Ultraschall

Ultraschall- elastische Schwingungen mit einer Frequenz jenseits der für den Menschen hörbaren Grenze. Als Ultraschallbereich gelten üblicherweise Frequenzen über 18.000 Hertz.

Obwohl die Existenz von Ultraschall schon seit langem bekannt ist, ist seine praktische Anwendung noch recht jung. Heutzutage wird Ultraschall in verschiedenen physikalischen und technologischen Verfahren häufig eingesetzt. Daher wird die Geschwindigkeit der Schallausbreitung in einem Medium zur Beurteilung seiner physikalischen Eigenschaften herangezogen. Geschwindigkeitsmessungen bei Ultraschallfrequenzen ermöglichen es, beispielsweise die adiabatischen Eigenschaften schneller Prozesse, die spezifische Wärmekapazität von Gasen und die elastischen Konstanten von Festkörpern mit sehr kleinen Fehlern zu bestimmen.

Ultraschallquellen

Die Frequenz der in Industrie und Biologie eingesetzten Ultraschallschwingungen liegt im Bereich von mehreren MHz. Solche Schwingungen werden üblicherweise mit piezokeramischen Wandlern aus Bariumtitanit erzeugt. In Fällen, in denen die Leistung von Ultraschallschwingungen im Vordergrund steht, werden meist mechanische Ultraschallquellen eingesetzt. Zunächst wurden alle Ultraschallwellen mechanisch empfangen (Stimmgabeln, Pfeifen, Sirenen).

In der Natur findet sich Ultraschall sowohl als Bestandteil vieler natürlicher Geräusche (im Geräusch von Wind, Wasserfall, Regen, im Geräusch von Kieselsteinen, die von der Meeresbrandung gerollt werden, in den Geräuschen, die Gewitterentladungen begleiten usw.), als auch unter den Geräuschen der Tierwelt. Manche Tiere nutzen Ultraschallwellen, um Hindernisse zu erkennen und im Weltraum zu navigieren.

Ultraschallsender lassen sich in zwei große Gruppen einteilen. Die erste umfasst Emitter-Generatoren; Schwingungen in ihnen werden durch das Vorhandensein von Hindernissen auf dem Weg einer konstanten Strömung – eines Gas- oder Flüssigkeitsstroms – angeregt. Die zweite Gruppe von Emittern sind elektroakustische Wandler; Sie wandeln bereits gegebene Schwankungen der elektrischen Spannung oder des Stroms in mechanische Schwingungen eines Festkörpers um, der akustische Wellen an die Umgebung aussendet.

Galtons Pfeife

Die erste Ultraschallpfeife wurde 1883 vom Engländer Galton hergestellt. Dabei entsteht Ultraschall, ähnlich dem hohen Ton an der Schneide eines Messers, wenn ein Luftstrom darauf trifft. Die Rolle einer solchen Spitze in einer Galton-Pfeife übernimmt eine „Lippe“ in einem kleinen zylindrischen Resonanzhohlraum. Unter hohem Druck durch einen Hohlzylinder gepresstes Gas trifft auf diese „Lippe“; Es entstehen Schwingungen, deren Frequenz (ca. 170 kHz) durch die Größe der Düse und Lippe bestimmt wird. Die Kraft von Galtons Pfeife ist gering. Es wird hauptsächlich zum Erteilen von Befehlen beim Training von Hunden und Katzen verwendet.

Flüssige Ultraschallpfeife

Die meisten Ultraschallpfeifen können für den Betrieb in flüssigen Umgebungen angepasst werden. Im Vergleich zu elektrischen Ultraschallquellen haben flüssige Ultraschallpfeifen eine geringe Leistung, haben aber manchmal, beispielsweise bei der Ultraschallhomogenisierung, einen erheblichen Vorteil. Da Ultraschallwellen direkt in einem flüssigen Medium entstehen, gibt es beim Übergang von einem Medium in ein anderes keinen Energieverlust der Ultraschallwellen. Das vielleicht erfolgreichste Design ist die flüssige Ultraschallpfeife, die die englischen Wissenschaftler Cottel und Goodman Anfang der 50er Jahre des 20. Jahrhunderts entwickelten. Dabei tritt ein Hochdruckflüssigkeitsstrahl aus einer elliptischen Düse aus und wird auf eine Stahlplatte gerichtet. Um homogene Medien zu erhalten, haben sich verschiedene Modifikationen dieses Designs weit verbreitet. Aufgrund der Einfachheit und Stabilität ihres Aufbaus (nur die Schwingplatte wird zerstört) sind solche Systeme langlebig und kostengünstig.

Sirene

Eine andere Art mechanischer Ultraschallquelle ist eine Sirene. Es hat eine relativ hohe Leistung und wird in Polizei- und Feuerwehrfahrzeugen eingesetzt. Alle Rotationssirenen bestehen aus einer Kammer, die oben durch eine Scheibe (Stator) verschlossen ist, in die zahlreiche Löcher eingebracht sind. Die gleiche Anzahl Löcher befindet sich auf der Scheibe, die sich in der Kammer dreht – dem Rotor. Während sich der Rotor dreht, stimmt die Position der Löcher darin periodisch mit der Position der Löcher im Stator überein. Der Kammer wird kontinuierlich Druckluft zugeführt, die in den kurzen Momenten, in denen die Löcher an Rotor und Stator zusammenfallen, aus ihr entweicht.

Die Hauptaufgabe bei der Herstellung von Sirenen besteht erstens darin, möglichst viele Löcher in den Rotor zu bohren und zweitens eine hohe Rotationsgeschwindigkeit zu erreichen. In der Praxis ist es jedoch sehr schwierig, beide Anforderungen zu erfüllen.

Ultraschall in der Natur

Ultraschallanwendungen

Diagnostische Anwendungen von Ultraschall in der Medizin (Ultraschall)

Aufgrund der guten Ausbreitung von Ultraschall in menschlichen Weichteilen, seiner relativen Unbedenklichkeit im Vergleich zu Röntgenstrahlen und seiner einfachen Anwendung im Vergleich zur Magnetresonanztomographie wird Ultraschall häufig zur Visualisierung des Zustands innerer Organe des Menschen, insbesondere in der Bauch- und Beckenhöhle, eingesetzt .

Therapeutische Anwendungen von Ultraschall in der Medizin

Neben seiner breiten Anwendung zu diagnostischen Zwecken (siehe Ultraschall) wird Ultraschall in der Medizin auch als Therapeutikum eingesetzt.

Ultraschall hat folgende Wirkungen:

• entzündungshemmend, absorbierend
• schmerzstillend, krampflösend
• Kavitationsverbesserung der Hautdurchlässigkeit

Die Phonophorese ist eine kombinierte Methode, bei der das Gewebe Ultraschall und mit seiner Hilfe eingebrachten Arzneimitteln (sowohl Arzneimitteln als auch natürlichen Ursprungs) ausgesetzt wird. Die Leitfähigkeit von Stoffen unter dem Einfluss von Ultraschall beruht auf einer Erhöhung der Durchlässigkeit der Epidermis und der Hautdrüsen, Zellmembranen und Gefäßwände für Stoffe mit geringem Molekulargewicht, insbesondere Bischofit-Mineralionen. Vorteile der Ultraphonophorese von Medikamenten und Naturstoffen:

• Die therapeutische Substanz wird bei der Verabreichung durch Ultraschall nicht zerstört
• Synergismus zwischen Ultraschall und Arzneimitteln

Indikationen für die Bischofit-Phonophorese: Arthrose, Osteochondrose, Arthritis, Schleimbeutelentzündung, Epicondylitis, Fersensporn, Zustände nach Verletzungen des Bewegungsapparates; Neuritis, Neuropathien, Radikulitis, Neuralgie, Nervenverletzungen.

Es wird Bischofit-Gel aufgetragen und mit der Arbeitsfläche des Strahlers eine Mikromassage des Behandlungsbereichs durchgeführt. Die Technik ist labil, wie sie für die Ultraphonophorese üblich ist (bei UVF der Gelenke und der Wirbelsäule beträgt die Intensität im Halsbereich 0,2–0,4 W/cm2, im Brust- und Lendenbereich 0,4–0,6 W/cm2).

Schneiden von Metall mit Ultraschall

Auf herkömmlichen Metallschneidemaschinen ist es unmöglich, ein schmales Loch mit komplexer Form, beispielsweise in Form eines fünfzackigen Sterns, in ein Metallteil zu bohren. Mit Hilfe von Ultraschall ist dies möglich; ein magnetostriktiver Vibrator kann ein Loch beliebiger Form bohren. Ein Ultraschallmeißel ersetzt eine Fräsmaschine vollständig. Darüber hinaus ist ein solcher Meißel viel einfacher als eine Fräsmaschine und kann Metallteile billiger und schneller bearbeiten als mit einer Fräsmaschine.

Mit Ultraschall können sogar Schrauben in Metallteile, Glas, Rubin und Diamant geschnitten werden. Typischerweise wird das Gewinde zunächst aus weichem Metall hergestellt und anschließend wird das Teil gehärtet. Auf einer Ultraschallmaschine können Gewinde in bereits gehärtetem Metall und in den härtesten Legierungen hergestellt werden. Dasselbe gilt auch für Briefmarken. Normalerweise wird der Stempel nach sorgfältiger Bearbeitung ausgehärtet. Auf einer Ultraschallmaschine erfolgt die komplexeste Bearbeitung durch Schleifmittel (Schmirgel, Korundpulver) im Feld einer Ultraschallwelle. Kontinuierlich im Ultraschallfeld oszillierend schneiden feste Pulverpartikel in die zu bearbeitende Legierung ein und schneiden ein Loch in der Form des Meißels aus.

Herstellung von Mischungen mittels Ultraschall

Ultraschall wird häufig zur Herstellung homogener Gemische (Homogenisierung) eingesetzt. Bereits 1927 entdeckten die amerikanischen Wissenschaftler Leamus und Wood, dass, wenn zwei nicht mischbare Flüssigkeiten (zum Beispiel Öl und Wasser) in ein Becherglas gegossen und mit Ultraschall bestrahlt werden, im Becherglas eine Emulsion entsteht, also eine feine Ölsuspension darin Wasser. Solche Emulsionen spielen eine wichtige Rolle in der Industrie: Lacke, Farben, pharmazeutische Produkte, Kosmetika.

Anwendung von Ultraschall in der Biologie

Die Fähigkeit von Ultraschall, Zellmembranen aufzubrechen, findet Anwendung in der biologischen Forschung, beispielsweise wenn es darum geht, eine Zelle von Enzymen zu trennen. Ultraschall wird auch verwendet, um intrazelluläre Strukturen wie Mitochondrien und Chloroplasten aufzubrechen, um den Zusammenhang zwischen ihrer Struktur und Funktion zu untersuchen. Eine weitere Verwendung von Ultraschall in der Biologie hängt mit seiner Fähigkeit zusammen, Mutationen auszulösen. In Oxford durchgeführte Untersuchungen zeigten, dass selbst Ultraschall geringer Intensität das DNA-Molekül schädigen kann. Die künstliche, gezielte Erzeugung von Mutationen spielt in der Pflanzenzüchtung eine wichtige Rolle. Der Hauptvorteil von Ultraschall gegenüber anderen Mutagenen (Röntgenstrahlen, ultraviolette Strahlen) besteht darin, dass es äußerst einfach zu handhaben ist.

Der Einsatz von Ultraschall zur Reinigung

Der Einsatz von Ultraschall zur mechanischen Reinigung beruht auf dem Auftreten verschiedener nichtlinearer Effekte in der unter seinem Einfluss stehenden Flüssigkeit. Dazu gehören Kavitation, akustische Strömungen und Schalldruck. Die Hauptrolle spielt Kavitation. Seine Blasen, die in der Nähe von Verunreinigungen entstehen und kollabieren, zerstören diese. Dieser Effekt ist bekannt als Kavitationserosion. Der für diese Zwecke verwendete Ultraschall hat niedrige Frequenzen und eine erhöhte Leistung.

Unter Labor- und Produktionsbedingungen werden mit einem Lösungsmittel (Wasser, Alkohol usw.) gefüllte Ultraschallbäder zum Waschen von Kleinteilen und Geschirr verwendet. Manchmal werden mit ihrer Hilfe sogar Wurzelgemüse (Kartoffeln, Karotten, Rüben usw.) von Bodenpartikeln gewaschen.

Anwendung von Ultraschall in der Durchflussmessung

Seit den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts werden Ultraschall-Durchflussmesser in der Industrie zur Durchflusskontrolle und Abrechnung von Wasser und Kühlmittel eingesetzt.

Anwendung von Ultraschall bei der Fehlererkennung

Ultraschall breitet sich in einigen Materialien gut aus, sodass er zur Ultraschallfehlererkennung von Produkten aus diesen Materialien verwendet werden kann. In jüngster Zeit hat sich die Richtung der Ultraschallmikroskopie weiterentwickelt, die es ermöglicht, die Untergrundschicht eines Materials mit guter Auflösung zu untersuchen.

Ultraschallschweißen

Beim Ultraschallschweißen handelt es sich um Druckschweißen, das unter dem Einfluss von Ultraschallschwingungen durchgeführt wird. Diese Art des Schweißens wird zum Verbinden von Teilen verwendet, die schwer zu erhitzen sind, oder zum Verbinden unterschiedlicher Metalle oder Metalle mit starken Oxidschichten (Aluminium, rostfreie Stähle, Magnetkerne aus Permalloy usw.). Ultraschallschweißen wird bei der Herstellung integrierter Schaltkreise eingesetzt.

Anwendung von Ultraschall in der Galvanisierung

Ultraschall wird zur Intensivierung galvanischer Prozesse und zur Verbesserung der Qualität elektrochemischer Beschichtungen eingesetzt.

Ultraschall- elastische Schallschwingungen hoher Frequenz. Das menschliche Ohr nimmt elastische Wellen wahr, die sich im Medium mit einer Frequenz von etwa 16-20 kHz ausbreiten; Höherfrequente Schwingungen sind Ultraschall (jenseits der Hörgrenze). Typischerweise wird als Ultraschallbereich der Frequenzbereich von 20.000 bis einer Milliarde Hz angesehen. Schallschwingungen mit einer höheren Frequenz werden Hyperschall genannt. In Flüssigkeiten und Feststoffen können Schallschwingungen 1000 GHz erreichen

Obwohl die Existenz von Ultraschall den Wissenschaftlern schon seit langem bekannt ist, begann der praktische Einsatz in Wissenschaft, Technik und Industrie erst vor relativ kurzer Zeit. Mittlerweile wird Ultraschall in verschiedenen Bereichen der Physik, Technik, Chemie und Medizin häufig eingesetzt.

Ultraschallquellen

Die Frequenz ultrahochfrequenter Ultraschallwellen, die in Industrie und Biologie eingesetzt werden, liegt im Bereich von mehreren MHz. Die Fokussierung solcher Strahlen erfolgt üblicherweise mit speziellen Schalllinsen und Spiegeln. Mit einem geeigneten Wandler kann ein Ultraschallstrahl mit den erforderlichen Parametern erzeugt werden. Die gebräuchlichsten Keramikwandler sind Bariumtitanit. In Fällen, in denen die Leistung des Ultraschallstrahls im Vordergrund steht, werden meist mechanische Ultraschallquellen eingesetzt. Zunächst wurden alle Ultraschallwellen mechanisch empfangen (Stimmgabeln, Pfeifen, Sirenen).

In der Natur findet sich Ultraschall sowohl als Bestandteil vieler natürlicher Geräusche (im Geräusch von Wind, Wasserfall, Regen, im Geräusch von Kieselsteinen, die von der Meeresbrandung gerollt werden, in den Geräuschen, die Gewitterentladungen begleiten usw.), als auch unter anderem Geräusche aus der Tierwelt. Manche Tiere nutzen Ultraschallwellen, um Hindernisse zu erkennen und im Weltraum zu navigieren.

Ultraschallsender lassen sich in zwei große Gruppen einteilen. Die erste umfasst Emitter-Generatoren; Schwingungen in ihnen werden durch das Vorhandensein von Hindernissen auf dem Weg einer konstanten Strömung – eines Gas- oder Flüssigkeitsstroms – angeregt. Die zweite Gruppe von Emittern sind elektroakustische Wandler; Sie wandeln bereits gegebene Schwankungen der elektrischen Spannung oder des Stroms in mechanische Schwingungen eines Festkörpers um, der akustische Wellen in die Umgebung aussendet. Beispiele für Sender: Galton-Pfeife, Flüssigkeits- und Ultraschallpfeife, Sirene.

Ultraschallausbreitung.

Ultraschallausbreitung ist der Prozess der räumlichen und zeitlichen Bewegung von Störungen, die in einer Schallwelle auftreten.

