профессиях к числу которых, наряду с общими медицинскими противопоказаниями к допуску на работу в контакте с вредными, опасными веществами и производственными факторами, отнесены фонические заболевания периферической нервной системы, облитерирующие заболевания артерий и периферический ангиоспазм. Помимо предварительных медицинских осмотров, комплекс лечебно-профилактических мер по ограничению и предупреждению неблагоприятного воздействия ультразвука, включает проведение диспансеризации работающих, периодические медицинские осмотры, физиопрофилактические процедуры (тепловые воздушные процедуры с микромассажем рук и тепловые гидропроцедуры для рук, массаж верхних конечностей и др.)
Важное место в системе мер по ограничению неблагоприятного воздействия на работающих ультразвуковых колебаний, распространяющихся воздушным и контактным способом, отводится средствам индивидуальной защиты. Для защиты рук от воздействия ультразвука при контактной передаче операторы используют в настоящее время рукавицы или перчатки, что касается средств индивидуальной защиты органа слуха от воздействия шума и воздушного ультразвука, то в этом случае надлежит применять противошумы – вкладыши, наушники.
Для чего нужен ультразвук
Ключевые слова: УЛЬТРАЗВУК; КОЛЕБАНИЕ; ВОЛНЫ; ГЕНЕРАЦИЯ; КОЭФФИЦИЕНТ ПОГЛОЩЕНИЯ; ULTRASOUND; OSCILLATION; WAVES; GENERATION; ABSORPTION COEFFICIENT.
Аннотация: В данной работе рассматриваются физические основы возникновения ультразвуковых волн и их воздействие на биологические ткани, а также возможности использования ультразвуковых колебаний.
Воздух, морские глубины и недра земли полны звуков, расположенных ниже или выше этого диапазона, которые являются инфракрасным звуком и ультразвуком. В природе ультразвук существует как компонент многочисленных природных шумов: ветра, водопада, дождя, морского щебня, накатываемого волнами моря, или во время грозы. Многие млекопитающие, например, кошки и собаки, способны воспринимать ультразвук с частотой до 100 кГц, в то время как способность определять местонахождение ночных летучих мышей, ночных насекомых и морских животных хорошо известна всем.
Ультразвуковые волны по своей сути такие же, как волны звукового диапазона, и подчиняются тем же естественным законам. Однако ультразвук обладает некоторыми специфическими особенностями, которые определили его широкое применение в науке и технике. Вот основные из них:
• Короткая длина волны. Для самого низкого ультразвукового диапазона в большинстве сред длина волны не превышает нескольких сантиметров. Короткая длина волны обеспечивает лучевое распространение ультразвуковых волн. Вблизи преобразователя ультразвук распространяется в виде пучков лучей, близких по размеру к преобразователю. Попадая на неоднородности в среде, ультразвуковой пучок ведет себя как световой пучок, подвергающийся отражению, преломлению и рассеянию, что позволяет формировать звуковые изображения в оптически непрозрачных средах с использованием чисто оптических эффектов (фокусировки, дифракции и т. д.).
• Короткий период колебаний. Это позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и выполнять точную временную селекцию распространяющихся сигналов в среде.
• Возможность получения высоких энергий колебаний при низкой амплитуде. Это позволяет формировать высокоэнергетические ультразвуковые пучки, поэтому не требует установки больших размеров.
• В ультразвуковом поле развиваются высокие акустические токи. Поэтому воздействие ультразвука на среду вызывает различные эффекты: физические, химические, биологические или медицинские, такие как кавитация, акустокапиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, антисептики, местное нагревание и многие другие.
• Ультразвук не слышен и не доставляет дискомфорта обслуживающему персоналу.
Ультразвуковые преобразователи можно разделить на две большие группы:
1) Колебания возникают из-за препятствий на пути потока газа или жидкости или из-за прекращения потока газа или жидкости. Они используются с ограничениями, главным образом для получения ультразвука в газе;
2) Механические колебания получаются путем преобразования колебаний тока или напряжения. В большинстве ультразвуковых устройств используются преобразователи этой группы, которые являются пьезоэлектрическими и магнитострикционными преобразователями.
Помимо преобразователей, основанных на пьезоэффекте, с помощью магнитострикционных преобразователей получается мощный ультразвуковой пучок. Магнитострикция – это изменение размеров тел с изменением их магнитного состояния. Сердечник из магнитострикционного материала, помещенный внутри подходящей обмотки, изменяет свою длину в зависимости от формы сигнала тока, проходящего через обмотку. В 1842 году это явление было открыто Джеймсом Джоулем и было обнаружено типичным для ферромагнитных материалов и ферритовых магнитов. Наиболее полезными магнитострикционными материалами являются сплавы на основе никеля, кобальта, железа и алюминия.
Зависимость скорости распространения и скорости затухания акустических волн от свойств веществ и происходящих в них процессов используется в следующих видах исследований:
• исследование молекулярных процессов в газах, жидкостях и полимерах;
• изучение структуры кристаллов и других твердых тел;
• контроль химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и т.д.;
• определение концентраций раствора;
• определение прочностных свойств и состава материалов;
• определение примесей;
• определение расхода жидкости и газа.
