УЛЬТРАЗВУК, Енциклопедія Навколишній світ
УЛЬТРАЗВУК, пружні хвилі високої частоти, яким присвячені спеціальні розділи науки та техніки. Людське вухо сприймає пружні хвилі, що поширюються в середовищі, частотою приблизно до 16 000 коливань в секунду (Гц); коливання з вищою частотою є ультразвук (за межею чутності). Зазвичай ультразвуковим діапазоном вважають смугу частот від 20 000 до кількох мільярдів герц. Хоча про існування ультразвуку вченим було відомо давно, практичне використання його в науці, техніці та промисловості почалося порівняно недавно. Зараз ультразвук широко застосовується у різних фізичних та технологічних методах. За швидкістю поширення звуку серед судять про її фізичні характеристики. Вимірювання швидкості на ультразвукових частотах виготовляються з дуже великою точністю; внаслідок цього з дуже малими похибками визначаються, наприклад, адіабатичні характеристики швидкоплинних процесів, значення питомої теплоємності газів, пружні постійні тверді тіла.
Гідролокація.
Наприкінці Першої світової війни з'явилася одна із перших практичних ультразвукових систем, призначена для виявлення підводних човнів. Пучок ультразвукового випромінювання може бути зроблений гостро спрямованим, і по відбитому від мети сигналу (відлуння-сигналу) можна визначити напрямок на цю мету. Вимірюючи час проходження сигналу до мети та назад, визначають відстань до неї. До теперішнього часу система, що називається гідролокатором, або сонаром, стала невід'ємним засобом мореплавання. також ГІДРОЛОКАТОР.
Якщо спрямувати імпульсне ультразвукове випромінювання убік дна і виміряти час між посилом імпульсу та її поверненням, можна визначити відстань між випромінювачем і приймачем, тобто.глибину. Засновані на цьому складні системи автоматичної реєстрації застосовуються для складання карт дна морів та океанів, а також русел річок. Відповідні навігаційні системи атомних підводних човнів дозволяють їм здійснювати безпечні переходи під полярними льодами.
Дефектоскопія.
Зондування ультразвуковими імпульсами застосовується і для досліджень властивостей різних матеріалів та виробів із них. Проникаючи в тверді тіла, такі імпульси відбиваються від своїх кордонів, і навіть від різних сторонніх утворень у товщі досліджуваного середовища, як-от порожнини, тріщини та інших., вказуючи їх розташування. Ультразвук "перевіряє" матеріал, не викликаючи в ньому руйнувань. Такими методами контролю, що не руйнують, перевіряють якість масивних сталевих поковок, алюмінієвих блоків, залізничних рейок, зварних швів машин.
Ультразвуковий витратомір.
Принцип дії такого приладу ґрунтується на ефекті Доплера. Імпульси ультразвуку направляються поперемінно потоком і проти нього. При цьому швидкість проходження сигналу складається зі швидкості поширення ультразвуку в середовищі і швидкості потоку, то ці величини віднімаються. Виникає різницю фаз імпульсів у двох гілках вимірювальної схеми реєструється електронним обладнанням, і в результаті вимірюється швидкість потоку, а за нею і масова швидкість (витрата). Цей вимірювач не вносить змін до потоку рідини і може застосовуватися як до потоку в замкнутому контурі, наприклад, для досліджень кровотоку в аорті або системи охолодження атомного реактора, так і відкритого потоку, наприклад річки.
Хімічна технологія.
Ультразвукова паяння.
Кавітація, обумовлена потужними ультразвуковими хвилями в металевих розплавах і руйнує алюмінієву окисну плівку, дозволяєпроводити його паяння олов'яним припоєм без флюсу. Вироби зі спаяних ультразвуком металів стали звичайними промисловими товарами.
Ультразвукова механічна обробка.
Енергія ультразвуку успішно використовується під час машинної обробки деталей. Наконечник з маловуглецевої сталі, виконаний відповідно до форми поперечного перерізу бажаного отвору (або порожнини), кріпиться твердим припоєм до кінця усіченого металевого конуса, який впливає ультразвуковий генератор (при цьому амплітуда вібрацій становить до 0,025 мм). У зазор між сталевим наконечником та оброблюваною деталлю подається рідка суспензія абразиву (карбіду бору). Оскільки в такому методі ріжучим елементом виступає абразив, а не сталевий різець, він дозволяє обробляти дуже тверді та тендітні матеріали - скло, кераміку, алніко (Fe-Ni-Co-Al-сплав), карбід вольфраму, загартовану сталь; крім того, ультразвуком можна обробляти отвори та порожнини складної форми, так як відносний рух деталі та ріжучого інструменту може бути не тільки обертальним.
Ультразвукове очищення.
Важливою технологічною проблемою є очищення поверхні металу чи скла від найдрібніших сторонніх частинок, жирових плівок та інших видів забруднення. Там, де занадто трудомістке ручне очищення або необхідний особливий ступінь чистоти поверхні, застосовується ультразвук. У кавітуючу омиваючу рідину вводиться потужне ультразвукове випромінювання (що створює змінні прискорення з частотою до 10 6 Гц), і кавітаційні бульбашки, що схлопуються, зривають з оброблюваної поверхні небажані частинки. У промисловості використовується багато різного ультразвукового обладнання для очищення поверхонь кварцових кристалів та оптичного скла, малих прецизійних шарикопідшипників,зняття задирка з малогабаритних деталей; застосовується воно і конвеєрних лініях.
Застосування в біології та медицині.