Eine Schallwelle breitet sich in einem Stoff im gasförmigen, flüssigen oder festen Zustand in die gleiche Richtung aus, in die sich die Teilchen dieses Stoffes verschieben, d. h. sie bewirkt eine Verformung des Mediums. Die Verformung besteht darin, dass bestimmte Volumina des Mediums nacheinander entladen und komprimiert werden und der Abstand zwischen zwei benachbarten Bereichen der Länge der Ultraschallwelle entspricht. Je größer der spezifische akustische Widerstand des Mediums ist, desto größer ist der Grad der Kompression und Verdünnung des Mediums bei einer gegebenen Schwingungsamplitude.

Die an der Übertragung der Wellenenergie beteiligten Teilchen des Mediums schwingen um ihre Gleichgewichtslage. Die Geschwindigkeit, mit der Teilchen um die durchschnittliche Gleichgewichtsposition schwingen, wird als Oszillation bezeichnet

Geschwindigkeit.

Beugung, Interferenz

Bei der Ausbreitung von Ultraschallwellen sind Beugungs-, Interferenz- und Reflexionserscheinungen möglich.

Beugung (Wellen, die sich um Hindernisse herum biegen) tritt auf, wenn die Ultraschallwellenlänge mit der Größe des Hindernisses auf dem Weg vergleichbar (oder größer) ist. Wenn das Hindernis im Vergleich zur akustischen Wellenlänge groß ist, liegt kein Beugungsphänomen vor.

Wenn sich an einer bestimmten Stelle im Medium mehrere Ultraschallwellen gleichzeitig im Gewebe bewegen, kann es zu einer Überlagerung dieser Wellen kommen. Diese Überlagerung von Wellen untereinander wird allgemein als Interferenz bezeichnet. Wenn sich Ultraschallwellen beim Durchgang durch ein biologisches Objekt kreuzen, wird an einem bestimmten Punkt in der biologischen Umgebung eine Zunahme oder Abnahme der Schwingungen beobachtet. Das Ergebnis der Interferenz hängt von der räumlichen Beziehung der Phasen der Ultraschallschwingungen an einem bestimmten Punkt im Medium ab. Wenn Ultraschallwellen einen bestimmten Bereich des Mediums in den gleichen Phasen (in Phase) erreichen, haben die Partikelverschiebungen die gleichen Vorzeichen und Interferenzen tragen unter solchen Bedingungen dazu bei, die Amplitude der Ultraschallschwingungen zu erhöhen. Wenn Ultraschallwellen gegenphasig in einem bestimmten Bereich ankommen, geht die Verschiebung der Partikel mit unterschiedlichen Vorzeichen einher, was zu einer Abnahme der Amplitude der Ultraschallschwingungen führt.

Interferenzen spielen eine wichtige Rolle bei der Beurteilung von Phänomenen, die in Geweben rund um den Ultraschallsender auftreten. Interferenzen sind besonders wichtig, wenn sich Ultraschallwellen nach der Reflexion an einem Hindernis in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten.

Absorption von Ultraschallwellen

Wenn das Medium, in dem sich Ultraschall ausbreitet, eine Viskosität und Wärmeleitfähigkeit aufweist oder andere innere Reibungsprozesse darin vorliegen, kommt es bei der Ausbreitung der Welle zu einer Schallabsorption, d. h. wenn sie sich von der Quelle entfernt, wird die Amplitude der Ultraschallschwingungen kleiner. sowie die Energie, die sie tragen. Das Medium, in dem sich Ultraschall ausbreitet, interagiert mit der durchströmenden Energie und absorbiert einen Teil davon. Der überwiegende Teil der absorbierten Energie wird in Wärme umgewandelt, der kleinere Teil führt zu irreversiblen Strukturveränderungen im übertragenden Stoff. Absorption ist das Ergebnis der Reibung von Partikeln aneinander; sie ist in verschiedenen Medien unterschiedlich. Die Absorption hängt auch von der Frequenz der Ultraschallschwingungen ab. Theoretisch ist die Absorption proportional zum Quadrat der Frequenz.

Die Absorptionsmenge kann durch den Absorptionskoeffizienten charakterisiert werden, der angibt, wie sich die Intensität des Ultraschalls im bestrahlten Medium ändert. Sie nimmt mit zunehmender Häufigkeit zu. Die Intensität der Ultraschallschwingungen im Medium nimmt exponentiell ab. Dieser Vorgang wird durch innere Reibung, Wärmeleitfähigkeit des absorbierenden Mediums und dessen Struktur verursacht. Sie wird grob durch die Größe der halbabsorbierenden Schicht charakterisiert, die angibt, in welcher Tiefe die Intensität der Schwingungen um die Hälfte abnimmt (genauer gesagt um das 2,718-fache oder um 63 %). Laut Pahlman sind bei einer Frequenz von 0,8 MHz die Durchschnittswerte der halbabsorbierenden Schicht für einige Gewebe wie folgt: Fettgewebe – 6,8 cm; muskulös - 3,6 cm; Fett- und Muskelgewebe zusammen - 4,9 cm. Mit zunehmender Ultraschallfrequenz nimmt die Größe der halbabsorbierenden Schicht ab. Bei einer Frequenz von 2,4 MHz halbiert sich die Intensität des Ultraschalls, der Fett- und Muskelgewebe durchdringt, in einer Tiefe von 1,5 cm.

Darüber hinaus ist in einigen Frequenzbereichen eine abnormale Absorption der Energie von Ultraschallschwingungen möglich – dies hängt von den Eigenschaften der molekularen Struktur eines bestimmten Gewebes ab. Es ist bekannt, dass 2/3 der Ultraschallenergie auf molekularer Ebene und 1/3 auf der Ebene mikroskopischer Gewebestrukturen gedämpft werden.

Eindringtiefe von Ultraschallwellen

Die Eindringtiefe des Ultraschalls bezeichnet die Tiefe, bei der die Intensität um die Hälfte reduziert wird. Dieser Wert ist umgekehrt proportional zur Absorption: Je stärker das Medium Ultraschall absorbiert, desto kürzer ist die Entfernung, bei der die Ultraschallintensität um die Hälfte gedämpft wird.

Streuung von Ultraschallwellen

Liegen Inhomogenitäten im Medium vor, kommt es zu Schallstreuungen, die das einfache Ausbreitungsmuster des Ultraschalls erheblich verändern können und letztlich auch dazu führen, dass die Welle in der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung gedämpft wird.

Brechung von Ultraschallwellen

Da sich der akustische Widerstand menschlicher Weichteile nicht wesentlich vom Widerstand von Wasser unterscheidet, kann davon ausgegangen werden, dass an der Grenzfläche zwischen den Medien (Epidermis – Dermis – Faszie – Muskel) eine Brechung von Ultraschallwellen beobachtet wird.

Reflexion von Ultraschallwellen

Die Ultraschalldiagnostik basiert auf dem Phänomen der Reflexion. Die Reflexion erfolgt in den Grenzbereichen Haut und Fett, Fett und Muskel, Muskel und Knochen. Trifft Ultraschall bei seiner Ausbreitung auf ein Hindernis, kommt es zu einer Reflexion; ist das Hindernis klein, scheint der Ultraschall es zu umströmen. Heterogenitäten des Körpers verursachen keine nennenswerten Abweichungen, da ihre Größen (0,1–0,2 mm) im Vergleich zur Wellenlänge (2 mm) vernachlässigt werden können. Trifft Ultraschall auf seinem Weg auf Organe, deren Abmessungen größer als die Wellenlänge sind, kommt es zu einer Brechung und Reflexion des Ultraschalls. Die stärkste Reflexion wird an den Grenzen Knochen – umgebendes Gewebe und Gewebe – Luft beobachtet. Luft hat eine geringe Dichte und es wird eine fast vollständige Reflexion des Ultraschalls beobachtet. Die Reflexion von Ultraschallwellen wird an der Grenze Muskel – Periost – Knochen, auf der Oberfläche von Hohlorganen beobachtet.

Wandernde und stehende Ultraschallwellen

Wenn sich Ultraschallwellen in einem Medium ausbreiten und sie nicht reflektiert werden, entstehen Wanderwellen. Durch Energieverluste werden die Schwingungsbewegungen der Partikel des Mediums allmählich gedämpft, und je weiter die Partikel von der strahlenden Oberfläche entfernt sind, desto kleiner wird die Amplitude ihrer Schwingungen. Befinden sich auf dem Ausbreitungsweg der Ultraschallwellen Gewebe mit unterschiedlichen spezifischen akustischen Widerständen, so werden die Ultraschallwellen in gewissem Maße an der Grenzfläche reflektiert. Durch die Überlagerung einfallender und reflektierter Ultraschallwellen können stehende Wellen entstehen. Damit stehende Wellen entstehen, muss der Abstand von der Senderoberfläche zur reflektierenden Oberfläche ein Vielfaches der halben Wellenlänge betragen.

Ultraschall

Ultraschall- elastische Schwingungen mit einer Frequenz jenseits der für den Menschen hörbaren Grenze. Als Ultraschallbereich gelten üblicherweise Frequenzen über 18.000 Hertz.

Obwohl die Existenz von Ultraschall schon seit langem bekannt ist, ist seine praktische Anwendung noch recht jung. Heutzutage wird Ultraschall in verschiedenen physikalischen und technologischen Verfahren häufig eingesetzt. Daher wird die Geschwindigkeit der Schallausbreitung in einem Medium zur Beurteilung seiner physikalischen Eigenschaften herangezogen. Geschwindigkeitsmessungen bei Ultraschallfrequenzen ermöglichen es, beispielsweise die adiabatischen Eigenschaften schneller Prozesse, die spezifische Wärmekapazität von Gasen und die elastischen Konstanten von Festkörpern mit sehr kleinen Fehlern zu bestimmen.

Ultraschallquellen

Die Frequenz der in Industrie und Biologie eingesetzten Ultraschallschwingungen liegt im Bereich von mehreren MHz. Solche Schwingungen werden üblicherweise mit piezokeramischen Wandlern aus Bariumtitanit erzeugt. In Fällen, in denen die Leistung von Ultraschallschwingungen im Vordergrund steht, werden meist mechanische Ultraschallquellen eingesetzt. Zunächst wurden alle Ultraschallwellen mechanisch empfangen (Stimmgabeln, Pfeifen, Sirenen).

In der Natur findet sich Ultraschall sowohl als Bestandteil vieler natürlicher Geräusche (im Geräusch von Wind, Wasserfall, Regen, im Geräusch von Kieselsteinen, die von der Meeresbrandung gerollt werden, in den Geräuschen, die Gewitterentladungen begleiten usw.), als auch unter den Geräuschen der Tierwelt. Manche Tiere nutzen Ultraschallwellen, um Hindernisse zu erkennen und im Weltraum zu navigieren.

Ultraschallsender lassen sich in zwei große Gruppen einteilen. Die erste umfasst Emitter-Generatoren; Schwingungen in ihnen werden durch das Vorhandensein von Hindernissen auf dem Weg einer konstanten Strömung – eines Gas- oder Flüssigkeitsstroms – angeregt. Die zweite Gruppe von Emittern sind elektroakustische Wandler; Sie wandeln bereits gegebene Schwankungen der elektrischen Spannung oder des Stroms in mechanische Schwingungen eines Festkörpers um, der akustische Wellen an die Umgebung aussendet.

Galtons Pfeife

Die erste Ultraschallpfeife wurde 1883 vom Engländer Galton hergestellt. Dabei entsteht Ultraschall, ähnlich dem hohen Ton an der Schneide eines Messers, wenn ein Luftstrom darauf trifft. Die Rolle einer solchen Spitze in einer Galton-Pfeife übernimmt eine „Lippe“ in einem kleinen zylindrischen Resonanzhohlraum. Unter hohem Druck durch einen Hohlzylinder gepresstes Gas trifft auf diese „Lippe“; Es entstehen Schwingungen, deren Frequenz (ca. 170 kHz) durch die Größe der Düse und Lippe bestimmt wird. Die Kraft von Galtons Pfeife ist gering. Es wird hauptsächlich zum Erteilen von Befehlen beim Training von Hunden und Katzen verwendet.

Flüssige Ultraschallpfeife

Die meisten Ultraschallpfeifen können für den Betrieb in flüssigen Umgebungen angepasst werden. Im Vergleich zu elektrischen Ultraschallquellen haben flüssige Ultraschallpfeifen eine geringe Leistung, haben aber manchmal, beispielsweise bei der Ultraschallhomogenisierung, einen erheblichen Vorteil. Da Ultraschallwellen direkt in einem flüssigen Medium entstehen, gibt es beim Übergang von einem Medium in ein anderes keinen Energieverlust der Ultraschallwellen. Das vielleicht erfolgreichste Design ist die flüssige Ultraschallpfeife, die die englischen Wissenschaftler Cottel und Goodman Anfang der 50er Jahre des 20. Jahrhunderts entwickelten. Dabei tritt ein Hochdruckflüssigkeitsstrahl aus einer elliptischen Düse aus und wird auf eine Stahlplatte gerichtet. Um homogene Medien zu erhalten, haben sich verschiedene Modifikationen dieses Designs weit verbreitet. Aufgrund der Einfachheit und Stabilität ihres Aufbaus (nur die Schwingplatte wird zerstört) sind solche Systeme langlebig und kostengünstig.

Sirene

Eine andere Art mechanischer Ultraschallquelle ist eine Sirene. Es hat eine relativ hohe Leistung und wird in Polizei- und Feuerwehrfahrzeugen eingesetzt. Alle Rotationssirenen bestehen aus einer Kammer, die oben durch eine Scheibe (Stator) verschlossen ist, in die zahlreiche Löcher eingebracht sind. Die gleiche Anzahl Löcher befindet sich auf der Scheibe, die sich in der Kammer dreht – dem Rotor. Während sich der Rotor dreht, stimmt die Position der Löcher darin periodisch mit der Position der Löcher im Stator überein. Der Kammer wird kontinuierlich Druckluft zugeführt, die in den kurzen Momenten, in denen die Löcher an Rotor und Stator zusammenfallen, aus ihr entweicht.

Die Hauptaufgabe bei der Herstellung von Sirenen besteht erstens darin, möglichst viele Löcher in den Rotor zu bohren und zweitens eine hohe Rotationsgeschwindigkeit zu erreichen. In der Praxis ist es jedoch sehr schwierig, beide Anforderungen zu erfüllen.

Ultraschall in der Natur

Ultraschallanwendungen

Diagnostische Anwendungen von Ultraschall in der Medizin (Ultraschall)

Aufgrund der guten Ausbreitung von Ultraschall in menschlichen Weichteilen, seiner relativen Unbedenklichkeit im Vergleich zu Röntgenstrahlen und seiner einfachen Anwendung im Vergleich zur Magnetresonanztomographie wird Ultraschall häufig zur Visualisierung des Zustands innerer Organe des Menschen, insbesondere in der Bauch- und Beckenhöhle, eingesetzt .

Therapeutische Anwendungen von Ultraschall in der Medizin

Neben seiner breiten Anwendung zu diagnostischen Zwecken (siehe Ultraschall) wird Ultraschall in der Medizin auch als Therapeutikum eingesetzt.

Ultraschall hat folgende Wirkungen:

• entzündungshemmend, absorbierend
• schmerzstillend, krampflösend
• Kavitationsverbesserung der Hautdurchlässigkeit

Die Phonophorese ist eine kombinierte Methode, bei der das Gewebe Ultraschall und mit seiner Hilfe eingebrachten Arzneimitteln (sowohl Arzneimitteln als auch natürlichen Ursprungs) ausgesetzt wird. Die Leitfähigkeit von Stoffen unter dem Einfluss von Ultraschall beruht auf einer Erhöhung der Durchlässigkeit der Epidermis und der Hautdrüsen, Zellmembranen und Gefäßwände für Stoffe mit geringem Molekulargewicht, insbesondere Bischofit-Mineralionen. Vorteile der Ultraphonophorese von Medikamenten und Naturstoffen:

• Die therapeutische Substanz wird bei der Verabreichung durch Ultraschall nicht zerstört
• Synergismus zwischen Ultraschall und Arzneimitteln

Indikationen für die Bischofit-Phonophorese: Arthrose, Osteochondrose, Arthritis, Schleimbeutelentzündung, Epicondylitis, Fersensporn, Zustände nach Verletzungen des Bewegungsapparates; Neuritis, Neuropathien, Radikulitis, Neuralgie, Nervenverletzungen.

Es wird Bischofit-Gel aufgetragen und mit der Arbeitsfläche des Strahlers eine Mikromassage des Behandlungsbereichs durchgeführt. Die Technik ist labil, wie sie für die Ultraphonophorese üblich ist (bei UVF der Gelenke und der Wirbelsäule beträgt die Intensität im Halsbereich 0,2–0,4 W/cm2, im Brust- und Lendenbereich 0,4–0,6 W/cm2).