Информацию о молекулярной структуре вещества можно получить из измерений скорости звука и коэффициента поглощения в нем. Это позволяет измерять концентрации растворов и суспензий в пульпах и жидкостях, контролировать экстракцию, полимеризацию, кинетику химических реакций. Определение состава вещества и наличия примесей с помощью ультразвука отличается высокой точностью до процента переломов.
Измерение скорости звука в твердых телах позволяет определять упругие и прочностные параметры конструкционных материалов. Этот косвенный метод определения прочности подходит благодаря своей простоте и доступности на месте.
Ультразвуковые детекторы газа контролируют процессы накопления опасных примесей. Температурная зависимость скорости ультразвука используется для бесконтактных измерений температуры газа и жидкости.
Принцип работы ультразвуковых расходомеров с применением эффекта Доплера основан на измерении акустической скорости в проточных жидкостях и газах, в том числе гетерогенных (эмульсии, суспензии или пульпы). Аналогичные установки используются для определения скорости и расхода крови в клиниках.
Большая группа методов измерений основана на отражении и рассеянии ультразвуковых волн на поверхностях раздела. Эти методы позволяют точно определить местоположение инородных тел в среде и используются в следующих отраслях:
• гидролокация;
• медицинская диагностика;
• измерение уровня жидкостей и гранулированных материалов в закрытых объемах;
• определение размеров изделия;
• визуализация звукового поля — акустическая визуализация и звуковая голография.
Отражение, преломление и способность фокусировать ультразвук используются в ультразвуковом контроле, акустических микроскопах, медицинской диагностике, а также для изучения макро-гетерогенности веществ.
Методы измерения, основанные на зависимости параметров резонансной системы от свойств нагружающей ее среды (импеданса), применяются для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкостей, толщины деталей, доступных только с одной стороны. Тот же принцип лежит в основе ультразвуковых твердомеров, датчиков уровня и переключателей. Преимуществами ультразвуковых методов контроля являются: короткое время измерения, возможность контроля взрывоопасных, агрессивных и токсичных сред, а также отсутствие прямого воздействия инструмента на контролируемые среды и процессы.
Воздействие ультразвука на биологические объекты вызывает различные эффекты и реакции в тканях организма, что широко используется в ультразвуковой терапии и хирургии. Ультразвук играет роль катализатора, ускоряющего установление сбалансированного, с точки зрения физиологии, состояния организма, то есть здорового состояния. Ультразвук оказывает гораздо более сильное воздействие на нездоровые ткани, чем на здоровые. Также используется ультразвуковое распыление лекарственных средств для ингаляций. Ультразвуковая хирургия основана на следующих действиях: разрушение тканей непосредственно сфокусированным ультразвуком и нанесение ультразвуковых колебаний на режущий хирургический инструмент.
Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электронных сигналов, а также для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. Управление оптическими сигналами основано на дифракции света ультразвуком. Одним из видов такой дифракции является так называемая дифракция Брэгга, зависящая от длины волны ультразвука, которая обеспечивает отделение короткого диапазона частот от света широкого спектра, т. е. фильтрацию света.
Ультразвук-чрезвычайно интересное явление, и можно предположить, что многие из его практических способностей еще неизвестны людям.
Список литературы
- Агранат, Б.А. Основы физики и техники ультразвука / Б.А. Агранат. — М.: Медиа, 1987. — 257 c.
- Акопян, В. Б. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами / В.Б. Акопян, Ю.А. Ершов. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. — 298 c.
- Бергман, Л. Ультразвук / Л. Бергман. — М.: Издательство иностранной литературы, 1957. — 179 c.
XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2021
Внимание к акустике было вызвано потребностями военно-морского флота ведущих держав — Англии и Франции, поскольку акустика является единственным видом сигнала, который может распространяться далеко в воде. в 1826 году французский ученый Колладон определил скорость звука в воде. Эксперимент Колладона считается рождением современной гидроакустики.
Первый ультразвуковой генератор был изготовлен в 1883 году англичанином Гальтоном. Ультразвук создавался как пронзительный звук на кончике ножа, когда в него попадает струя воздуха. Роль такой точки в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух (или другой газ), выходящий под давлением через кольцевое сопло диаметром, равным краю цилиндра, пробегал по нему, и возникали высокочастотные колебания. Дуя в свисток водородом, можно было получить колебания до 170 кГц.
Гибель «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы с новым оружием — подводными лодками требовали быстрого развития ультразвуковых гидролокаторов [5]. В 1914 году французский физик Поль Ланжевен совместно с русским ученым Константином Шиловским впервые разработал гидролокатор, состоящий из ультразвукового излучателя и гидрофона — приемника ультразвуковых колебаний, основанного на пьезоэффекте.