Те, що ультразвук активно впливає на біологічні об'єкти (наприклад, вбиває бактерії), відомо вже понад 70 років. Ультразвукові стерилізатори хірургічних інструментів застосовуються у лікарнях та клініках. Електронна апаратура зі скануючим ультразвуковим променем служить цілям виявлення пухлин у мозку та постановки діагнозу, використовується в нейрохірургії для інактивації окремих ділянок головного мозку потужним сфокусованим високочастотним (порядку 1000 кГц) пучком. Але найбільш широко ультразвук застосовується в терапії – при лікуванні люмбаго, міалгії та контузій, хоча досі серед медиків немає єдиної думки щодо конкретного механізму впливу ультразвуку на хворі органи. Високочастотні коливання викликають внутрішній розігрів тканин, що супроводжується, можливо, мікромасажем.
Генерація ультразвукових хвиль.
Ультразвук можна отримати від механічних, електромагнітних та теплових джерел. Механічними випромінювачами зазвичай служать різного роду сирени уривчастої дії. У повітря вони випромінюють коливання потужністю до кількох кіловат на частотах до 40 кГц. Ультразвукові хвилі в рідинах та твердих тілах зазвичай збуджують електроакустичними, магнітострикційними та п'єзоелектричними перетворювачами.
Магнітострикційні перетворювачі.
Ці пристрої перетворюють енергію магнітного поля на механічну (звукову або ультразвукову) енергію. Їхня дія заснована на магнітопружному ефекті, тобто. у тому, деякі метали (залізо, нікель, кобальт) та його сплави деформуються в магнітному полі. Яскраво вираженими магнітопружними властивостями володіють і ферити (матеріали, що спекуються із суміші окисузаліза з оксидами нікелю, міді, кобальту та інших металів). Якщо магнитоупругий стрижень розташувати вздовж змінного магнітного поля, цей стрижень стане поперемінно скорочуватися і подовжуватися, тобто. відчувати механічні коливання із частотою змінного магнітного поля та амплітудою, пропорційною його індукції. Вібрації перетворювача збуджують у твердому або рідкому середовищі, з яким він стикається, хвилі ультразвуку тієї ж частоти. Зазвичай такі перетворювачі працюють на своїй частоті механічних коливань, тому що на ній найефективніше перетворення енергії з однієї форми в іншу. Магнітострикційні перетворювачі з тонкого листового металу працюють найкраще в низькочастотному ультразвуковому діапазоні (від 20 до 50 кГц), на частотах вище 100 кГц вони дуже низький ККД.
П'єзоелектричні перетворювачі
перетворюють електричну енергію на енергію ультразвуку. Дія їх ґрунтується на зворотному п'єзоелектричному ефекті, що виявляється в деформаціях деяких кристалів під дією прикладеного до них електричного поля. Цей ефект добре проявляється у природного або штучно вирощеного монокристалу кварцу або сегнетової солі, а також деяких керамічних матеріалів (наприклад, у титанату барію). Змінне електричне поле частоти бажаного ультразвуку подається через напилені металеві електроди, що розташовуються на протилежних гранях зразка, вирізаного певним чином п'єзоелектрика. При цьому виникають механічні коливання, які і поширюються у вигляді ультразвуку в суміжному рідкому або твердотільному середовищі. П'єзоелектричні перетворювачі у вигляді тонких кристалічних пластин можуть випромінювати потужні ультразвукові хвилі частотою до 1 МГц (в лабораторних умовах отримані частотидо 1000 МГц). Довжина ультразвукової хвилі (назад пропорційна частоті) дуже мала, тому з таких хвиль, як і зі світлових, можна формувати вузьконаправлені пучки. Гідність керамічних п'єзоелектриків полягає в тому, що з них можна відливати, пресувати або отримувати перетворювачі видавлюванням різних розмірів і форм. Такий перетворювач, виконаний у вигляді чаші сферичного контуру, здатний сфокусувати ультразвукове випромінювання в малу пляму дуже великої інтенсивності. Ультразвукові лінзи фокусують звукові хвилі так само, як лупи фокусують світло.
Виявлення та вимірювання на ультразвуку.
Енергія акустичного поля визначається в основному звуковим тиском і швидкістю частинок середовища, в якому звук поширюється. Зазвичай звуковий тиск у газах (повітря) та рідинах (воді) має порядок 10 -3 -10 -6 тиску навколишнього середовища (рівного 1 атм на рівні моря). Тиск ультразвукової хвилі перевищує це значення у тисячі разів і легко виявляється за допомогою мікрофонів у повітрі та гідрофонів у воді. Розроблено спеціальні засоби вимірювань для прийому та отримання кількісних характеристик ультразвукового випромінювання, особливо на високих частотах. Оскільки хвилі стиснення та розрідження в газах та рідинах змінюють показник заломлення середовища, для візуалізації цих процесів створено оптичні методи. При відображенні ультразвуку в замкнутій системі утворюється хвиля, що стоїть, що впливає на випромінювач. У пристроях такого типу, які називають ультразвуковими інтерферометрами, довжина хвилі в середовищі вимірюється з дуже великою точністю, що дозволяє отримувати дані про фізичні характеристики середовища. За допомогою інтенсивного ультразвукового пучка можна оцінити та виміряти тиск ультразвукового випромінювання, аналогічно тому, як це робиться привимірювання світлового тиску Цей тиск пов'язаний з щільністю енергії ультразвукового поля і дозволяє найпростішим способом визначити інтенсивність ультразвукової хвилі, що поширюється.
Баулан І. За бар'єром чутності. М., 1971 Хорбенко І.Г. Звук, ультразвук, інфразвук. М., 1986 Агранат Б.А. та ін. Основи фізики та техніки ультразвуку. М., 1987