Schneiden von Metall mit Ultraschall

Auf herkömmlichen Metallschneidemaschinen ist es unmöglich, ein schmales Loch mit komplexer Form, beispielsweise in Form eines fünfzackigen Sterns, in ein Metallteil zu bohren. Mit Hilfe von Ultraschall ist dies möglich; ein magnetostriktiver Vibrator kann ein Loch beliebiger Form bohren. Ein Ultraschallmeißel ersetzt eine Fräsmaschine vollständig. Darüber hinaus ist ein solcher Meißel viel einfacher als eine Fräsmaschine und kann Metallteile billiger und schneller bearbeiten als mit einer Fräsmaschine.

Mit Ultraschall können sogar Schrauben in Metallteile, Glas, Rubin und Diamant geschnitten werden. Typischerweise wird das Gewinde zunächst aus weichem Metall hergestellt und anschließend wird das Teil gehärtet. Auf einer Ultraschallmaschine können Gewinde in bereits gehärtetem Metall und in den härtesten Legierungen hergestellt werden. Dasselbe gilt auch für Briefmarken. Normalerweise wird der Stempel nach sorgfältiger Bearbeitung ausgehärtet. Auf einer Ultraschallmaschine erfolgt die komplexeste Bearbeitung durch Schleifmittel (Schmirgel, Korundpulver) im Feld einer Ultraschallwelle. Kontinuierlich im Ultraschallfeld oszillierend schneiden feste Pulverpartikel in die zu bearbeitende Legierung ein und schneiden ein Loch in der Form des Meißels aus.

Herstellung von Mischungen mittels Ultraschall

Ultraschall wird häufig zur Herstellung homogener Gemische (Homogenisierung) eingesetzt. Bereits 1927 entdeckten die amerikanischen Wissenschaftler Leamus und Wood, dass, wenn zwei nicht mischbare Flüssigkeiten (zum Beispiel Öl und Wasser) in ein Becherglas gegossen und mit Ultraschall bestrahlt werden, im Becherglas eine Emulsion entsteht, also eine feine Ölsuspension darin Wasser. Solche Emulsionen spielen eine wichtige Rolle in der Industrie: Lacke, Farben, pharmazeutische Produkte, Kosmetika.

Anwendung von Ultraschall in der Biologie

Die Fähigkeit von Ultraschall, Zellmembranen aufzubrechen, findet Anwendung in der biologischen Forschung, beispielsweise wenn es darum geht, eine Zelle von Enzymen zu trennen. Ultraschall wird auch verwendet, um intrazelluläre Strukturen wie Mitochondrien und Chloroplasten aufzubrechen, um den Zusammenhang zwischen ihrer Struktur und Funktion zu untersuchen. Eine weitere Verwendung von Ultraschall in der Biologie hängt mit seiner Fähigkeit zusammen, Mutationen auszulösen. In Oxford durchgeführte Untersuchungen zeigten, dass selbst Ultraschall geringer Intensität das DNA-Molekül schädigen kann. Die künstliche, gezielte Erzeugung von Mutationen spielt in der Pflanzenzüchtung eine wichtige Rolle. Der Hauptvorteil von Ultraschall gegenüber anderen Mutagenen (Röntgenstrahlen, ultraviolette Strahlen) besteht darin, dass es äußerst einfach zu handhaben ist.

Der Einsatz von Ultraschall zur Reinigung

Der Einsatz von Ultraschall zur mechanischen Reinigung beruht auf dem Auftreten verschiedener nichtlinearer Effekte in der unter seinem Einfluss stehenden Flüssigkeit. Dazu gehören Kavitation, akustische Strömungen und Schalldruck. Die Hauptrolle spielt Kavitation. Seine Blasen, die in der Nähe von Verunreinigungen entstehen und kollabieren, zerstören diese. Dieser Effekt ist bekannt als Kavitationserosion. Der für diese Zwecke verwendete Ultraschall hat niedrige Frequenzen und eine erhöhte Leistung.

Unter Labor- und Produktionsbedingungen werden mit einem Lösungsmittel (Wasser, Alkohol usw.) gefüllte Ultraschallbäder zum Waschen von Kleinteilen und Geschirr verwendet. Manchmal werden mit ihrer Hilfe sogar Wurzelgemüse (Kartoffeln, Karotten, Rüben usw.) von Bodenpartikeln gewaschen.

Anwendung von Ultraschall in der Durchflussmessung

Seit den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts werden Ultraschall-Durchflussmesser in der Industrie zur Durchflusskontrolle und Abrechnung von Wasser und Kühlmittel eingesetzt.

Anwendung von Ultraschall bei der Fehlererkennung

Ultraschall breitet sich in einigen Materialien gut aus, sodass er zur Ultraschallfehlererkennung von Produkten aus diesen Materialien verwendet werden kann. In jüngster Zeit hat sich die Richtung der Ultraschallmikroskopie weiterentwickelt, die es ermöglicht, die Untergrundschicht eines Materials mit guter Auflösung zu untersuchen.

Ultraschallschweißen

Beim Ultraschallschweißen handelt es sich um Druckschweißen, das unter dem Einfluss von Ultraschallschwingungen durchgeführt wird. Diese Art des Schweißens wird verwendet, um Teile zu verbinden, die schwer zu erhitzen sind, oder wenn ungleiche Metalle oder Metalle mit starken Oxidschichten (Aluminium, rostfreie Stähle, Permalloy-Magnetkreise usw.) verbunden werden. Dies wird bei der Herstellung integrierter Schaltkreise verwendet.

Russische Enzyklopädie des Arbeitsschutzes

Elastische Wellen mit Frequenzen ca. von (1,5 2) 104 Hz (15 20 kHz) bis 109 Hz (1 GHz); Frequenzbereich U. von 109 bis 1012 1013 Hz wird üblicherweise genannt. Hyperschall. Der Frequenzbereich des U. ist zweckmäßigerweise in drei Bereiche unterteilt: U. niedrige Frequenzen (1,5 104 105 Hz), U. ... ... Physische Enzyklopädie

ULTRASCHALL, elastische Wellen, die für das menschliche Ohr nicht hörbar sind und deren Frequenz 20 kHz überschreitet. Ultraschall ist im Wind- und Meereslärm enthalten, wird von einer Reihe von Tieren (Fledermäusen, Delfinen, Fischen, Insekten usw.) ausgesendet und wahrgenommen, ist im Lärm vorhanden... ... Moderne Enzyklopädie

Für das menschliche Ohr unhörbare elastische Wellen, deren Frequenz 20 kHz überschreitet. Ultraschall ist im Wind- und Meereslärm enthalten, wird von zahlreichen Tieren (Fledermäusen, Fischen, Insekten etc.) ausgesendet und wahrgenommen und ist im Autolärm vorhanden. Benutzt in... ... Großes enzyklopädisches Wörterbuch

Elastische Wellen mit Schwingungsfrequenzen von 20 kHz bis 1 GHz. Die wichtigsten Einsatzgebiete von Ultraschall sind Sonar, Unterwasserkommunikation, Navigation, Waffenzielsuche, Tiefseeerkundung usw. EdwART. Erklärendes Marinewörterbuch, 2010 ... Marinewörterbuch

Ultraschall- elastische Schwingungen und Wellen mit Frequenzen oberhalb des menschlichen Hörbereichs...

Das 21. Jahrhundert ist das Jahrhundert der Radioelektronik, des Atoms, der Weltraumforschung und des Ultraschalls. Die Wissenschaft des Ultraschalls ist heutzutage relativ jung. Ende des 19. Jahrhunderts führte P. N. Lebedev, ein russischer Wissenschaftler und Physiologe, seine ersten Studien durch. Danach begannen viele prominente Wissenschaftler, Ultraschall zu untersuchen.

Was ist Ultraschall?

Ultraschall ist eine sich ausbreitende wellenartige Schwingungsbewegung, die von Partikeln eines Mediums ausgeführt wird. Es verfügt über eigene Eigenschaften, die es von Geräuschen im hörbaren Bereich unterscheiden. Es ist relativ einfach, gerichtete Strahlung im Ultraschallbereich zu erhalten. Darüber hinaus fokussiert es gut und dadurch erhöht sich die Intensität der ausgeführten Vibrationen. Bei der Ausbreitung in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen entstehen durch Ultraschall interessante Phänomene, die in vielen Bereichen der Technik und Wissenschaft praktische Anwendung finden. Das ist Ultraschall, der heute in verschiedenen Lebensbereichen eine sehr große Rolle spielt.

Die Rolle des Ultraschalls in Wissenschaft und Praxis

Ultraschall hat in den letzten Jahren eine immer wichtigere Rolle in der wissenschaftlichen Forschung gespielt. Es wurden erfolgreich experimentelle und theoretische Forschungen auf dem Gebiet der akustischen Strömungen und der Ultraschallkavitation durchgeführt, die es den Wissenschaftlern ermöglichten, technologische Prozesse zu entwickeln, die bei der Einwirkung von Ultraschall in der flüssigen Phase ablaufen. Es ist eine leistungsstarke Methode zur Untersuchung verschiedener Phänomene in einem Wissensgebiet wie der Physik. Ultraschall wird beispielsweise in der Halbleiter- und Festkörperphysik eingesetzt. Heute entsteht ein eigener Zweig der Chemie, die „Ultraschallchemie“. Sein Einsatz ermöglicht die Beschleunigung vieler chemischer und technologischer Prozesse. Es entstand auch die Molekularakustik – ein neuer Zweig der Akustik, der die molekulare Wechselwirkung mit Materie untersucht: Holographie, Introskopie, Akustoelektronik, Ultraschallphasenmetrie, Quantenakustik.

Neben experimentellen und theoretischen Arbeiten auf diesem Gebiet wurden heute auch viele praktische Arbeiten durchgeführt. Es wurden spezielle und universelle Ultraschallmaschinen, Anlagen, die unter erhöhtem statischen Druck arbeiten, usw. entwickelt. In Produktionslinien enthaltene automatische Ultraschallanlagen wurden in die Produktion eingeführt, was die Arbeitsproduktivität erheblich steigern kann.

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Lassen Sie uns Ihnen mehr darüber erzählen, was Ultraschall ist. Wir haben bereits gesagt, dass es sich um elastische Wellen handelt und Ultraschall mehr als 15–20 kHz beträgt. Die subjektiven Eigenschaften unseres Gehörs bestimmen die untere Grenze der Ultraschallfrequenzen, die sie von der Frequenz des hörbaren Schalls trennt. Diese Grenze ist daher willkürlich und jeder von uns definiert den Begriff Ultraschall anders. Die Obergrenze wird durch elastische Wellen, ihre physikalische Natur, angezeigt. Sie breiten sich nur in einem materiellen Medium aus, das heißt, die Wellenlänge muss deutlich größer sein als die freie Weglänge der im Gas vorhandenen Moleküle oder die interatomaren Abstände in Festkörpern und Flüssigkeiten. Bei Normaldruck liegt die Obergrenze der Ultraschallfrequenzen in Gasen bei 10 9 Hz und in Feststoffen und Flüssigkeiten bei 10 12 -10 13 Hz.

Ultraschallquellen

Ultraschall kommt in der Natur sowohl als Bestandteil vieler natürlicher Geräusche (Wasserfälle, Wind, Regen, von der Brandung gerollte Kieselsteine, als auch in den Geräuschen, die Gewitterentladungen usw. begleiten) und als integraler Bestandteil der Tierwelt vor. Einige Tierarten nutzen es, um im Weltraum zu navigieren und Hindernisse zu erkennen. Es ist auch bekannt, dass Delfine in der Natur Ultraschall verwenden (hauptsächlich Frequenzen von 80 bis 100 kHz). In diesem Fall kann die Leistung der von ihnen ausgesendeten Ortungssignale sehr hoch sein. Es ist bekannt, dass Delfine in der Lage sind, Fischschwärme zu erkennen, die sich bis zu einem Kilometer von ihnen entfernt befinden.

Ultraschallsender (Quellen) werden in 2 große Gruppen eingeteilt. Die ersten sind Generatoren, bei denen Schwingungen angeregt werden, weil Hindernisse im Weg einer konstanten Strömung – einem Flüssigkeits- oder Gasstrahl – liegen. Die zweite Gruppe, zu der Ultraschallquellen zusammengefasst werden können, sind elektroakustische Wandler, die gegebene Schwankungen von Strom oder elektrischer Spannung in mechanische Schwingungen umwandeln, die von einem Festkörper erzeugt werden und akustische Wellen an die Umgebung abgeben.

Ultraschallempfänger

Im Durchschnitt handelt es sich bei Ultraschallempfängern meist um elektroakustische Wandler vom piezoelektrischen Typ. Sie können die Form des empfangenen akustischen Signals reproduzieren, dargestellt als Zeitabhängigkeit des Schalldrucks. Abhängig von den Einsatzbedingungen, für die sie vorgesehen sind, können Geräte entweder breitbandig oder resonant sein. Wärmeempfänger werden verwendet, um zeitlich gemittelte Schallfeldeigenschaften zu erhalten. Dabei handelt es sich um Thermistoren oder Thermoelemente, die mit einer schallabsorbierenden Substanz beschichtet sind. Schalldruck und -intensität können auch mit optischen Methoden, beispielsweise der Lichtbeugung durch Ultraschall, beurteilt werden.

Wo wird Ultraschall eingesetzt?

Es gibt viele Anwendungsbereiche, in denen verschiedene Funktionen des Ultraschalls genutzt werden. Diese Bereiche lassen sich grob in drei Bereiche unterteilen. Die erste davon ist mit der Gewinnung verschiedener Informationen durch Ultraschallwellen verbunden. Die zweite Richtung ist der aktive Einfluss auf den Stoff. Und der dritte betrifft die Übertragung und Verarbeitung von Signalen. Im Einzelfall kommt ein spezieller Ultraschall zum Einsatz. Wir werden Ihnen nur einige der vielen Anwendungsbereiche vorstellen, in denen es Anwendung gefunden hat.

Ultraschallreinigung

Die Qualität einer solchen Reinigung ist mit anderen Methoden nicht zu vergleichen. Beim Spülen von Teilen bleiben beispielsweise bis zu 80 % der Verunreinigungen auf der Oberfläche zurück, bei der Vibrationsreinigung etwa 55 %, bei der manuellen Reinigung etwa 20 % und bei der Ultraschallreinigung bleiben nicht mehr als 0,5 % der Verunreinigungen zurück. Komplex geformte Teile können nur mit Ultraschall gründlich gereinigt werden. Ein wichtiger Vorteil seines Einsatzes ist die hohe Produktivität sowie die geringen physischen Arbeitskosten. Darüber hinaus ist es möglich, teure und brennbare organische Lösungsmittel durch billige und sichere wässrige Lösungen zu ersetzen, flüssiges Freon zu verwenden usw.

Ein ernstes Problem ist die Luftverschmutzung durch Ruß, Rauch, Staub, Metalloxide usw. Sie können die Ultraschallmethode zur Reinigung von Luft und Gas in Gasauslässen verwenden, unabhängig von Luftfeuchtigkeit und Temperatur. Wenn ein Ultraschallsender in einer Staubsedimentationskammer platziert wird, erhöht sich seine Wirksamkeit um das Hundertfache. Was ist das Wesentliche einer solchen Reinigung? Staubpartikel, die sich zufällig in der Luft bewegen, treffen unter dem Einfluss von Ultraschallschwingungen stärker und häufiger aufeinander. Gleichzeitig nimmt ihre Größe durch die Verschmelzung zu. Koagulation ist der Prozess der Partikelvergrößerung. Spezielle Filter fangen schwere und vergrößerte Ansammlungen davon auf.

Mechanische Bearbeitung spröder und ultraharter Werkstoffe

Wenn Sie zwischen dem Werkstück und der Arbeitsfläche ein Werkzeug mit Ultraschall einführen, beginnen die Schleifpartikel während des Betriebs des Strahlers auf die Oberfläche dieses Teils einzuwirken. In diesem Fall wird das Material zerstört und entfernt und einer Verarbeitung unter dem Einfluss vieler gerichteter Mikroeinwirkungen unterzogen. Die Kinematik der Bearbeitung besteht aus der Hauptbewegung – dem Schneiden, also den vom Werkzeug ausgeführten Längsschwingungen, und einer Hilfsbewegung – der Vorschubbewegung, die vom Gerät ausgeführt wird.

Ultraschall kann eine Vielzahl von Dingen bewirken. Bei Schleifkörnern sind Längsschwingungen die Energiequelle. Sie zerstören das verarbeitete Material. Die Vorschubbewegung (Hilfsbewegung) kann kreisförmig, quer und längs erfolgen. Die Ultraschallverarbeitung weist eine höhere Genauigkeit auf. Abhängig von der Korngröße des Schleifmittels liegt sie zwischen 50 und 1 Mikrometer. Mit Werkzeugen unterschiedlicher Form können Sie nicht nur Löcher, sondern auch komplexe Schnitte, gebogene Achsen, Gravieren, Schleifen, Stempel herstellen und sogar Diamanten bohren. Als Schleifmittel werden Korund, Diamant, Quarzsand und Feuerstein verwendet.