Ультразвук — это упругие волны высокой частоты. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16 000 колебаний в секунду (16 кГц). Колебания с более высокой частотой является ультразвуком (за пределом слышимости). Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до нескольких миллиардов герц.
Хотя о существовании ультразвука известно уже давно, его практическое применение довольно молодо. В настоящее время ультразвук широко используется в различных сферах нашей жизни.
Ультразвук ведет себя по-разному в разных средах. В газах и, в частности, в воздухе он распространяется с затуханием. Жидкости и твердые тела (особенно монокристаллы) обычно являются хорошими проводниками ультразвука с гораздо меньшим затуханием. Например, в воде затухание ультразвука при прочих равных условиях примерно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Поэтому области применения ультразвука относятся почти исключительно к жидкостям и твердым телам.
Ультразвук применяется:
В военных целях
В обработке металлов
Применение ультразвука в природе
Летучие мыши, использующие при ночном ориентировании эхолокацию, испускают при этом ртом или имеющим форму параболического зеркала носовым отверстием сигналы чрезвычайно высокой интенсивности. На расстоянии 1 — 5 см от головы животного давление ультразвука достигает 60 мбар, то есть соответствует в слышимой нами частотной области давлению звука, создаваемого молотком. Эхо своих сигналов летучие мыши способны воспринимать при давлении всего 0,001 мбар, то есть в 10000 раз меньше, чем у испускаемых сигналов. При этом летучие мыши могут обходить при полете препятствия даже в том случае, когда на эхолокационные сигналы накладываются ультразвуковые помехи с давлением 20 мбар. Механизм этой высокой помехоустойчивости еще неизвестен. При локализации летучими мышами предметов, например, вертикально натянутых нитей с диаметром всего 0,005 — 0,008 мм на расстоянии 20 см (половина размаха крыльев), решающую роль играют сдвиг во времени и разница в интенсивности между испускаемым и отраженным сигналами [2].
Рис.1. Эхолокация летучей мыши
Диагностическое применение ультразвука в медицине
Благодаря хорошему распространению ультразвука в тканях человека, его относительной безвредности по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в сравнении с магнитно-резонансной томографией, ультразвук широко применяется для визуализации состояния внутренних органов человека, особенно в брюшной полости и полости таза.
Помимо широкого использования в диагностических целях, ультразвук применяется в медицине в качестве инструмента лечения.
Он обладает следующими эффектами:
противовоспалительным, рассасывающим действиями;
анальгезирующим, спазмолитическим действиями;
кавитационным усилением проницаемости кожи.
Принцип работы УЗИ-сканера
Частота ультразвука, необходимая для медицинской визуализации, находится в диапазоне 1-20 МГц. Эти колебания получены с помощью пьезоэлектрических материалов. Когда электрическое поле проходит через срезы, оно расширяется или сжимается. При отражении сигнал возвращается, вызывая переменное электрическое поле, которое заставляет кристалл вибрировать.
Для достижения пьезоэлектрического эффекта ультразвуковые сканеры используют специальные элементы из кварца, титана или бария. Их толщина подбирается таким образом, чтобы обеспечить лучший резонанс на границе двух сред звук передается или отражается, в зависимости от того, насколько различны ткани, имеющие общую границу. Чем больше разница, тем сильнее будет отражаться сигнал. Уровень сопротивления воздуха и воды различен, поэтому чтобы получить более контрастное изображение кожу пациента смазывают специальным гелем, в котором не могут образовываться воздушные пузырьки [3].
Полученный электрический сигнал усиливается и обрабатывается. Таким образом, регистрируется ультразвук, отраженный от препятствия. Обычно кристаллов бывает два — передающий и принимающий. Они оба встроены в генератор, который представляет собой устройство, преобразующее электрическую энергию.
Изображение передается на экран устройства в виде срезов, окрашенных в виде 64-теневой черно-белой шкалы (рис.2). Положительные области Эха темные, в то время как отрицательные области Эха белые. Когда изображение регистрируется обратно, оттенки могут измениться.
Рис.2. Принцип работы УЗИ
Ультразвук помогает врачам визуализировать структуры и органы брюшной полости. Также показывает направление иглы при определенных видах инъекционной терапии. Другие виды использования ультразвука включают в себя:
УЗИ плода для оценки состояния здоровья плода во время беременности
Сонометрия костей, для определения хрупкости костей
Биопсия под ультразвуковым контролем
Оценка желчного пузыря
Ультразвук может определить здоровье детского мозга, позвоночника, сердца и бедер
Офтальмологический УЗИ для визуализации глазных структур
УЗИ молочных желез, чтобы помочь оценить здоровье тканей молочной железы
Ультразвуковая допплерография для прослушивания сердцебиения плода
Ультразвуковая допплерография для оценки кровотока и других внутренних структур и органов
Эхокардиограмма для просмотра сердца и кровотока
Ультразвук также можно использовать для исследования внутренних органов, таких как мочевой пузырь, селезенка, печень, щитовидная железа, поджелудочная железа, почки и другие органы.
Применение ультразвука в военных целях
В 1912 году русский инженер К. В. Шиловский изобрел устройство для предотвращения столкновений судов с айсбергами и массивными льдинами. Работа прибора была основана на принципе подводной звуковой эхолокации. Эхолокация основана на отражении сигналов различных частот радиоволн, ультразвука и звука. Первые эхолокационные системы посылали сигнал в определенную точку пространства и определяли его расстояние по задержке отклика при известной скорости движения этого сигнала в данной среде и способности препятствия, до которого измеряется расстояние, отражать этот тип сигнала, то есть по приему отраженных от объекта эхо-сигналов.
Экспериментами К. В. Шиловского заинтересовалось французское военное ведомство. В Париже русский инженер начал обширные исследования в области гидроакустики. Вскоре к этим исследованиям присоединился французский физик Поль Ланжевен. Их творческое сотрудничество — ученого и инженера принесло свои плоды: в Средиземном море они испытали прибор, способный обнаружить подводную лодку на расстоянии двух километров. Это был первый в мире гидролокатор, прототип и основа всех последующих поколений гидролокаторов (эхолотов), включая даже самые современные. Поиск, атака, маневр — все действия подводных лодок и надводных кораблей теперь зависят от показаний гидроакустических приборов, от четкой и грамотной работы гидроакустиков. гидролокатор первым обнаруживает противника, по его данным командир корабля принимает решение.
Принцип работы эхолота
Эхолот состоит из четырех основных элементов: передатчика (излучателя), приемника (датчика), преобразователя (трандюсера) и экрана (дисплея).
Передатчик вырабатывает следующие через определенные интервалы времени высокочастотные импульсы. В современных эхолотах применяются частоты 50 и 200 кГц, иногда встречается частота 192 кГц. Излучаемые преобразователем звуковые сигналы распространяются в воде со скоростью около 1500 м/сек, и отражаются от дна, рыб, водорослей, камней и пр. предметов (рис.3). Достигшие до приемника эхо-сигналы возбуждают электрические импульсы, которые затем усиливаются в преобразователе и поступают в дисплей. Преобразованные результаты зондирования отображаются на экране прибора в удобной для восприятия графической или алфавитно-цифровой форме [1].
Рис. 3. Принцип работы эхолота
Применение ультразвука в физике
Ультразвук служит мощным методом исследования различных явлений во многих областях физики. Так, например, ультразвуковые методы применяются в физике твёрдого тела и физике полупроводников; возникла целая новая область физики — акустоэлектроника.
Акустоэлектроника — область науки и техники, изучающая и использующая взаимодействие высокочастотных (с частотой выше 20 кГц) акустических волн с электрическим полем и электронами в твёрдых телах.
В радиоэлектронных системах обработки и передачи информации объёмные акустические волны используются в линиях задержки и кварцевых резонаторах для стабилизации частоты. Разработаны и широко применяются приборы на поверхностных акустических волнах: полосовые фильтры, линии задержки, полосовые фильтры для телевидения, синтезаторы частоты, усилитель поверхностной акустической волны типа лампы бегущей волны, акусто-инжекционный транзистор, устройство с переносом заряда акустической волной, конвольверы и корреляторы, использующие поперечный акустоэлектрический эффект, устройство считывания изображений, устройства памяти.
Ультразвук в радиоэлектронике
В радиоэлектронике часто возникает необходимость задержать один электрический сигнал относительно другого. Удачное решение нашли ученые, предложив ультразвуковые линии задержки (ЛЗ). Действие их основано на преобразовании электрических импульсов в импульсы ультразвуковых механических колебаний, скорость распространения которых значительно меньше скорости распространения электромагнитных колебаний. После обратного преобразования механических колебаний в электрические импульс напряжения на выходе линии будет задержан относительно входного импульса.
Для преобразования электрических колебаний в механические и обратно используют магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи. Соответственно этому ЛЗ подразделяются на магнитострикционные и пьезоэлектрические.
Магнитострикционная ЛЗ состоит из входного и выходного преобразователей, магнитов, звукопровода и поглотителей.
Поглотители для уменьшения уровня паразитных отраженных сигналов располагаются на обоих концах звукопровода. Принцип действия магнитострикционной ЛЗ основан на изменении размеров ферромагнитных материалов под воздействием магнитного поля. Механическое возмущение, вызванное магнитным полем катушки входного преобразователя, передается по звукопроводу и, дойдя до катушки выходного преобразователя, наводит в ней электродвижущую силу.
Пьезоэлектрические ЛЗ устроены следующим образом. На пути электрического сигнала ставят пьезоэлектрический преобразователь (пластинку кварца), который жестко соединен с металлическим стержнем (звукопроводом). Ко второму концу стержня прикреплен второй пьезоэлектрический преобразователь. Сигнал, подойдя к входному преобразователю, вызывает механические колебания ультразвуковой частоты, которые затем распространяются в звукопроводе. Достигнув второго преобразователя, ультразвуковые колебания вновь преобразуются в электрические. Но так как скорость распространения ультразвука в звукопроводе значительно меньше скорости меньше скорости распространения электрического сигнала, сигнал, на пути которого был звукопровод, отстает от другого на величину, равную разности скорости распространения ультразвука и электромагнитных сигналов на определенном участке.