Ultraschall in der Radioelektronik

Ultraschall wird in der Technik häufig im Bereich der Funkelektronik eingesetzt. In diesem Bereich besteht häufig die Notwendigkeit, ein elektrisches Signal relativ zu einem anderen zu verzögern. Wissenschaftler haben eine erfolgreiche Lösung gefunden, indem sie den Einsatz von Ultraschallverzögerungsleitungen (abgekürzt LZ) vorgeschlagen haben. Ihre Wirkung beruht darauf, dass elektrische Impulse in Ultraschallimpulse umgewandelt werden. Tatsache ist, dass die Geschwindigkeit des Ultraschalls deutlich geringer ist als die, die erzeugt wird. Der Spannungsimpuls wird nach der Rückumwandlung in elektrische mechanische Schwingungen am Ausgang der Leitung relativ zum Eingangsimpuls verzögert.

Piezoelektrische und magnetostriktive Wandler werden zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in mechanische und umgekehrt eingesetzt. Dementsprechend werden LZs in piezoelektrische und magnetostriktive unterteilt.

Ultraschall in der Medizin

Zur Beeinflussung lebender Organismen werden verschiedene Arten von Ultraschall eingesetzt. Seine Verwendung erfreut sich mittlerweile in der medizinischen Praxis großer Beliebtheit. Es basiert auf den Effekten, die in biologischen Geweben auftreten, wenn Ultraschall diese durchdringt. Die Wellen verursachen Vibrationen der Partikel des Mediums, wodurch eine Art Mikromassage des Gewebes entsteht. Und die Absorption von Ultraschall führt zu ihrer lokalen Erwärmung. Gleichzeitig finden in biologischen Medien bestimmte physikalisch-chemische Umwandlungen statt. Bei mäßiger Schallintensität führen diese Phänomene nicht zu irreversiblen Schäden. Sie verbessern lediglich den Stoffwechsel und tragen somit zur Funktion des ihnen ausgesetzten Organismus bei. Solche Phänomene werden in der Ultraschalltherapie genutzt.

Ultraschall in der Chirurgie

Kavitation und starke Erwärmung bei hohen Intensitäten führen zur Gewebezerstörung. Dieser Effekt wird heute in der Chirurgie genutzt. Bei chirurgischen Eingriffen wird fokussierter Ultraschall eingesetzt, der eine lokale Zerstörung tiefster Strukturen (z. B. des Gehirns) ermöglicht, ohne die umliegenden Strukturen zu beschädigen. In der Chirurgie kommen auch Ultraschallinstrumente zum Einsatz, deren Arbeitsende wie eine Feile, ein Skalpell oder eine Nadel aussieht. Die ihnen überlagerten Schwingungen verleihen diesen Geräten neue Qualitäten. Die erforderliche Kraft wird deutlich reduziert, wodurch die Traumatisierung der Operation verringert wird. Darüber hinaus zeigt sich eine analgetische und blutstillende Wirkung. Die Einwirkung eines stumpfen Instruments mittels Ultraschall wird verwendet, um bestimmte Arten von Tumoren, die im Körper aufgetreten sind, zu zerstören.

Die Einwirkung auf biologisches Gewebe dient der Zerstörung von Mikroorganismen und wird bei der Sterilisation von Medikamenten und medizinischen Instrumenten eingesetzt.

Untersuchung innerer Organe

Grundsätzlich handelt es sich um die Untersuchung der Bauchhöhle. Zu diesem Zweck wird ein spezielles Gerät verwendet. Mit Ultraschall können verschiedene Gewebeanomalien und anatomische Strukturen gefunden und erkannt werden. Die Aufgabenstellung lautet oft wie folgt: Es besteht der Verdacht auf das Vorliegen einer bösartigen Formation und es gilt, diese von einer gutartigen oder infektiösen Formation zu unterscheiden.

Ultraschall eignet sich zur Untersuchung der Leber und zur Lösung anderer Probleme, darunter die Erkennung von Verstopfungen und Erkrankungen der Gallenwege sowie die Untersuchung der Gallenblase, um das Vorhandensein von Steinen und anderen Pathologien festzustellen. Darüber hinaus kann die Untersuchung von Leberzirrhose und anderen diffusen gutartigen Lebererkrankungen eingesetzt werden.

Im Bereich der Gynäkologie, vor allem bei der Analyse der Eierstöcke und der Gebärmutter, ist der Einsatz von Ultraschall seit langem die Hauptrichtung, in der er besonders erfolgreich durchgeführt wird. Oftmals erfordert dies auch die Unterscheidung zwischen gutartigen und bösartigen Gebilden, die in der Regel den besten Kontrast und die beste räumliche Auflösung erfordert. Ähnliche Schlussfolgerungen können bei der Untersuchung vieler anderer innerer Organe nützlich sein.

Anwendung von Ultraschall in der Zahnheilkunde

Auch in der Zahnheilkunde findet Ultraschall Anwendung, wo er zur Entfernung von Zahnstein eingesetzt wird. Es ermöglicht Ihnen eine schnelle, unblutige und schmerzfreie Entfernung von Plaque und Steinen. In diesem Fall wird die Mundschleimhaut nicht verletzt und die „Taschen“ der Höhle werden desinfiziert. Anstelle von Schmerzen verspürt der Patient ein Wärmegefühl.

Wenn ein Körper in einem elastischen Medium schneller schwingt, als das Medium Zeit hat, ihn zu umströmen, wird das Medium durch seine Bewegung entweder komprimiert oder verdünnt. Hoch- und Niederdruckschichten streuen vom Schwingkörper in alle Richtungen und bilden Schallwellen. Wenn die Schwingungen des Körpers, die die Welle erzeugen, mindestens 16 Mal pro Sekunde, höchstens 18.000 Mal pro Sekunde aufeinander folgen, dann hört das menschliche Ohr sie.

Frequenzen zwischen 16 und 18.000 Hz, die das menschliche Hörgerät wahrnehmen kann, nennt man üblicherweise Schallfrequenzen, beispielsweise das Quietschen einer Mücke »10 kHz. Aber die Luft, die Tiefen der Meere und die Eingeweide der Erde sind erfüllt von Geräuschen, die unterhalb und oberhalb dieses Bereichs liegen – Infra und Ultraschall. In der Natur kommt Ultraschall als Bestandteil vieler natürlicher Geräusche vor: im Geräusch von Wind, Wasserfällen, Regen, von der Brandung gerollten Meereskieseln und in Gewittern. Viele Säugetiere wie Katzen und Hunde haben die Fähigkeit, Ultraschall mit einer Frequenz von bis zu 100 kHz wahrzunehmen, und die Ortungsfähigkeiten von Fledermäusen, nachtaktiven Insekten und Meerestieren sind jedem bekannt. Die Existenz unhörbarer Klänge wurde mit der Entwicklung der Akustik Ende des 19. Jahrhunderts entdeckt. Gleichzeitig begannen die ersten Untersuchungen zum Ultraschall, doch der Grundstein für seinen Einsatz wurde erst im ersten Drittel des 20. Jahrhunderts gelegt.

Die untere Grenze des Ultraschallbereichs nennt man elastische Schwingungen mit einer Frequenz von 18 kHz. Die Obergrenze des Ultraschalls wird durch die Natur elastischer Wellen bestimmt, die sich nur unter der Bedingung ausbreiten können, dass die Wellenlänge deutlich größer ist als die freie Weglänge von Molekülen (in Gasen) oder die interatomaren Abstände (in Flüssigkeiten und Gasen). In Gasen liegt die Obergrenze bei »106 kHz, in Flüssigkeiten und Feststoffen bei »1010 kHz. Als Ultraschall werden in der Regel Frequenzen bis 106 kHz bezeichnet. Höhere Frequenzen werden allgemein als Hyperschall bezeichnet.

Ultraschallwellen unterscheiden sich naturgemäß nicht von Wellen im hörbaren Bereich und gehorchen denselben physikalischen Gesetzen. Aber Ultraschall weist spezifische Merkmale auf, die seine weitverbreitete Verwendung in Wissenschaft und Technik bestimmt haben. Hier sind die wichtigsten:

• Kurze Wellenlänge. Im niedrigsten Ultraschallbereich überschreitet die Wellenlänge in den meisten Medien mehrere Zentimeter nicht. Die kurze Wellenlänge bestimmt die Strahlcharakteristik der Ausbreitung von Ultraschallwellen. In der Nähe des Emitters breitet sich Ultraschall in Form von Strahlen aus, deren Größe der Größe des Emitters entspricht. Beim Auftreffen auf Inhomogenitäten im Medium verhält sich der Ultraschallstrahl wie ein Lichtstrahl, der Reflexion, Brechung und Streuung erfährt, was die Erzeugung von Klangbildern in optisch undurchsichtigen Medien durch rein optische Effekte (Fokussierung, Beugung usw.) ermöglicht.
• Eine kurze Schwingungsperiode, die es ermöglicht, Ultraschall in Form von Impulsen auszusenden und eine präzise zeitliche Auswahl der sich im Medium ausbreitenden Signale durchzuführen.
• Möglichkeit, hohe Schwingungsenergiewerte bei geringer Amplitude zu erhalten, weil Die Schwingungsenergie ist proportional zum Quadrat der Frequenz. Dadurch ist es möglich, Ultraschallstrahlen und -felder mit hoher Energie zu erzeugen, ohne dass große Geräte erforderlich sind.
• Im Ultraschallfeld entstehen erhebliche akustische Ströme. Daher führt die Einwirkung von Ultraschall auf die Umwelt zu spezifischen Wirkungen: physikalischer, chemischer, biologischer und medizinischer Natur. Wie Kavitation, Schallkapillareffekt, Dispersion, Emulgierung, Entgasung, Desinfektion, lokale Erwärmung und viele andere.
• Ultraschall ist nicht hörbar und verursacht für das Bedienpersonal keine Beschwerden.

Geschichte des Ultraschalls. Wer hat Ultraschall entdeckt?

Die Aufmerksamkeit für die Akustik wurde durch die Bedürfnisse der Marinen der führenden Mächte – England und Frankreich – geweckt Akustische Signale sind die einzige Signalart, die sich im Wasser weit ausbreiten kann. Im Jahr 1826 Französischer Wissenschaftler Colladon bestimmte die Schallgeschwindigkeit im Wasser. Colladons Experiment gilt als Geburtsstunde der modernen Hydroakustik. Die Unterwasserglocke im Genfersee wurde unter gleichzeitiger Zündung von Schießpulver angeschlagen. Der Blitz des Schießpulvers wurde von Colladon in einer Entfernung von 10 Meilen beobachtet. Er hörte auch den Klang der Glocke mithilfe eines Unterwasser-Hörschlauchs. Durch Messung des Zeitintervalls zwischen diesen beiden Ereignissen berechnete Colladon eine Schallgeschwindigkeit von 1435 m/s. Der Unterschied zu modernen Berechnungen beträgt nur 3 m/sec.

Im Jahr 1838 wurde in den USA erstmals Schall zur Bestimmung des Profils des Meeresbodens für die Verlegung eines Telegrafenkabels eingesetzt. Die Quelle des Schalls war, wie in Colladons Experiment, eine Glocke, die unter Wasser ertönte, und der Empfänger waren große Hörröhren, die über die Seite des Schiffes herabgelassen wurden. Die Ergebnisse des Experiments waren enttäuschend. Der Klang der Glocke (ebenso wie die Explosion von Schießpulverpatronen im Wasser) erzeugte ein zu schwaches Echo, das unter den anderen Geräuschen des Meeres kaum zu hören war. Es war notwendig, in den Bereich höherer Frequenzen vorzudringen, um gerichtete Schallstrahlen zu erzeugen.

Erster Ultraschallgenerator 1883 von einem Engländer hergestellt Francis Galton. Ultraschall entsteht wie ein Pfeifen auf der Schneide eines Messers, wenn man darauf bläst. Die Rolle einer solchen Spitze in Galtons Pfeife spielte ein Zylinder mit scharfen Kanten. Luft oder ein anderes Gas, das unter Druck durch eine Ringdüse mit dem gleichen Durchmesser wie der Rand des Zylinders austrat, lief auf den Rand und es traten hochfrequente Schwingungen auf. Durch das Anblasen der Pfeife mit Wasserstoff konnten Schwingungen von bis zu 170 kHz erzeugt werden.

Im Jahr 1880 Pierre und Jacques Curie machte eine für die Ultraschalltechnik entscheidende Entdeckung. Die Curie-Brüder stellten fest, dass bei der Ausübung von Druck auf Quarzkristalle eine elektrische Ladung erzeugt wurde, die direkt proportional zur auf den Kristall ausgeübten Kraft war. Dieses Phänomen wurde „Piezoelektrizität“ genannt, abgeleitet vom griechischen Wort für „drücken“. Sie demonstrierten auch den inversen piezoelektrischen Effekt, der auftritt, wenn ein sich schnell änderndes elektrisches Potenzial an den Kristall angelegt wird und ihn in Schwingungen versetzt. Ab sofort ist es technisch möglich, Ultraschallsender und -empfänger in kleinen Abmessungen herzustellen.

Der Tod der Titanic durch eine Kollision mit einem Eisberg und die Notwendigkeit, neue Waffen – U-Boote – zu bekämpfen, erforderten eine rasche Entwicklung der Ultraschall-Hydroakustik. Im Jahr 1914 französischer Physiker Paul Langevin Zusammen mit dem talentierten russischen Emigrantenwissenschaftler Konstantin Wassiljewitsch Schilowski entwickelten sie zunächst ein Sonar, bestehend aus einem Ultraschallsender und einem Hydrophon – einem Empfänger von Ultraschallschwingungen, basierend auf dem piezoelektrischen Effekt. Sonar Langevin-Shilovsky war das erste Ultraschallgerät, in der Praxis verwendet. Gleichzeitig entwickelte der russische Wissenschaftler S.Ya. Sokolov die Grundlagen der Ultraschall-Fehlererkennung in der Industrie. 1937 nutzte der deutsche Psychiater Karl Dussick zusammen mit seinem Bruder Friedrich, einem Physiker, erstmals Ultraschall zur Erkennung von Hirntumoren, doch die Ergebnisse erwiesen sich als unzuverlässig. In der medizinischen Praxis wurde Ultraschall erst in den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts in den USA eingesetzt.

Ultraschall empfangen.

Ultraschallsender lassen sich in zwei große Gruppen einteilen:

1) Schwingungen werden durch Hindernisse auf dem Weg eines Gas- oder Flüssigkeitsstroms oder durch die Unterbrechung eines Gas- oder Flüssigkeitsstroms angeregt. Sie werden in begrenztem Umfang hauptsächlich zur Erzeugung leistungsstarken Ultraschalls in einer gasförmigen Umgebung eingesetzt.

2) Schwingungen werden durch die Umwandlung von Strom oder Spannung in mechanische Schwingungen angeregt. Die meisten Ultraschallgeräte verwenden Sender dieser Gruppe: piezoelektrische und magnetostriktive Wandler.

Neben Wandlern, die auf dem piezoelektrischen Effekt basieren, werden auch magnetostriktive Wandler zur Erzeugung eines leistungsstarken Ultraschallstrahls eingesetzt. Unter Magnetostriktion versteht man eine Größenänderung von Körpern, wenn sich ihr magnetischer Zustand ändert. Ein Kern aus magnetostriktivem Material, der in einer leitenden Wicklung platziert ist, ändert seine Länge entsprechend der Form des durch die Wicklung fließenden Stromsignals. Dieses 1842 von James Joule entdeckte Phänomen ist charakteristisch für Ferromagnete und Ferrite. Die am häufigsten verwendeten magnetostriktiven Materialien sind Legierungen auf Basis von Nickel, Kobalt, Eisen und Aluminium. Die höchste Intensität der Ultraschallstrahlung kann durch die Permendur-Legierung (49 % Co, 2 % V, Rest Fe) erreicht werden, die in leistungsstarken Ultraschallstrahlern eingesetzt wird. Insbesondere die von unserem Unternehmen hergestellten.

Anwendung von Ultraschall.

Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Ultraschall lassen sich in drei Bereiche unterteilen:

• Informationen über einen Stoff erhalten
• Wirkung auf den Stoff
• Signalverarbeitung und -übertragung

Die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit und Dämpfung akustischer Wellen von den Eigenschaften der Materie und den darin ablaufenden Prozessen wird in folgenden Untersuchungen genutzt:

• Untersuchung molekularer Prozesse in Gasen, Flüssigkeiten und Polymeren
• Studium der Struktur von Kristallen und anderen Festkörpern
• Kontrolle chemischer Reaktionen, Phasenübergänge, Polymerisation usw.
• Bestimmung der Lösungskonzentration
• Bestimmung der Festigkeitseigenschaften und Zusammensetzung von Materialien
• Bestimmung des Vorhandenseins von Verunreinigungen
• Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit von Flüssigkeit und Gas

Informationen über die molekulare Struktur eines Stoffes erhält man durch die Messung der Geschwindigkeit und des Absorptionskoeffizienten des darin enthaltenen Schalls. Damit können Sie die Konzentration von Lösungen und Suspensionen in Pulpen und Flüssigkeiten messen, den Fortschritt der Extraktion, Polymerisation, Alterung und die Kinetik chemischer Reaktionen überwachen. Die Genauigkeit der Bestimmung der Stoffzusammensetzung und des Vorhandenseins von Verunreinigungen mittels Ultraschall ist sehr hoch und liegt im Bruchteil eines Prozents.

Die Messung der Schallgeschwindigkeit in Festkörpern ermöglicht die Bestimmung der elastischen und Festigkeitseigenschaften von Strukturmaterialien. Diese indirekte Methode zur Festigkeitsbestimmung ist aufgrund ihrer Einfachheit und der Möglichkeit der Anwendung unter realen Bedingungen praktisch.

Ultraschall-Gasanalysatoren überwachen die Ansammlung gefährlicher Verunreinigungen. Die Abhängigkeit der Ultraschallgeschwindigkeit von der Temperatur wird zur berührungslosen Thermometrie von Gasen und Flüssigkeiten genutzt.

Ultraschall-Durchflussmesser, die auf dem Doppler-Effekt arbeiten, basieren auf der Messung der Schallgeschwindigkeit in bewegten Flüssigkeiten und Gasen, einschließlich inhomogener Flüssigkeiten (Emulsionen, Suspensionen, Brei). Ähnliche Geräte werden zur Bestimmung der Blutgeschwindigkeit und -flussrate in klinischen Studien verwendet.

Eine große Gruppe von Messmethoden basiert auf der Reflexion und Streuung von Ultraschallwellen an Mediengrenzen. Mit diesen Methoden können Sie den Standort von Fremdkörpern in der Umgebung genau bestimmen und werden in folgenden Bereichen eingesetzt:

• Sonar
• zerstörungsfreie Prüfung und Fehlererkennung
• medizinische Diagnostik
• Bestimmung des Füllstands von Flüssigkeiten und Feststoffen in geschlossenen Behältern
• Bestimmung der Produktgrößen
• Visualisierung von Schallfeldern – Klangbild und akustische Holographie

Reflexion, Brechung und die Fähigkeit, Ultraschall zu fokussieren, werden bei der Ultraschall-Fehlererkennung, in Ultraschall-Akustikmikroskopen, in der medizinischen Diagnostik und zur Untersuchung von Makroinhomogenitäten einer Substanz eingesetzt. Das Vorhandensein von Inhomogenitäten und deren Koordinaten werden durch reflektierte Signale oder durch die Struktur des Schattens bestimmt.

Messverfahren, die auf der Abhängigkeit der Parameter eines resonanten Schwingsystems von den Eigenschaften des es belastenden Mediums (Impedanz) basieren, werden zur kontinuierlichen Messung der Viskosität und Dichte von Flüssigkeiten sowie zur Messung der Dicke nur zugänglicher Teile eingesetzt von einer Seite. Das gleiche Prinzip liegt Ultraschall-Härteprüfgeräten, Füllstandsmessgeräten und Füllstandsschaltern zugrunde. Vorteile von Ultraschallprüfmethoden: kurze Messzeit, die Möglichkeit, explosive, aggressive und toxische Umgebungen zu kontrollieren, keine Auswirkungen des Instruments auf die kontrollierte Umgebung und die Prozesse.

Die Wirkung von Ultraschall auf eine Substanz.

Die Einwirkung von Ultraschall auf einen Stoff, die zu irreversiblen Veränderungen führt, wird in der Industrie häufig genutzt. Gleichzeitig sind die Wirkungsmechanismen von Ultraschall je nach Umgebung unterschiedlich. Der Hauptwirkungsfaktor in Gasen sind akustische Strömungen, die Wärme- und Stoffübertragungsprozesse beschleunigen. Darüber hinaus ist die Effizienz des Ultraschallmischens deutlich höher als beim herkömmlichen hydrodynamischen Mischen, weil die Grenzschicht hat eine geringere Dicke und dadurch einen größeren Temperatur- bzw. Konzentrationsgradienten. Dieser Effekt wird in Prozessen genutzt wie:

• Ultraschalltrocknung
• Verbrennung im Ultraschallfeld
• Aerosolkoagulation

Bei der Ultraschallbearbeitung von Flüssigkeiten ist der Hauptbetriebsfaktor Hohlraumbildung . Folgende technologische Verfahren basieren auf dem Kavitationseffekt:

• Ultraschallreinigung
• Metallisierung und Löten
• Schallkapillareffekt – Eindringen von Flüssigkeiten in kleinste Poren und Risse. Es wird zur Imprägnierung poröser Materialien verwendet und kommt bei jeder Ultraschallbearbeitung von Feststoffen in Flüssigkeiten vor.
• Kristallisation
• Intensivierung elektrochemischer Prozesse
• Gewinnung von Aerosolen
• Zerstörung von Mikroorganismen und Ultraschallsterilisation von Instrumenten

Akustische Strömungen- einer der Hauptmechanismen des Einflusses von Ultraschall auf einen Stoff. Sie entsteht durch die Absorption von Ultraschallenergie im Stoff und in der Grenzschicht. Akustische Strömungen unterscheiden sich von hydrodynamischen Strömungen durch die geringe Dicke der Grenzschicht und die Möglichkeit ihrer Ausdünnung mit zunehmender Schwingungsfrequenz. Dies führt zu einer Verringerung der Dicke der Temperatur- oder Konzentrationsgrenzschicht und zu einem Anstieg der Temperatur- oder Konzentrationsgradienten, die die Geschwindigkeit des Wärme- oder Stoffübergangs bestimmen. Dies trägt dazu bei, die Prozesse der Verbrennung, Trocknung, Mischung, Destillation, Diffusion, Extraktion, Imprägnierung, Sorption, Kristallisation, Auflösung und Entgasung von Flüssigkeiten und Schmelzen zu beschleunigen. Bei einer hochenergetischen Strömung erfolgt der Einfluss der akustischen Welle aufgrund der Energie der Strömung selbst durch Änderung ihrer Turbulenz. In diesem Fall kann die akustische Energie nur einen Bruchteil eines Prozents der Strömungsenergie betragen.

Wenn eine hochintensive Schallwelle eine Flüssigkeit durchdringt, ein sogenannter akustische Kavitation . In einer intensiven Schallwelle treten während Halbperioden der Verdünnung Kavitationsblasen auf, die beim Übergang in einen Bereich mit hohem Druck stark kollabieren. Im Kavitationsbereich entstehen starke hydrodynamische Störungen in Form von Mikrostoßwellen und Mikroströmungen. Darüber hinaus geht das Zusammenfallen von Blasen mit einer starken lokalen Erwärmung der Substanz und der Freisetzung von Gas einher. Eine solche Einwirkung führt zur Zerstörung selbst langlebiger Substanzen wie Stahl und Quarz. Dieser Effekt wird genutzt, um Feststoffe zu dispergieren, feine Emulsionen nicht mischbarer Flüssigkeiten herzustellen, chemische Reaktionen anzuregen und zu beschleunigen, Mikroorganismen zu zerstören und Enzyme aus tierischen und pflanzlichen Zellen zu extrahieren. Kavitation verursacht auch solche Effekte wie ein schwaches Leuchten einer Flüssigkeit unter dem Einfluss von Ultraschall - Sonolumineszenz und ungewöhnlich tiefes Eindringen von Flüssigkeit in die Kapillaren – sonokapillarer Effekt .

Die Kavitationsdispersion von Calciumcarbonatkristallen (Zunder) ist die Grundlage für akustische Antikalkgeräte. Unter dem Einfluss von Ultraschall spalten sich Partikel im Wasser, ihre durchschnittliche Größe verringert sich von 10 auf 1 Mikrometer, ihre Anzahl und die Gesamtoberfläche der Partikel nehmen zu. Dies führt dazu, dass der Kesselsteinbildungsprozess von der Wärmeaustauschfläche direkt in die Flüssigkeit übertragen wird. Ultraschall beeinflusst auch die gebildete Zunderschicht und bildet darin Mikrorisse, die zum Abbrechen von Zunderstücken von der Wärmetauscheroberfläche beitragen.

In Ultraschallreinigungsanlagen werden mit Hilfe der Kavitation und der von ihr erzeugten Mikroströmungen sowohl hart an der Oberfläche gebundene Verunreinigungen wie Zunder, Zunder, Grate als auch weiche Verunreinigungen wie Fettfilme, Schmutz usw. entfernt. Der gleiche Effekt wird zur Intensivierung elektrolytischer Prozesse genutzt.

Unter dem Einfluss von Ultraschall kommt es zu einem so merkwürdigen Effekt wie der akustischen Koagulation, d.h. Konvergenz und Vergrößerung suspendierter Partikel in Flüssigkeiten und Gasen. Der physikalische Mechanismus dieses Phänomens ist noch nicht vollständig geklärt. Die akustische Koagulation wird zur Abscheidung von industriellen Stäuben, Dämpfen und Nebeln bei für Ultraschall niedrigen Frequenzen bis zu 20 kHz eingesetzt. Möglicherweise beruht die wohltuende Wirkung des Läutens von Kirchenglocken auf diesem Effekt.

Die mechanische Bearbeitung von Feststoffen mittels Ultraschall beruht auf folgenden Effekten:

• Verringerung der Reibung zwischen Oberflächen während der Ultraschallschwingungen einer von ihnen
• Abnahme der Streckgrenze oder plastische Verformung unter Ultraschalleinfluss
• Verstärkung und Reduzierung von Eigenspannungen in Metallen unter Einwirkung eines Werkzeugs mit Ultraschallfrequenz
• Beim Ultraschallschweißen wird die kombinierte Wirkung von statischer Kompression und Ultraschallschwingungen genutzt

Es gibt vier Arten der Bearbeitung mittels Ultraschall:

• Maßbearbeitung von Teilen aus harten und spröden Materialien
• Schneiden schwer zu schneidender Materialien durch Ultraschallanwendung am Schneidwerkzeug
• Entgraten im Ultraschallbad
• Schleifen von viskosen Materialien mit Ultraschallreinigung der Schleifscheibe

Auswirkungen von Ultraschall auf biologische Objekte verursacht vielfältige Wirkungen und Reaktionen im Körpergewebe und wird häufig in der Ultraschalltherapie und Chirurgie eingesetzt. Ultraschall ist ein Katalysator, der die Herstellung eines Gleichgewichtszustands des Körpers aus physiologischer Sicht beschleunigt, d. h. gesunder Zustand. Ultraschall hat auf erkranktes Gewebe eine viel größere Wirkung als auf gesundes. Auch das Ultraschallversprühen von Medikamenten zur Inhalation kommt zum Einsatz. Die Ultraschallchirurgie basiert auf folgenden Effekten: Gewebezerstörung durch fokussierten Ultraschall selbst und die Anwendung von Ultraschallschwingungen auf ein schneidendes chirurgisches Instrument.

Ultraschallgeräte werden zur Umwandlung und analogen Verarbeitung elektronischer Signale sowie zur Steuerung von Lichtsignalen in der Optik und Optoelektronik eingesetzt. In Verzögerungsleitungen wird Ultraschall mit niedriger Geschwindigkeit verwendet. Die Steuerung optischer Signale basiert auf der Lichtbeugung durch Ultraschall. Eine dieser Arten dieser Beugung, die sogenannte Bragg-Beugung, hängt von der Wellenlänge des Ultraschalls ab, was es ermöglicht, aus einem breiten Spektrum der Lichtstrahlung ein schmales Frequenzintervall zu isolieren, d.h. Filterlicht.

Ultraschall ist eine äußerst interessante Sache und es ist davon auszugehen, dass viele seiner praktischen Anwendungen der Menschheit noch unbekannt sind. Wir lieben und kennen Ultraschall und besprechen gerne alle Ideen zu seiner Anwendung.

Wo wird Ultraschall eingesetzt – Übersichtstabelle

Unser Unternehmen, Koltso-Energo LLC, beschäftigt sich mit der Herstellung und Installation von akustischen Kalkschutzgeräten „Acoustic-T“. Die von unserem Unternehmen hergestellten Geräte zeichnen sich durch ein außergewöhnlich hohes Ultraschallsignal aus, das den Einsatz an Kesseln ohne Wasseraufbereitung und Dampf-Wasser-Kesseln mit artesischem Wasser ermöglicht. Aber die Verhinderung von Ablagerungen ist nur ein sehr kleiner Teil dessen, was Ultraschall leisten kann. Dieses erstaunliche Naturinstrument bietet enorme Möglichkeiten und wir möchten Ihnen davon erzählen. Die Mitarbeiter unseres Unternehmens arbeiten seit vielen Jahren bei führenden russischen Unternehmen im Bereich Akustik. Wir wissen viel über Ultraschall. Und wenn plötzlich die Notwendigkeit entsteht, Ultraschall in Ihrer Technologie einzusetzen,

Reis. 2. Akustischer Fluss, der auftritt, wenn sich Ultraschall in Benzol mit einer Frequenz von 5 MHz ausbreitet.

Zu den wichtigen nichtlinearen Phänomenen, die bei der Ausbreitung intensiven Ultraschalls auftreten, gehört die Akustik – das Wachstum von Blasen im Ultraschallfeld aus vorhandenen submikroskopischen Gas- oder Dampfkernen auf Größen von Bruchteilen von Millimetern, die mit der Ultraschallfrequenz zu pulsieren beginnen und kollabieren in der positiven Phase. Wenn Gasblasen kollabieren, entstehen große lokale Drücke in der Größenordnung von Tausenden von Atmosphären und es bilden sich kugelförmige Stoßwellen. In der Nähe der pulsierenden Blasen bilden sich akustische Mikroströmungen. Phänomene im Kavitationsfeld führen zu einer Reihe sowohl nützlicher (Produktion, Reinigung kontaminierter Teile usw.) als auch schädlicher (Erosion von Ultraschallstrahlern) Phänomenen. Ultraschallfrequenzen, bei denen Ultraschall technisch genutzt wird, liegen im ULF-Bereich. Die der Kavitationsschwelle entsprechende Intensität hängt von der Art der Flüssigkeit, der Schallfrequenz, der Temperatur und anderen Faktoren ab. Im Wasser beträgt sie bei einer Frequenz von 20 kHz etwa 0,3 W/cm2. Bei Ultraschallfrequenzen in einem Ultraschallfeld mit einer Intensität von mehreren W/cm2 kann es zu Flüssigkeitsschwallen kommen ( Reis. 3) und besprühen Sie es mit einem sehr feinen Nebel.

Reis. 3. Eine Flüssigkeitsfontäne, die entsteht, wenn ein Ultraschallstrahl aus dem Inneren der Flüssigkeit auf deren Oberfläche fällt (Ultraschallfrequenz 1,5 MHz, Intensität 15 W/cm2).

GenerationUltraschall. Zur Erzeugung von Ultraschall werden verschiedene Geräte verwendet, die sich in zwei Hauptgruppen einteilen lassen – mechanische, bei denen Ultraschall ein mechanischer Gasstrom ist, und elektromechanische, bei denen Ultraschallenergie elektrisch erzeugt wird. Mechanische Ultraschallsender – Luft und Flüssigkeit – zeichnen sich durch ihre vergleichsweise einfache Konstruktion aus und benötigen keine teure Hochfrequenz-Elektroenergie; ihr Wirkungsgrad beträgt 10–20 %. Der Hauptnachteil aller mechanischen Ultraschallsender ist der relativ große Bereich der emittierten Frequenzen und die Frequenzinstabilität, die ihren Einsatz für Kontroll- und Messzwecke nicht zulässt; Sie werden hauptsächlich in der industriellen Ultraschalltechnik und teilweise auch als Werkzeuge eingesetzt.

Reis. 4. Emission (Empfang) von Longitudinalwellen L durch eine in ihrer Dicke oszillierende Platte in einen Festkörper: 1 - Quarzscheibenplatte X mit der Dicke l/2, wobei l die Wellenlänge im Quarz ist; 2 - Metallelektroden; 3 – Flüssigkeit (Transformatoröl) zur Herstellung des akustischen Kontakts; 4 - Generator elektrischer Schwingungen; 5 - fester Körper.