Механическая обработка материалов.
Если между рабочей поверхностью УЗ-вого инструмента и обрабатываемой деталью ввести абразивный материал, то при работе излучателя частицы абразива будут воздействовать на поверхность детали. Материал разрушается и удаляется при обработке под действием большого числа направленных микроударов (рис.4).
Рис.4. Ультразвуковая обработка материалов.
Кинематика ультразвуковой обработки складывается из главного движения – резания. Продольные колебания являются источником энергии абразивных зерен, которые и производят разрушение обрабатываемого материала. Вспомогательное движение – движение подачи – может быть продольным, поперечным и круговым. Ультразвуковая обработка обеспечивает большую точность – от 50 до 1 мк в зависимости от зернистости абразива. Применяя инструменты различной формы можно выполнять не только отверстия, но и сложные вырезы. Кроме того, можно вырезать криволинейные оси, изготавливать матрицы, шлифовать, гравировать и даже сверлить алмаз. Материалы, используемые в качестве абразива – алмаз, корунд, кремень, кварцевый песок.
Ускорение производственных процессов с помощью ультразвука
Ультразвуковая дефектоскопия – один из методов неразрушающего контроля (рис.5). Свойство УЗ распространяться в однородной среде направленно и без существенных затуханий, а на границе раздела двух сред (например, металл – воздух) почти полностью отражаться позволило применить УЗ-вые колебания для выявления дефектов (раковины, трещины, расслоения и т.п.) в металлических деталях без их разрушения.
Рис.5. Теневой метод ультразвуковой дефектоскопии
При помощи УЗ можно проверять детали больших размеров, так как глубина проникновения УЗ в металле достигает 8¸10 м. Кроме того, ультразвуком можно обнаружить очень мелкие дефекты (до 10-6мм). УЗ-вые дефектоскопы позволяют выявлять не только образовавшиеся дефекты, но и определять момент повышенной усталости металла.
Существует несколько методов ультразвуковой дефектоскопии, основными из которых являются теневой, импульсный, резонансный, метод структурного анализа, ультразвуковой визуализации.
Некоторые современные приборы [4,5], использующие ультразвук очень просты в использовании и необходимы в быту:
Ультразвуковое устройство для стирки УЛЬТРАТОН
Ультразвуковая стиральная машинка ЗОЛУШКА
Отпугиватель кротов Антикрот
Список литературы.
VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2015
Целью данной работы является изучение особенностей ультразвуковых волн, их применение, а так же ускорения производственных процессов с помощью ультразвука.
УЛЬТРАЗВУК— это упругие волны высокой частоты. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16 000 колебаний в секунду (Гц); колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости). Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до нескольких миллиардов герц[2].
Хотя о существовании ультразвука известно давно, его практическое использование достаточно молодо. В наше время ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах.
По своей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этом он не отличается от звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами поэтому условна; она определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует усреднённой верхней границе слышимого звука. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн ультразвук имеет ряд особенностей:
1) измерения скорости на ультразвуковых частотах позволяет с весьма малыми погрешностями определять, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоёмкости газов, упругие постоянные твёрдых тел[3].
2) возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть описаны лишь законами нелинейной акустики[1].
3) К числу важных явлений, возникающих при распространении интенсивного ультразвука в жидкостях, относится акустическая Кавитация — рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкостях до размеров в доли мм, которые начинают пульсировать с частотой У. и захлопываются в положительной фазе давления. При захлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысяч атмосфер, образуются сферические ударные волны. Возле пульсирующих пузырьков образуются акустические микропотоки. Явления в кавитационном поле приводят к ряду полезных (получение эмульсий, очистка загрязнённых деталей и др.) явлений[1].
4) 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[8].
5)Периодическое изменение показателя преломления световых волн, связанное с изменением плотности в УЗ-волне, вызывает дифракцию света на ультразвуке, наблюдаемую на частотах ультразвукавого диапазона. Ультразвуковую волну при этом можно рассматривать как дифракционную решетку[8].
Скорость распространения ультразвука
Скорость распространения ультразвуковых 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 ультразвуковых 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[8].
Применение ультразвука
В разных средах ультразвук ведет себя по-разному. В газах и, в частности, в воздухе распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Поэтому области использования ультразвука относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам[1].
- В природе
- В медицине
- В военных целях
- В физике
- В обработке металлов
1Применение ультразвук в природе
Летучие мыши, использующие при ночном ориентировании эхолокацию (Рис.1), испускают при этом ртом или имеющим форму параболического зеркала носовым отверстием сигналы чрезвычайно высокой интенсивности. На расстоянии 1 — 5 см от головы животного давление ультразвука достигает 60 мбар, то есть соответствует в слышимой нами частотной области давлению звука, создаваемого молотком. Эхо своих сигналов летучие мыши способны воспринимать при давлении всего 0,001 мбар, то есть в 10000 раз меньше, чем у испускаемых сигналов. При этом летучие мыши могут обходить при полете препятствия даже в том случае, когда на эхолокационные сигналы накладываются ультразвуковые помехи с давлением 20 мбар. Механизм этой высокой помехоустойчивости еще неизвестен. При локализации летучими мышами предметов, например, вертикально натянутых нитей с диаметром всего 0,005 — 0,008 мм на расстоянии 20см (половина размаха крыльев), решающую роль играют сдвиг во времени и разница в интенсивности между испускаемым и отраженным сигналами[3].
Рис.1 Эхолокация летучей мыши
2Диагностическое применение ультразвука в медицине
Благодаря хорошему распространению ультразвука в мягких тканях человека, его относительной безвредности по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в сравнении с магнитно-резонансной томографией, ультразвук широко применяется для визуализации состояния внутренних органов человека, особенно в брюшной полости и полости таза.
Помимо широкого использования в диагностических целях (см. Ультразвуковое исследование), ультразвук применяется в медицине (в том числе регенеративной) в качестве инструмента лечения[3].
Ультразвук обладает следующими эффектами:
- противовоспалительным, рассасывающим действиями;
- анальгезирующим, спазмолитическим действиями;
- кавитационным усилением проницаемости кожи.
Принцип работы УЗИ-сканера (Рис.2)
Частота ультразвука, необходимая для медицинской визуализации, находится в диапазоне 1 — 20 МГц. Эти колебания получают при использовании пьезоэлектрических материалов. Когда электрическое поле помещается через срезы, оно расширяется или сжимается. При отражении сигнал возвращается, вызывая переменное электрическое поле, которое заставляет кристалл вибрировать[6].
Для достижения пьезоэлектрического эффекта в УЗИ-сканерах используются специальные элементы из кварца, титана или бария. Их толщина подбирается таким образом, чтобы обеспечить лучшее резонирование. На границе двух сред происходит передача или отражение звука, это зависит от того, насколько различны ткани, имеющие общую границу. Чем больше разница, тем сильнее будет отражаться сигнал[6].
уровень сопротивления воздуха и воды различен, поэтому чтобы получить более контрастное изображение кожу пациента смазывают специальным гелем, в котором не могут образовываться воздушные пузырьки[6].
Полученный электрический сигнал усиливается и обрабатывается. Таким образом фиксируется ультразвук, отраженный от препятствия. Обычно кристаллов бывает два – передающий и приемный. Они оба встроены в генератор, представляющий собой устройство, преобразующее электрическую энергию[6].
Изображение передается на экран прибора в виде срезов, окрашенных в виде 64-оттеночной черно-белой шкалы. Эхопозитивные участки при этом имеют темный, а эхонегативные – белый цвет. При обратной регистрации изображении оттенки могут меняться[6].
Рис.2 Принцип работы узи
3Применение ультразвука в военных целях
В 1912 году русский инженер К. В. Шиловский изобрел прибор для предотвращения столкновений судов с айсбергами и массивными льдинами. Работа прибора основывалась на принципе подводной звуковой эхолокации. Эхолокация основана на отражении сигналов различной частоты радиоволн, ультразвука и звука. Первые эхолокационные системы направляли сигнал в определённую точку пространства и по задержке ответа определяли её удалённость при известной скорости перемещения данного сигнала в данной среде и способности препятствия, до которого измеряется расстояние, отражать данный вид сигнала, то есть приема отраженных от объекта эхо-сигналов.
Опытами К. В. Шиловского заинтересовалось французское военное ведомство. В Париже русский инженер приступил к широким исследованиям в области гидроакустики. Вскоре к этим исследованиям подключился французский физик Поль Ланжевен. Их творческое содружество — ученого и инженера — принесло свои плоды: в Средиземном море был испытан созданный ими прибор, способный обнаруживать подводную лодку на расстоянии двух километров. Это был первый в мире гидролокатор, прообраз и основа всех последующих поколений гидролокаторов(эхолотов), включая даже самые современные. Поиск, атака, маневр — все действия и подводных лодок и надводных кораблей зависят теперь от показаний гидроакустических приборов, от четкой и грамотной работы гидроакустиков. Гидроакустик первым обнаруживает противника, по его данным командир корабля принимает решение[4].
Принцип работы эхолотов
Эхолот состоит из четырех основных элементов: передатчика (излучателя), приемника (датчика), преобразователя (тран-дюсера) и экрана (дисплея).
Передатчик вырабатывает следующие через определенные интервалы времени высокочастотные импульсы. В современных эхолотах применяются частоты 50 и 200 кГц, иногда встречается частота 192 кГц. Излучаемые преобразователем звуковые сигналы распространяются в воде со скоростью около 1500 м/сек. и отражаются от дна, рыб, водорослей, камней и пр. предметов (Рис.3). Достигшие до приемника эхо-сигналы возбуждают в нем электрические импульсы, которые затем усиливаются в преобразователе и поступают в дисплей. Преобразованные результаты зондирования отображаются на экране прибора в удобной для восприятия графической или алфавитно-цифровой форме[7].