Ultraschallempfang und -erkennung. Aufgrund der Reversibilität des piezoelektrischen Effekts wird es auch häufig zum Empfang von Ultraschall verwendet. Die Untersuchung des Ultraschallfeldes kann auch mit optischen Methoden durchgeführt werden: Ultraschall, der sich in jedem Medium ausbreitet, verursacht eine Änderung seines optischen Brechungsindex zu dem es sichtbar ist, wenn das Medium für Licht transparent ist. Das verwandte Gebiet der Optik (Akustooptik) hat seit der Einführung der Dauerstrich-Gaslaser eine große Entwicklung erfahren; Die Forschung zu Licht, Ultraschall und seinen verschiedenen Anwendungen hat sich weiterentwickelt.

Anwendungen von Ultraschall. Die Einsatzmöglichkeiten von Ultraschall sind äußerst vielfältig. Ultraschall dient als leistungsstarke Methode zur Untersuchung verschiedener Phänomene in vielen Bereichen der Physik. Ultraschallverfahren werden beispielsweise in der Festkörperphysik und Physik eingesetzt; Ein völlig neues Gebiet der Physik ist entstanden – die Akustoelektronik, auf deren Grundlage verschiedene Geräte zur Verarbeitung von Signalinformationen entwickelt werden. Ultraschall spielt beim Lernen eine große Rolle. Neben den Methoden der molekularen Akustik für Gase werden im Bereich der Untersuchung von Festkörpern c und Absorption a zur Bestimmung der Moduli und dissipativen Eigenschaften von Materie eingesetzt. Die Quantenwissenschaft wurde entwickelt und untersucht die Wechselwirkung von Quanten elastischer Störungen – mit usw. – und elementarer Störungen in Festkörpern. Ultraschall ist in der Technik weit verbreitet und Ultraschallverfahren dringen zunehmend in die Technik ein.

Anwendung von Ultraschall in der Technik Nach Angaben von c und a wird er bei vielen technischen Problemen im Verlauf eines bestimmten Prozesses durchgeführt (Überwachung des Gasgemisches, der Zusammensetzung verschiedener Gase usw.). Mithilfe von Ultraschall an der Schnittstelle verschiedener Medien dienen Ultraschallgeräte dazu, die Abmessungen von Produkten zu messen (z. B. Ultraschalldickenmessgeräte) und den Flüssigkeitsstand in großen Behältern zu bestimmen, die für eine direkte Messung unzugänglich sind. Ultraschall mit relativ geringer Intensität (bis zu ~0,1 W/cm2) wird häufig zur zerstörungsfreien Prüfung von Produkten aus Vollmaterialien (Schienen, große Gussteile, hochwertige Walzprodukte usw.) verwendet (siehe). Es entwickelt sich schnell eine Richtung, die sogenannte akustische Emission, die darin besteht, dass, wenn eine mechanische Kraft auf eine Probe (Struktur) eines festen Körpers ausgeübt wird, diese „knistert“ (ähnlich wie ein Zinnstab „knistert“, wenn er gebogen wird). . Dies wird durch die Tatsache erklärt, dass in der Probe Bewegungen auftreten, die unter bestimmten (noch nicht vollständig geklärten) Bedingungen zu akustischen Impulsen (sowie zu einer Reihe von Versetzungen und submikroskopischen Rissen) mit einem Spektrum werden, das Frequenzen enthält. Ultraschall nutzt akustische Emission Es ist möglich, die Entwicklung von Rissen zu erkennen und zu bestimmen sowie deren Lage in kritischen Teilen verschiedener Strukturen zu bestimmen. Mit Hilfe von Ultraschall ist es möglich: Durch die Umwandlung von Ultraschall in elektrische und diese wiederum in Licht wird es mit Hilfe von Ultraschall möglich, bestimmte Objekte in einer für Licht undurchsichtigen Umgebung zu sehen. Es wurde ein Ultraschallmikroskop mit Ultraschallfrequenzen entwickelt – ein Gerät ähnlich einem herkömmlichen Mikroskop, dessen Vorteil gegenüber einem optischen Mikroskop darin besteht, dass für die biologische Forschung keine Vorfärbung des Objekts erforderlich ist ( Reis. 5). Die Entwicklung hat auf dem Gebiet des Ultraschalls zu gewissen Erfolgen geführt.

Reis. 5 B. Mit einem Ultraschallmikroskop gewonnene rote Blutkörperchen.

Ultraschall stellt Longitudinalwellen dar, die eine Schwingungsfrequenz von mehr als 20 kHz haben. Dies ist höher als die vom menschlichen Hörgerät wahrgenommene Schwingungsfrequenz. Der Mensch kann Frequenzen im Bereich von 16-20 KHz wahrnehmen, sie werden Schall genannt. Ultraschallwellen sehen aus wie eine Reihe von Kondensationen und Verdünnungen einer Substanz oder eines Mediums. Aufgrund ihrer Eigenschaften finden sie in vielen Bereichen breite Anwendung.

Was ist das

Der Ultraschallbereich umfasst Frequenzen von 20.000 bis mehreren Milliarden Hertz. Dabei handelt es sich um hochfrequente Schwingungen, die außerhalb des Hörbereichs des menschlichen Ohrs liegen. Einige Tierarten sind jedoch recht empfindlich gegenüber Ultraschallwellen. Dies sind Delfine, Wale, Ratten und andere Säugetiere.

Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften sind Ultraschallwellen elastisch und unterscheiden sich daher nicht von Schallwellen. Daher ist der Unterschied zwischen Schall- und Ultraschallschwingungen sehr willkürlich, da er von der subjektiven Wahrnehmung des Gehörs einer Person abhängt und der oberen Ebene des hörbaren Schalls entspricht.

Aber das Vorhandensein höherer Frequenzen und damit einer kurzen Wellenlänge verleiht Ultraschallschwingungen bestimmte Eigenschaften:

• Ultraschallfrequenzen bewegen sich unterschiedlich schnell durch verschiedene Stoffe, wodurch es möglich ist, die Eigenschaften laufender Prozesse, die spezifische Wärmekapazität von Gasen sowie die Eigenschaften eines Feststoffs mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.
• Wellen von erheblicher Intensität haben bestimmte Auswirkungen, die der nichtlinearen Akustik unterliegen.
• Wenn sich Ultraschallwellen mit erheblicher Leistung in einem flüssigen Medium bewegen, tritt das Phänomen der akustischen Kavitation auf. Dieses Phänomen ist sehr wichtig, da dadurch ein Blasenfeld entsteht, das aus submikroskopischen Gas- oder Dampfpartikeln in einem wässrigen oder anderen Medium gebildet wird. Sie pulsieren mit einer bestimmten Frequenz und schlagen mit enormem lokalen Druck zu. Dadurch entstehen kugelförmige Stoßwellen, die zum Auftreten mikroskopisch kleiner akustischer Ströme führen. Mithilfe dieses Phänomens haben Wissenschaftler gelernt, kontaminierte Teile zu reinigen und Torpedos herzustellen, die sich im Wasser schneller als mit Schallgeschwindigkeit bewegen.
• Ultraschall kann fokussiert und konzentriert werden, wodurch Klangmuster erzeugt werden können. Diese Eigenschaft wurde erfolgreich in der Holographie und im Tonsehen eingesetzt.
• Eine Ultraschallwelle kann durchaus als Beugungsgitter wirken.

Eigenschaften

Ultraschallwellen haben ähnliche Eigenschaften wie Schallwellen, weisen aber auch spezifische Merkmale auf:

• Kurze Wellenlänge. Selbst bei einem niedrigen Rand beträgt die Länge weniger als ein paar Zentimeter. Eine so geringe Länge führt zur radialen Natur der Bewegung von Ultraschallschwingungen. Direkt neben dem Emitter breitet sich die Welle in Form eines Strahls aus, der sich den Parametern des Emitters annähert. Befindet sich der Strahl jedoch in einer inhomogenen Umgebung, bewegt er sich wie ein Lichtstrahl. Es kann auch reflektiert, gestreut, gebrochen werden.
• Die Schwingungsdauer ist kurz, wodurch Ultraschallschwingungen in Form von Impulsen genutzt werden können.
• Ultraschall ist nicht hörbar und verursacht keine Reizwirkung.
• Bei der Einwirkung von Ultraschallschwingungen auf bestimmte Medien können spezifische Effekte erzielt werden. Sie können beispielsweise lokale Erwärmung, Entgasung, Desinfektion der Umgebung, Kavitation und viele andere Effekte erzeugen.

Funktionsprinzip

Zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen werden verschiedene Geräte eingesetzt:

• Mechanisch, wobei die Quelle die Energie einer Flüssigkeit oder eines Gases ist.
• Elektromechanisch, wo aus elektrischer Energie Ultraschallenergie erzeugt wird.

Als mechanische Sender können mit Luft oder Flüssigkeit betriebene Pfeifen und Sirenen fungieren. Sie sind praktisch und einfach, haben aber auch Nachteile. Ihr Wirkungsgrad liegt also im Bereich von 10–20 Prozent. Sie erzeugen ein breites Frequenzspektrum mit instabiler Amplitude und Frequenz. Dies führt dazu, dass solche Geräte nicht unter Bedingungen eingesetzt werden können, bei denen Genauigkeit erforderlich ist. Am häufigsten werden sie als Signalgeräte verwendet.

Elektromechanische Geräte nutzen das Prinzip des piezoelektrischen Effekts. Seine Besonderheit besteht darin, dass sich der Kristall zusammenzieht und ausdehnt, wenn sich auf den Flächen des Kristalls elektrische Ladungen bilden. Dadurch entstehen Schwingungen mit einer Frequenz, die von der Periode der Potentialänderung an den Oberflächen des Kristalls abhängt.

Neben Wandlern, die auf dem piezoelektrischen Effekt basieren, können auch magnetostriktive Wandler eingesetzt werden. Sie werden verwendet, um einen starken Ultraschallstrahl zu erzeugen. Der Kern, der aus magnetostriktivem Material besteht und in einer leitenden Wicklung platziert ist, ändert seine eigene Länge entsprechend der Form des in die Wicklung eintretenden elektrischen Signals.

Anwendung

Ultraschall wird in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt.

Am häufigsten wird es in folgenden Bereichen eingesetzt:

• Erhalten von Daten zu einem bestimmten Stoff.
• Signalverarbeitung und -übertragung.
• Auswirkungen auf die Substanz.

So untersuchen sie mit Hilfe von Ultraschallwellen:

• Molekulare Prozesse in verschiedenen Strukturen.
• Bestimmung der Konzentration von Stoffen in Lösungen.
• Bestimmung der Zusammensetzung, Festigkeitseigenschaften von Materialien usw.

Bei der Ultraschallbearbeitung kommt häufig das Kavitationsverfahren zum Einsatz:

• Metallisierung.
• Ultraschallreinigung.
• Entgasung von Flüssigkeiten.
• Streuung.
• Aerosole empfangen.
• Ultraschallsterilisation.
• Zerstörung von Mikroorganismen.
• Intensivierung elektrochemischer Prozesse.

Unter dem Einfluss von Ultraschallwellen werden in der Industrie folgende technologische Vorgänge durchgeführt:

• Koagulation.
• Verbrennung in einer Ultraschallumgebung.
• Trocknen.
• Schweißen.

In der Medizin werden Ultraschallwellen in der Therapie und Diagnostik eingesetzt. Bei der Diagnostik handelt es sich um Ortungsmethoden mittels gepulster Strahlung. Dazu gehören Ultraschallkardiographie, Echoenzephalographie und eine Reihe anderer Methoden. In der Therapie werden Ultraschallwellen als Methoden eingesetzt, die auf thermischen und mechanischen Einwirkungen auf das Gewebe basieren. Beispielsweise kommt bei Operationen häufig ein Ultraschallskalpell zum Einsatz.

Ultraschallschwingungen bewirken außerdem:

• Mikromassage von Gewebestrukturen mittels Vibration.
• Anregung der Zellregeneration sowie des interzellulären Austauschs.
• Erhöhte Durchlässigkeit von Gewebemembranen.

Ultraschall kann durch Hemmung, Stimulation oder Zerstörung auf Gewebe einwirken. All dies hängt von der angewandten Dosis der Ultraschallschwingungen und ihrer Stärke ab. Allerdings dürfen nicht alle Bereiche des menschlichen Körpers solche Wellen nutzen. Mit einiger Vorsicht wirken sie also auf den Herzmuskel und eine Reihe endokriner Organe. Das Gehirn, die Halswirbel, der Hodensack und eine Reihe anderer Organe sind überhaupt nicht betroffen.

Ultraschallvibrationen werden in Fällen eingesetzt, in denen der Einsatz von Röntgenstrahlen nicht möglich ist:

• Die Traumatologie verwendet eine Echographiemethode, mit der innere Blutungen leicht erkannt werden können.
• In der Geburtshilfe werden Wellen zur Beurteilung der fetalen Entwicklung und ihrer Parameter verwendet.
• In der Kardiologie können Sie das Herz-Kreislauf-System untersuchen.

Ultraschall in der Zukunft

Derzeit wird Ultraschall in verschiedenen Bereichen häufig eingesetzt, in Zukunft wird es jedoch noch mehr Anwendungen geben. Schon heute planen wir, Geräte zu entwickeln, die für die heutige Zeit fantastisch sind.

• Die akustische Hologrammtechnologie mit Ultraschall wird für medizinische Zwecke entwickelt. Bei dieser Technologie werden Mikropartikel im Raum angeordnet, um das gewünschte Bild zu erzeugen.
• Wissenschaftler arbeiten an der Entwicklung einer Technologie für kontaktlose Geräte, die Touch-Geräte ersetzen soll. So wurden beispielsweise bereits Spielgeräte entwickelt, die menschliche Bewegungen ohne direkten Kontakt erkennen. Es werden Technologien entwickelt, bei denen unsichtbare Knöpfe geschaffen werden, die mit den Händen gefühlt und gesteuert werden können. Die Entwicklung solcher Technologien wird die Entwicklung kontaktloser Smartphones oder Tablets ermöglichen. Darüber hinaus wird diese Technologie die Möglichkeiten der virtuellen Realität erweitern.
• Mit Hilfe von Ultraschallwellen ist es bereits möglich, kleine Objekte zum Schweben zu bringen. In Zukunft könnten Maschinen auftauchen, die aufgrund von Wellen über dem Boden schweben und sich ohne Reibung mit enormer Geschwindigkeit bewegen.
• Wissenschaftler vermuten, dass Ultraschall in Zukunft blinden Menschen das Sehen beibringen wird. Diese Zuversicht basiert auf der Tatsache, dass Fledermäuse Objekte anhand reflektierter Ultraschallwellen erkennen. Es wurde bereits ein Helm entwickelt, der reflektierte Wellen in hörbaren Schall umwandelt.
• Schon heute geht man davon aus, Mineralien im Weltall abzubauen, denn dort ist alles vorhanden. So fanden Astronomen einen Diamantplaneten voller Edelsteine. Doch wie lassen sich solche Feststoffe im Weltraum abbauen? Ultraschall hilft beim Bohren dichter Materialien. Auch ohne Atmosphäre sind solche Prozesse durchaus möglich. Solche Bohrtechnologien werden es ermöglichen, Proben zu sammeln, Forschungen durchzuführen und Mineralien abzubauen, wo dies heute als unmöglich gilt.

Wenn in einem kontinuierlichen Medium – Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen – die Partikel des Mediums aus der Gleichgewichtsposition entfernt werden, werden sie durch die von anderen Partikeln auf sie einwirkenden elastischen Kräfte in die Gleichgewichtsposition zurückgebracht. In diesem Fall werden die Teilchen einer oszillierenden Bewegung unterzogen. Die Ausbreitung elastischer Schwingungen in einem kontinuierlichen Medium ist ein wellenartiger Prozess.
Als Schwingungen werden Schwingungen mit einer Frequenz im Bereich von Hertz (Hz) bis 20 Hertz bezeichnet Infraschall Bei einer Frequenz von 20 Hz bis 16...20 kHz entstehen Schwingungen hörbare Geräusche. Ultraschallschwingungen entsprechen Frequenzen von 16...20 kHz bis 10 8 Hz, und es werden Schwingungen mit einer Frequenz von mehr als 10 8 Hz genannt Hyperschall. Abbildung 1.1 zeigt eine logarithmische Frequenzskala basierend auf dem Ausdruck lg 2 f = 1, 2, 3…, n, Wo 1, 2, 3…, n– Oktavzahlen.

Abbildung 1.1 – Bereiche elastischer Schwingungen in materiellen Medien

Die physikalische Natur elastischer Schwingungen ist über den gesamten Frequenzbereich gleich. Um die Natur elastischer Schwingungen zu verstehen, betrachten wir ihre Eigenschaften.
Wellenform ist die Form der Wellenfront, d.h. eine Sammlung von Punkten, die dieselbe Phase haben. Schwingungen der Ebene erzeugen eine ebene Schallwelle; ist der Sender ein Zylinder, der sich in Richtung seines Radius periodisch zusammenzieht und ausdehnt, dann entsteht eine zylindrische Welle. Ein Punktstrahler oder eine pulsierende Kugel, deren Abmessungen im Vergleich zur Länge der emittierten Welle klein sind, erzeugt eine Kugelwelle.