Рис. 3. Принцип работы эхолота
Дисплей отображает результаты ультразвукового зондирования и управляет работой прибора. Для этого на нем имеется жидкокристаллический монохромный или цветной экран и клавиатура[7].
4Применение ультразвука в физике
Ультразвук служит мощным методом исследования различных явлений во многих областях физики. Так, например, ультразвуковые методы применяются в физике твёрдого тела и физике полупроводников; возникла целая новая область физики — акусто-электроника.
Акусто-электроника — область науки и техники, изучающая и использующая взаимодействие высокочастотных (с частотой выше 20 кГц) акустических волн с электрическим полем и электронами в твёрдых телах[5,1].
В радиоэлектронных системах обработки и передачи информации объёмные акустические волны используются в линиях задержки и кварцевых резонаторах для стабилизации частоты. Разработаны и широко применяются приборы на поверхностных акустических волнах : полосовые фильтры, линии задержки, полосовые фильтры для телевидения, синтезаторы частоты, усилитель поверхностной акустической волны типа лампы бегущей волны, акусто-инжекционный транзистор, устройство с переносом заряда акустической волной, конвольверы и корреляторы, использующие поперечный акустоэлектрический эффект, устройство считывания изображений, устройства памяти[5,1].
Ультразвук в радиоэлектронике
В радиоэлектронике часто возникает необходимость задержать один электрический сигнал относительно другого. Удачное решение нашли ученые, предложив ультразвуковые линии задержки (ЛЗ). Действие их основано на преобразовании электрических импульсов в импульсы ультрозвуковых механических колебаний, скорость распространения которых значительно меньше скорости распространения электромагнитных колебаний. После обратного преобразования механических колебаний в электрические импульс напряжения на выходе линии будет задержан относительно входного импульса.
Для преобразования электрических колебаний в механические и обратно используют магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи. Соответственно этому ЛЗ подразделяются на магнитострикционные и пьезоэлектрические.
Магнитострикционная ЛЗ состоит из входного и выходного преобразователей, магнитов, звукопровода и поглотителей[8].
Входной преобразователь состоит из катушки, по которой протекает ток входного сигнала, участка звукопровода из магнитострикционного материала, в котором возникают механические колебания ультразвуковой частоты, и магнита, создающего постоянное подмагничивание зоны преобразования. Выходной преобразователь по устройству почти не отличается от входного. Звукопровод представляет собой стержень из магнитострикционного материала, в котором возбуждаются ультразвуковые колебания, распространяющиеся со скоростью примерно 5000 м/с. для задержки импульса, например, на 100 мкс длина звукопровода должна быть около 43 см. Магнит нужен для создания начальной магнитной индукции и подмагничивания зоны преобразования.
Поглотители для уменьшения уровня паразитных отраженных сигналов располагаются на обоих концах звукопровода.
Принцип действия магнитострикционной ЛЗ основан на изменении размеров ферромагнитных материалов под воздействием магнитного поля. Механическое возмущение, вызванное магнитным полем катушки входного преобразователя, передается по звокопроводу и, дойдя до катушки выходного преобразователя, наводит в ней электродвижущую силу.
Пьезоэлектрические ЛЗ устроены следующим образом. На пути электрического сигнала ставят пьезоэлектрический преобразователь (пластинку кварца), который жестко соединен с металлическим стержнем (звукопроводом). Ко второму концу стержня прикреплен второй пьезоэлектрический преобразователь. Сигнал, подойдя к входному преобразователю, вызывает механические колебания ультразвуковой частоты, которые затем распространяются в звукопроводе. Достигнув второго преобразователя, ультразвуковые колебания вновь преобразуются в электрические. Но так как скорость распространения ультразвука в звукопроводе значительно меньше скорости меньше скорости распространения электрического сигнала, сигнал, на пути которого был звукопровод, отстает от другого на величину, равную разности скорости распространения ультразвука и электромагнитных сигналов на определенном участке[8].
Механическая обработка сверхтвердых и хрупких материалов
Если между рабочей поверхностью УЗ-вого инструмента и обрабатываемой деталью ввести абразивный материал, то при работе излучателя частицы абразива будут воздействовать на поверхность детали. Материал разрушается и удаляется при обработке под действием большого числа направленных микроударов (рис.4).
Рис.4 Ультразвуковая обработка материалов.
1 – ультразвуковой инструмент;
2 – абразивные зерна;
3 – обрабатываемая деталь
Кинематика ультразвуковой обработки складывается из главного движения – резания, т.е. продольных колебаний инструмента, и вспомогательного движения – движения подачи. Продольные колебания являются источником энергии абразивных зерен, которые и производят разрушение обрабатываемого материала. Вспомогательное движение – движение подачи – может быть продольным, поперечным и круговым. Ультразвуковая обработка обеспечивает большую точность – от 50 до 1 мк в зависимости от зернистости абразива. Применяя инструменты различной формы можно выполнять не только отверстия, но и сложные вырезы. Кроме того, можно вырезать криволинейные оси, изготавливать матрицы, шлифовать, гравировать и даже сверлить алмаз. Материалы, используемые в качестве абразива – алмаз, корунд, кремень, кварцевый песок[8].
Ультразвуковая сварка
Из существующих методов ни один не подходит для сварки разнородных металлов или если к толстым деталям нужно приварить тонкие пластины. В этом случае УЗ-вая сварка незаменима. Ее иногда называют холодной, потому что детали соединяются в холодном состоянии. Окончательного представления о механизме образования соединений при ультрозвуковой сварке нет. В процессе сварки после ввода ультразвуковых колебаний между свариваемыми пластинами образуется слой высокопластичного металла, при этом пластины очень легко поворачиваются вокруг вертикальной оси на любой угол. Но как только ультразвуковое излучение прекращают, происходит мгновенное «схватывание» пластин.
Ультразвуковая сварка происходит при температуре значительно меньшей температуры плавления, поэтому соединение деталей происходит в твердом состоянии. С помощью УЗ можно сваривать многие металлы и сплавы (медь, молибден, тантал, титан, многие стали). Наилучшие результаты получаются при сварке тонколистовых разнородных металлов и приварке к толстым деталям тонких листов. При УЗ-вой сварке минимально изменяются свойства металла в зоне сварки. Требования к качеству подготовки поверхности значительно ниже, чем при других методах сварки. УЗ сварке хорошо поддаются и неметаллические материалы (пластмасса, полимеры)[3,8].
Ускорение производственных процессов с помощью ультразвука
Ультразвуковая дефектоскопия – один из методов неразрушающего контроля. Свойство УЗ распространяться в однородной среде направленно и без существенных затуханий, а на границе раздела двух сред (например, металл – воздух) почти полностью отражаться позволило применить УЗ-вые колебания для выявления дефектов (раковины, трещины, расслоения и т.п.) в металлических деталях без их разрушения[8].
Рис.5 Теневой метод ультразвуковой дефектоскопии.
При помощи УЗ можно проверять детали больших размеров, так как глубина проникновения УЗ в металле достигает 8¸10 м. Кроме того, ультразвуком можно обнаружить очень мелкие дефекты (до 10-6мм). УЗ-вые дефектоскопы позволяют выявлять не только образовавшиеся дефекты, но и определять момент повышенной усталости металла.
Существует несколько методов ультразвуковой дефектоскопии, основными из которых являются теневой, импульсный, резонансный, метод структурного анализа, ультразвуковой визуализации.
Теневой метод основан на ослаблении проходящих УЗ-вых волн при наличии внутри детали дефектов, создающих УЗ-вую тень. При этом методе используется два преобразователя. Один из них излучает ультразвуковые колебания, другой принимает их (рис. 5). Теневой метод малочувствителен, дефект можно обнаружить если вызываемое им изменение сигнала составляет не менее 15¸20%. Существенный недостаток теневого метода в том, что он не позволяет определить на какой глубине находится дефект[8].
Рис. 6 Принцип действия ультразвукового дефектоскопа, основанный на импульсном методе.
Импульсный метод УЗ-вой дефектоскопии основан на явлении отражения ультразвуковых волн. Принцип действия импульсного дефектоскопа показан на( рис.6). Высокочастотный генератор вырабатывает кратковременные импульсы. Посланный излучателем импульс, отразившись, возвращается обратно к преобразователю, который в это время работает на прием. С преобразователя сигнал поступает на усилитель, а затем на отклоняющие пластины электроннолучевой трубки. Для получения на экране трубки изображения зондирующих и отраженных импульсов предусмотрен генератор развертки. Работой высокочастотного генератора управляет синхронизатор, который с определенной частотой формирует высокочастотные импульсы. Частота посылки импульсов может изменяться с таким расчетом, чтобы отраженный импульс приходил к преобразователю раньше посылки следующего импульса. Импульсный метод позволяет исследовать изделия при одностороннем доступе к ним. Метод обладает повышенной чувствительностью, отражение даже 1% УЗ-вой энергии будет замечено. Преимущество импульсного метода состоит еще и в том, что он позволяет определить на какой глубине находится дефект[8].
Литература:
1)Ультразвук[Электронный ресурс] URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/142769/ (дата обращения: 19.12.14г.).
2) [Электронный ресурс] URL:http://www.slovopedia.com/14/211/1020016.html /(дата обращения: 19.12.14г.).
3) [Электронный ресурс] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D3%EB%FC%F2%F0%E0%E7%E2%F3%EA(дата обращения: 19.12.14г.).
4) [Электронный ресурс] URL: http://www.uzo.matrixplus.ru/booksound29.htm
(дата обращения: 19.12.14г.).