Schallwellen werden nach klassifiziert Wellentyp : Sie können längs, quer, biegend, torsional sein – abhängig von den Anregungs- und Ausbreitungsbedingungen. In Flüssigkeiten und Gasen breiten sich nur Longitudinalwellen aus, in Festkörpern können auch Transversalwellen und andere der aufgeführten Wellenarten auftreten. In einer Longitudinalwelle stimmt die Richtung der Teilchenschwingungen mit der Richtung der Wellenausbreitung überein (Abbildung 1.2, A), breitet sich die Transversalwelle senkrecht zur Richtung der Teilchenschwingungen aus (Abbildung 1.2, B) .

a) die Bewegung von Partikeln des Mediums während der Ausbreitung einer Longitudinalwelle; b) die Bewegung von Partikeln des Mediums während der Ausbreitung einer Transversalwelle.

Abbildung 1.2 – Bewegung von Teilchen während der Wellenausbreitung

Jede Welle, etwa eine Schwingung, die sich in Zeit und Raum ausbreitet, kann charakterisiert werden Frequenz , Wellenlänge Und Amplitude (Figur 3) . In diesem Fall hängt die Wellenlänge λ von der Frequenz ab F durch die Geschwindigkeit der Wellenausbreitung in einem bestimmten Material C: λ = c/f.

Abbildung 1.3 – Eigenschaften des Oszillationsprozesses

1.6 Praktische Anwendung niederenergetischer Ultraschallschwingungen

Der Anwendungsbereich von Ultraschallschwingungen niedriger Intensität (bedingt bis zu 1 W/cm 2) ist sehr umfangreich, und wir werden der Reihe nach einige Hauptanwendungen von Ultraschallschwingungen niedriger Intensität betrachten.
1. Ultraschallgeräte zur Überwachung chemischer Eigenschaften verschiedene Materialien und Umgebungen. Sie alle basieren auf der Änderung der Geschwindigkeit von Ultraschallschwingungen im Medium und ermöglichen:
- die Konzentration binärer Gemische bestimmen;
- Lösungsdichte;
- Polymerisationsgrad von Polymeren;
- Vorhandensein von Verunreinigungen und Gasblasen in Lösungen;
- die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen bestimmen;
- Fettgehalt von Milch, Sahne, Sauerrahm;
- Dispersität in heterogenen Systemen usw.
Die Auflösung moderner Ultraschallgeräte beträgt 0,05 %, die Genauigkeit der Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit an 1 m langen Proben beträgt 0,5 - 1 m/s (Geschwindigkeit in Metall beträgt mehr als 5000 m/s). Fast alle Messungen werden durch Vergleich mit einem Standard durchgeführt.
2. Instrumente zur Überwachung physikalischer und chemischer Eigenschaften, basierend auf Messungen der Ultraschalldämpfung. Mit solchen Geräten können Sie Viskosität, Dichte, Zusammensetzung, Gehalt an Verunreinigungen, Gasen usw. messen. Auch die verwendeten Methoden basieren auf Vergleichsverfahren mit einem Standard.
3. Ultraschall-Durchflussmesser für Flüssigkeiten in Rohrleitungen. Ihre Wirkung basiert auch auf der Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallschwingungen entlang der Flüssigkeitsströmung und gegen die Strömung. Durch den Vergleich zweier Geschwindigkeiten können Sie die Durchflussmenge und bei bekanntem Rohrleitungsquerschnitt die Durchflussmenge ermitteln. Ein Beispiel für einen der Durchflussmesser (Nr. 15183 im staatlichen Messgeräteregister) ist in Abbildung 1.4 dargestellt.

Abbildung 1.4 – Stationärer Ultraschall-Durchflussmesser „AKRON“

Ein solcher Durchflussmesser ermöglicht die Messung des Volumenstroms und des Gesamtvolumens (Menge) von Flüssigkeiten, die in Druckleitungen von Wasserversorgungs-, Abwasser- und Erdölproduktversorgungssystemen fließen, ohne in eine bestehende Rohrleitung eingebaut zu werden. Das Funktionsprinzip des Durchflussmessers besteht darin, den Unterschied in der Durchgangszeit einer Ultraschallwelle entlang der Strömung und gegen die Strömung der kontrollierten Flüssigkeit zu messen und diese mit anschließender Integration in eine momentane Durchflussrate umzuwandeln.
Der Gerätefehler beträgt 2 % der oberen Messgrenze. Die oberen und unteren Messgrenzen werden vom Bediener festgelegt. Der Durchflussmesser umfasst einen Sensorblock (besteht aus zwei Ultraschallsensoren und einer Vorrichtung zur Montage an einem Rohr) und eine Elektronikeinheit, die über ein bis zu 50 m langes Hochfrequenzkabel (Standard - 10 m) verbunden ist. Die Sensoren werden an einem geraden Abschnitt der Rohrleitung an der Außenfläche montiert und von Schmutz, Farbe und Rost gereinigt. Voraussetzung für den korrekten Einbau der Sensoren ist das Vorhandensein eines geraden Rohrabschnitts mit mindestens 10 Rohrdurchmessern vor und 5 Rohrdurchmessern hinter den Sensoren.
4. Niveauschalter
Das Funktionsprinzip basiert auf der Ortung des Füllstands von Flüssigkeiten oder Schüttgütern durch Ultraschallimpulse, die ein gasförmiges Medium durchdringen, und auf dem Phänomen der Reflexion dieser Impulse an der Grenzfläche des gaskontrollierten Mediums. Das Pegelmaß ist in diesem Fall die Ausbreitungszeit der Schallschwingungen vom Sender zur gesteuerten Schnittstelle und zurück zum Empfänger. Das Messergebnis wird auf einem Personalcomputer angezeigt, auf dem alle Messungen gespeichert werden, mit anschließender Möglichkeit zur Anzeige und Analyse sowie zur Anbindung an ein automatisiertes Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem. Der Füllstandsmesser als Teil des Systems kann Finite-State-Maschinen, Pumpen und andere Geräte auf einem Füllstand oberhalb des Maximal- und unterhalb des Minimalwerts umfassen, wodurch Sie den technologischen Prozess automatisieren können. Zusätzlich wird ein Stromausgang (0,5 mA, 0-20 mA) für Aufzeichnungsgeräte generiert.
Mit dem Niveauschalter können Sie die Temperatur des Mediums in den Tanks überwachen. Das Hauptformat der Ausgabedaten ist der Abstand von der Oberseite des Tanks bis zur Oberfläche der darin enthaltenen Substanz. Auf Wunsch des Kunden ist es bei Vorliegen der erforderlichen Informationen möglich, das Gerät so zu modifizieren, dass es die Höhe, Masse oder das Volumen des Stoffes im Tank anzeigt.
5. Ultraschall-Gasanalysatoren basieren auf der Nutzung der Abhängigkeit der Ultraschallgeschwindigkeit in einem Gasgemisch von den Geschwindigkeiten in jedem der Gase, aus denen dieses Gemisch besteht.
6. Sicherheits-Ultraschallgeräte basieren auf der Messung verschiedener Parameter von Ultraschallfeldern (Schwingungsamplituden, wenn der Raum zwischen Sender und Empfänger blockiert ist, Frequenzänderungen bei Reflexion von einem sich bewegenden Objekt usw.).
7. Gastemperaturmesser und Feuermelder basieren auf Änderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert oder Rauch auftritt.
8. Ultraschall-Zerstörungsprüfgeräte. Die zerstörungsfreie Prüfung ist eine der wichtigsten technologischen Methoden zur Sicherung der Qualität von Materialien und Produkten. Kein Produkt sollte ohne Inspektion verwendet werden. Sie können es durch Testen überprüfen, aber auf diese Weise können Sie 1-10 Produkte testen, aber Sie können nicht 100 % aller Produkte testen, weil Überprüfen - das bedeutet, alle Produkte zu ruinieren. Daher ist eine Überprüfung ohne Zerstörung erforderlich.
Eines der günstigsten, einfachsten und empfindlichsten Verfahren ist die zerstörungsfreie Ultraschallprüfmethode. Die wesentlichen Vorteile im Vergleich zu anderen zerstörungsfreien Prüfverfahren sind:

- Erkennung tief im Material befindlicher Defekte, was durch eine verbesserte Eindringfähigkeit ermöglicht wird. Die Ultraschalluntersuchung wird bis zu einer Tiefe von mehreren Metern durchgeführt. Verschiedene Produkte unterliegen der Kontrolle, zum Beispiel: lange Stahlstangen, Rotationsstanzteile usw.;
- hohe Empfindlichkeit bei der Erkennung extrem kleiner Defekte mit einer Länge von mehreren Millimetern;
- genaue Bestimmung der Lage innerer Defekte, Beurteilung ihrer Größe, Charakterisierung von Richtung, Form und Beschaffenheit;
- ausreichender Zugang nur zu einer Seite des Produkts;
- Prozesskontrolle mit elektronischen Mitteln, die eine nahezu sofortige Erkennung von Mängeln gewährleistet;
- volumetrisches Scannen, mit dem Sie das Materialvolumen untersuchen können;
- fehlende Anforderungen an Gesundheitsvorkehrungen;
- Portabilität der Ausrüstung.

1.7 Praktische Anwendung hochintensiver Ultraschallschwingungen

Heutzutage werden die Hauptprozesse, die mit Hilfe hochenergetischer Ultraschallschwingungen realisiert und intensiviert werden, üblicherweise in drei Hauptuntergruppen eingeteilt, abhängig von der Art der Umgebung, in der sie realisiert werden (Abbildung 1.5).

Abbildung 1.5 – Anwendung hochenergetischer Ultraschallschwingungen

Abhängig von der Art der Umgebung werden Prozesse herkömmlicherweise in Prozesse unterteilt in flüssigen, festen und thermoplastischen Materialien und gasförmigen (Luft-)Medien. In den folgenden Abschnitten werden Verfahren und Vorrichtungen zur Intensivierung von Prozessen in flüssigen, festen und thermoplastischen Materialien sowie gasförmigen Medien ausführlicher besprochen.
Als nächstes betrachten wir Beispiele für Basistechnologien, die mithilfe hochenergetischer Ultraschallschwingungen implementiert werden.
1. Dimensionsverarbeitung.

Ultraschallvibrationen werden zur Bearbeitung spröder und extrem harter Werkstoffe und Metalle eingesetzt.
Die wichtigsten durch Ultraschallvibrationen verstärkten technologischen Prozesse sind Bohren, Senken, Gewindeschneiden, Drahtziehen, Polieren, Schleifen und Bohren von Löchern mit komplexen Formen. Die Intensivierung dieser technologischen Prozesse erfolgt durch die Einwirkung von Ultraschallschwingungen auf das Werkzeug.
2. Ultraschallreinigung.
Heutzutage gibt es viele Möglichkeiten, Oberflächen von verschiedenen Verunreinigungen zu reinigen. Die Ultraschallreinigung ist schneller, bietet eine hohe Qualität und reinigt schwer zugängliche Stellen. Dies gewährleistet den Ersatz hochgiftiger, brennbarer und teurer Lösungsmittel durch normales Wasser.
Mithilfe hochfrequenter Ultraschallschwingungen werden Autovergaser und Einspritzdüsen in wenigen Minuten gereinigt.
Der Grund für die Beschleunigung der Reinigung ist Kavitation, ein besonderes Phänomen, bei dem sich winzige Gasbläschen in der Flüssigkeit bilden. Diese Blasen platzen (explodieren) und erzeugen starke Wasserströme, die den gesamten Schmutz wegspülen. Nach diesem Prinzip existieren heute Waschmaschinen und Kleinwaschanlagen. Merkmale der Umsetzung des Kavitationsprozesses und seine potenziellen Möglichkeiten werden gesondert betrachtet. Ultraschall reinigt Metalle von Polierpasten, gewalztes Metall von Zunder und Edelsteine ​​von Polierstellen. Druckplatten reinigen, Textilien waschen, Ampullen waschen. Reinigung von Rohrleitungen mit komplexen Formen. Zusätzlich zur Reinigung ist Ultraschall in der Lage, kleine Grate zu entfernen und zu polieren.
Die Ultraschallbestrahlung in flüssigen Medien zerstört Mikroorganismen und wird daher häufig in der Medizin und Mikrobiologie eingesetzt.
Eine weitere Umsetzung der Ultraschallreinigung ist möglich.
- Reinigung des Rauchs von festen Partikeln in der Luft. Hierzu wird auch die Ultraschalleinwirkung auf Nebel und Rauch genutzt. Partikel im Ultraschallfeld beginnen sich aktiv zu bewegen, kollidieren und verkleben und lagern sich an den Wänden ab. Dieses Phänomen nennt sich Ultraschallkoagulation und wird zur Nebelbekämpfung auf Flugplätzen, Straßen und Seehäfen eingesetzt.
3. Ultraschallschweißen.
Derzeit werden mit Hilfe hochintensiver Ultraschallschwingungen polymere thermoplastische Materialien verschweißt. Das Schweißen von Polyethylenrohren, -boxen und -dosen gewährleistet eine hervorragende Dichtheit. Im Gegensatz zu anderen Methoden können mit Ultraschall kontaminierte Kunststoffe, Schläuche mit Flüssigkeit usw. gekocht werden. In diesem Fall wird der Inhalt sterilisiert.
Beim Ultraschallschweißen werden dünnste Folien oder Drähte mit einem Metallteil verschweißt. Darüber hinaus handelt es sich beim Ultraschallschweißen um ein Kaltschweißen, da die Nahtbildung bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes erfolgt. So werden Aluminium, Tantal, Zirkonium, Niob, Molybdän usw. durch Schweißen verbunden.
Derzeit findet das Ultraschallschweißen seine größte Anwendung in Hochgescund der Herstellung von Polymerverpackungsmaterialien.
4. Löten und Verzinnen
Aluminium wird mittels hochfrequenter Ultraschallschwingungen gelötet. Mit Hilfe von Ultraschall ist es möglich, Keramik und Glas zu verzinnen und anschließend zu löten, was bisher unmöglich war. Ferrite, das Auflöten von Halbleiterkristallen auf vergoldete Gehäuse werden heute mittels Ultraschalltechnik realisiert.
5. Ultraschall in der modernen Chemie
Derzeit hat sich, wie aus literarischen Quellen hervorgeht, eine neue Richtung in der Chemie herausgebildet – die Ultraschallchemie. Durch die Untersuchung der chemischen Umwandlungen, die unter dem Einfluss von Ultraschall stattfinden, haben Wissenschaftler herausgefunden, dass Ultraschall nicht nur die Oxidation beschleunigt, sondern in einigen Fällen auch eine reduzierende Wirkung hat. Dadurch wird Eisen aus Oxiden und Salzen reduziert.
Gute positive Ergebnisse wurden für die Ultraschallverstärkung bei folgenden chemischen und technologischen Prozessen erzielt:
- Elektroabscheidung, Polymerisation, Depolymerisation, Oxidation, Reduktion, Dispersion, Emulgierung, Koagulation von Aerosolen, Homogenisierung, Imprägnierung, Auflösung, Sprühen, Trocknen, Brennen, Gerben usw.
Galvanische Abscheidung – das abgeschiedene Metall erhält eine feinkristalline Struktur und die Porosität nimmt ab. So werden Verkupferung, Verzinnung und Versilberung durchgeführt. Der Prozess ist schneller und die Qualität der Beschichtung ist höher als bei herkömmlichen Technologien.
Herstellung von Emulsionen: Wasser und Fett, Wasser und ätherische Öle, Wasser und Quecksilber. Dank Ultraschall wird die Unmischbarkeitsbarriere überwunden.
Polymerisation (Zusammenführung von Molekülen zu einem) – der Grad der Polymerisation wird durch die Frequenz des Ultraschalls reguliert.
Dispersion – Gewinnung ultrafeiner Pigmente zur Herstellung von Farbstoffen.
Trocknen – ohne Erhitzen biologisch aktiver Substanzen. In der Lebensmittel- und Pharmaindustrie.
Versprühen von Flüssigkeiten und Schmelzen. Intensivierung der Prozesse in der Sprühtrocknung. Gewinnung von Metallpulver aus Schmelzen. Diese Sprühgeräte machen rotierende und reibende Teile überflüssig.
Ultraschall erhöht die Verbrennungseffizienz von flüssigen und festen Brennstoffen um das Zwanzigfache.
Imprägnierung. Flüssigkeit durchläuft die Kapillaren des imprägnierten Materials hunderte Male schneller. Wird bei der Herstellung von Dachpappe, Schwellen, Zementplatten, Textolith, Getinax und der Imprägnierung von Holz mit modifizierten Harzen verwendet
6. Ultraschall in der Metallurgie.
- Es ist bekannt, dass Metalle beim Schmelzen Gase aus Aluminium und seinen Legierungen absorbieren. 80 % aller Gase in der Metallschmelze sind H2. Dies führt zu einer Verschlechterung der Metallqualität. Mithilfe von Ultraschall können Gase entfernt werden, was es in unserem Land ermöglicht hat, einen speziellen technologischen Kreislauf zu schaffen und ihn in großem Umfang bei der Herstellung von Metallen einzusetzen.
- Ultraschall fördert die Aushärtung von Metallen
- In der Pulvermetallurgie fördert Ultraschall die Anhaftung von Partikeln des herzustellenden Materials. Dadurch entfällt die Verdichtung mit hohem Druck.
7. Ultraschall im Bergbau.
Der Einsatz von Ultraschall ermöglicht den Einsatz folgender Technologien:
- Entfernung von Paraffin aus den Wänden von Ölquellen;
- Beseitigung von Methanexplosionen in Minen aufgrund seines Versprühens;
- Ultraschallanreicherung von Erzen (Flotationsverfahren mittels Ultraschall).
8. KM in der Landwirtschaft.
Ultraschallvibrationen wirken sich positiv auf Samen und Körner vor dem Pflanzen aus. So erhöht die Behandlung von Tomatensamen vor dem Pflanzen die Anzahl der Früchte, verkürzt die Reifezeit und erhöht die Menge an Vitaminen.
Die Ultraschallbehandlung von Melonen- und Maissamen führt zu einer Ertragssteigerung um 40 %.
Bei der Verarbeitung von Saatgut mit Ultraschall besteht die Möglichkeit, eine Desinfektion durchzuführen und die notwendigen Mikroelemente aus der Flüssigkeit einzubringen
9. Lebensmittelindustrie.
Folgende Technologien werden bereits in der Praxis umgesetzt:
- Milchverarbeitung zur Homogenisierung und Sterilisation;
- Verarbeitung zur Erhöhung der Haltbarkeit und Qualität gefrorener Milch
- Beschaffung von hochwertigem Milchpulver;
- Beschaffung von Emulsionen zum Backen;
- Die Verarbeitung von Hefe erhöht ihre Gärungskraft um 15 %;
- Gewinnung von Aromastoffen, Pürees, Extraktion von Fett aus der Leber;
- Isolierung von Weinstein;
- Gewinnung pflanzlicher und tierischer Rohstoffe;
- Parfümherstellung (6...8 Stunden statt eines Jahres).
10. USA in der Biologie.
- Große Ultraschalldosen töten Mikroorganismen (Staphylokokken, Streptokokken, Viren);
- Niedrige Ultraschallintensitäten fördern das Wachstum von Mikroorganismenkolonien;
11. Auswirkungen auf den Menschen.
Eine Ultraschallbestrahlung mit einer Intensität von bis zu 0,1...0,4 W/cm hat eine therapeutische Wirkung. In Amerika gilt eine Bestrahlung mit einer Intensität von bis zu 0,8 W/cm als therapeutisch.
12. In der Medizin.
Ultraschallskalpelle, Geräte zur externen und internen Fettabsaugung, laparoskopische Instrumente, Inhalatoren und Massagegeräte sind weit verbreitet und ermöglichen die Behandlung verschiedener Krankheiten.
Die folgende Vorlesungsreihe dient der vorläufigen Einarbeitung von Studierenden, Doktoranden, Ingenieuren und Technologen verschiedener Branchen in die Grundlagen der Ultraschalltechnologie und soll grundlegende Kenntnisse über die Theorie der Entstehung von Ultraschallschwingungen und die Praxis der Anwendung von Hochfrequenztechniken vermitteln -Intensität von Ultraschallschwingungen.

Ultraschall……………………………………………………………………………….4

Ultraschall als elastische Wellen……………………………………..4

Besonderheiten des Ultraschalls……………………………..5

Ultraschallquellen und -empfänger……………………………………..7

Mechanische Strahler…………………………………………………...7

Elektroakustische Wandler…………………………….9

Ultraschallempfänger……………………………………………………………..11

Anwendung von Ultraschall…………………………………………………………...11

Ultraschallreinigung………………………………………………………...11

Mechanische Bearbeitung von ultrahartem und sprödem Material

Materialien………………………………………………………13

Ultraschallschweißen…………………………………………….14

Ultraschalllöten und Verzinnen……………………………………14

Beschleunigung von Produktionsprozessen………………..…………15

Ultraschall-Fehlererkennung…………………………..…………15

Ultraschall in der Radioelektronik………………………..…………………17

Ultraschall in der Medizin……………………………..……………..18

Literatur…………………………………………………………..……………….19

dirigieren.

Das 21. Jahrhundert ist das Jahrhundert des Atoms, der Weltraumforschung, der Radioelektronik und des Ultraschalls. Die Wissenschaft des Ultraschalls ist relativ jung. Die ersten Laborarbeiten zur Ultraschallforschung wurden Ende des 19. Jahrhunderts vom großen russischen Physiker P. N. Lebedev durchgeführt, und dann untersuchten viele prominente Wissenschaftler Ultraschall.

Ultraschall ist eine sich wellenförmig ausbreitende Schwingungsbewegung von Teilchen in einem Medium. Ultraschall weist im Vergleich zu Tönen im hörbaren Bereich einige Besonderheiten auf. Im Ultraschallbereich ist es relativ einfach, gerichtete Strahlung zu erhalten; Es lässt sich gut fokussieren, wodurch die Intensität der Ultraschallschwingungen zunimmt. Bei der Ausbreitung in Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen führt Ultraschall zu interessanten Phänomenen, von denen viele in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technik praktische Anwendung gefunden haben.

In den letzten Jahren hat Ultraschall begonnen, eine immer wichtigere Rolle in der wissenschaftlichen Forschung zu spielen. Im Bereich der Ultraschallkavitation und der akustischen Strömungen wurden erfolgreich theoretische und experimentelle Studien durchgeführt, die die Entwicklung neuer technologischer Prozesse ermöglichten, die unter dem Einfluss von Ultraschall in der flüssigen Phase ablaufen. Derzeit entsteht eine neue Richtung der Chemie – die Ultraschallchemie, die es ermöglicht, viele chemische und technologische Prozesse zu beschleunigen. Die wissenschaftliche Forschung trug zur Entstehung eines neuen Zweigs der Akustik bei – der Molekularakustik, die die molekulare Wechselwirkung von Schallwellen mit Materie untersucht. Neue Anwendungsgebiete des Ultraschalls sind entstanden: Introskopie, Holographie, Quantenakustik, Ultraschallphasenmetrie, Akustoelektronik.

Neben theoretischen und experimentellen Forschungen auf dem Gebiet des Ultraschalls wurden zahlreiche praktische Arbeiten durchgeführt. Es wurden universelle und spezielle Ultraschallmaschinen, Anlagen mit erhöhtem statischen Druck, ultraschallmechanisierte Anlagen zur Reinigung von Teilen, Generatoren mit erhöhter Frequenz und einem neuen Kühlsystem sowie Konverter mit gleichmäßig verteiltem Feld entwickelt. Es wurden automatische Ultraschallgeräte entwickelt und in die Produktion eingeführt, die in Produktionslinien integriert sind und eine deutliche Steigerung der Arbeitsproduktivität ermöglichen.

Ultraschall

Ultraschall (US) sind elastische Schwingungen und Wellen, deren Frequenz 15–20 kHz überschreitet. Die Untergrenze des Ultraschallfrequenzbereichs, die ihn vom Bereich des hörbaren Schalls trennt, wird durch die subjektiven Eigenschaften des menschlichen Gehörs bestimmt und ist bedingt, da die Obergrenze der Hörwahrnehmung bei jedem Menschen unterschiedlich ist. Die Obergrenze der Ultraschallfrequenzen wird durch die physikalische Natur elastischer Wellen bestimmt, die sich nur in einem materiellen Medium ausbreiten können, d. h. vorausgesetzt, dass die Wellenlänge deutlich größer ist als die mittlere freie Weglänge von Molekülen in einem Gas oder die interatomaren Abstände in Flüssigkeiten und Feststoffen. In Gasen bei Normaldruck liegt die Obergrenze der Ultraschallfrequenzen bei » 10 9 Hz, in Flüssigkeiten und Feststoffen erreicht die Grenzfrequenz 10 12 -10 13 Hz. Je nach Wellenlänge und Frequenz weist Ultraschall verschiedene spezifische Eigenschaften der Strahlung, des Empfangs, der Ausbreitung und der Anwendung auf, daher wird der Bereich der Ultraschallfrequenzen in drei Bereiche unterteilt:

· niedrige Ultraschallfrequenzen (1,5×10 4 – 10 5 Hz);

· Durchschnitt (10 5 – 10 7 Hz);

· hoch (10 7 – 10 9 Hz).

Elastische Wellen mit Frequenzen von 10 9 – 10 13 Hz werden allgemein als Hyperschall bezeichnet.

Ultraschall als elastische Wellen.

Ultraschallwellen (unhörbarer Schall) unterscheiden sich naturgemäß nicht von elastischen Wellen im hörbaren Bereich. Verteilt sich nur in Gasen und Flüssigkeiten längs Wellen und in Festkörpern - Längs- und Scherung S.

Die Ausbreitung von Ultraschall folgt den Grundgesetzen, die akustischen Wellen aller Frequenzbereiche gemeinsam sind. Zu den Grundgesetzen der Ausbreitung gehören: Gesetze der Schallreflexion und Schallbrechung an den Grenzen verschiedener Medien, Schallbeugung und Schallstreuung bei Hindernissen und Inhomogenitäten in der Umgebung sowie Unregelmäßigkeiten an den Grenzen, Gesetze der Wellenleiterausbreitung in begrenzten Bereichen der Umwelt. Eine wesentliche Rolle spielt der Zusammenhang zwischen der Schallwellenlänge l und der geometrischen Größe D – der Größe der Schallquelle oder des Hindernisses im Weg der Welle, der Größe der Inhomogenitäten des Mediums. Bei D>>l erfolgt die Schallausbreitung in der Nähe von Hindernissen hauptsächlich nach den Gesetzen der geometrischen Akustik (die Gesetze der Reflexion und Brechung können verwendet werden). Der Grad der Abweichung vom geometrischen Ausbreitungsmuster und die Notwendigkeit, Beugungsphänomene zu berücksichtigen, werden durch den Parameter bestimmt

, wobei r der Abstand vom Beobachtungspunkt zum Objekt ist, das die Beugung verursacht.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen in einem unbegrenzten Medium wird durch die Elastizitätseigenschaften und die Dichte des Mediums bestimmt. In begrenzten Umgebungen wird die Geschwindigkeit der Wellenausbreitung durch das Vorhandensein und die Art von Grenzen beeinflusst, was zu einer Frequenzabhängigkeit der Geschwindigkeit führt (Schallgeschwindigkeitsdispersion). Eine Abnahme der Amplitude und Intensität einer Ultraschallwelle bei ihrer Ausbreitung in eine bestimmte Richtung, d. h. Schalldämpfung, wird wie bei Wellen jeder Frequenz durch die Divergenz der Wellenfront mit der Entfernung von der Quelle, Streuung usw. verursacht Absorption von Schall. Bei allen Frequenzen sowohl im hörbaren als auch im unhörbaren Bereich kommt es zur sogenannten „klassischen“ Absorption, verursacht durch die Scherviskosität (innere Reibung) des Mediums. Hinzu kommt eine zusätzliche (Entspannungs-)Absorption, die oft deutlich über die „klassische“ Absorption hinausgeht.

Bei erheblicher Intensität der Schallwellen treten nichtlineare Effekte auf:

· das Superpositionsprinzip wird verletzt und es kommt zu Wellenwechselwirkungen, die zum Auftreten von Tönen führen;

· die Form der Welle ändert sich, ihr Spektrum wird mit höheren Harmonischen angereichert und die Absorption nimmt entsprechend zu;

· ab einem bestimmten Schwellenwert der Ultraschallintensität in der Flüssigkeit kommt es zur Kavitation (siehe unten).

Das Kriterium für die Anwendbarkeit der Gesetze der linearen Akustik und die Möglichkeit der Vernachlässigung nichtlinearer Effekte lautet: M<< 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Der Parameter M wird „Mach-Zahl“ genannt.

Besonderheiten des Ultraschalls

Obwohl die physikalische Natur des Ultraschalls und die Grundgesetze, die seine Ausbreitung bestimmen, die gleichen sind wie bei Schallwellen eines beliebigen Frequenzbereichs, weist er eine Reihe spezifischer Merkmale auf. Diese Merkmale sind auf relativ hohe Ultraschallfrequenzen zurückzuführen.

Die Kleinheit der Wellenlänge bestimmt radialer Charakter Ausbreitung von Ultraschallwellen. In der Nähe des Emitters breiten sich Wellen in Form von Strahlen aus, deren Quergröße nahe an der Größe des Emitters bleibt. Wenn ein solcher Strahl (Ultraschallstrahl) auf große Hindernisse trifft, erfährt er Reflexion und Brechung. Wenn der Strahl auf kleine Hindernisse trifft, entsteht eine Streuwelle, die es ermöglicht, kleine Inhomogenitäten im Medium (in der Größenordnung von Zehnteln und Hundertstel mm) zu erkennen. Reflexion und Streuung von Ultraschall an Inhomogenitäten des Mediums ermöglichen die Bildung optisch undurchsichtiger Medien Tonbilder Objekte mithilfe von Schallfokussierungssystemen, ähnlich wie bei der Verwendung von Lichtstrahlen.

Die Ultraschallfokussierung ermöglicht nicht nur die Gewinnung von Tonbildern (Sound-Vision- und akustische Holographiesysteme), sondern auch konzentrieren Schall Energie. Mithilfe von Ultraschall-Fokussierungssystemen ist es möglich, gezielt zu formen Richtwirkungseigenschaften Emitter und steuern diese.

Eine periodische Änderung des Brechungsindex von Lichtwellen, die mit einer Änderung der Dichte der Ultraschallwelle einhergeht, verursacht Lichtbeugung durch Ultraschall, beobachtet bei Ultraschallfrequenzen im Megahertz-Gigahertz-Bereich. In diesem Fall kann die Ultraschallwelle als Beugungsgitter betrachtet werden.

Der wichtigste nichtlineare Effekt im Ultraschallfeld ist Hohlraumbildung– das Auftreten einer Masse pulsierender Blasen in einer Flüssigkeit, die mit Dampf, Gas oder einer Mischung davon gefüllt sind. Die komplexe Bewegung von Blasen, ihr Zusammenbruch, ihre Verschmelzung usw. erzeugen Kompressionsimpulse (Mikroschockwellen) und Mikroströmungen in der Flüssigkeit, die eine lokale Erwärmung des Mediums und eine Ionisierung bewirken. Diese Effekte wirken sich auf den Stoff aus: Es kommt zur Zerstörung von Feststoffen in der Flüssigkeit ( Kavitationserosion) kommt es zu einer Durchmischung der Flüssigkeit, verschiedene physikalische und chemische Prozesse werden in Gang gesetzt oder beschleunigt. Durch Veränderung der Kavitationsbedingungen ist es möglich, verschiedene Kavitationseffekte zu verstärken oder abzuschwächen, zum Beispiel nimmt mit zunehmender Ultraschallfrequenz die Rolle von Mikroströmungen zu und Kavitationserosion ab, mit zunehmendem Druck in der Flüssigkeit nimmt die Rolle von Mikrostoßeinflüssen zu; Eine Erhöhung der Frequenz führt zu einer Erhöhung des Schwellenwerts der Intensität entsprechend dem Einsetzen der Kavitation, der von der Art der Flüssigkeit, ihrem Gasgehalt, der Temperatur usw. abhängt. Für Wasser bei Atmosphärendruck beträgt er normalerweise 0,3–1,0 W/cm 2 . Kavitation ist eine komplexe Reihe von Phänomenen. Ultraschallwellen, die sich in einer Flüssigkeit ausbreiten, bilden abwechselnd Bereiche mit hohem und niedrigem Druck, wodurch Zonen mit hoher Kompression und Verdünnungszonen entstehen. In einer verdünnten Zone nimmt der hydrostatische Druck so stark ab, dass die auf die Moleküle der Flüssigkeit wirkenden Kräfte größer werden als die Kräfte des intermolekularen Zusammenhalts. Infolge einer starken Änderung des hydrostatischen Gleichgewichts „platzt“ die Flüssigkeit und bildet zahlreiche winzige Gas- und Dampfbläschen. Im nächsten Moment, wenn in der Flüssigkeit ein hoher Druck entsteht, kollabieren die zuvor gebildeten Blasen. Der Prozess des Blasenkollapses geht mit der Bildung von Stoßwellen mit sehr hohem lokalem Momentandruck einher, der mehrere hundert Atmosphären erreicht.