Ultraääni mittayksikkö. Mikä on ultraääni ja miten sitä käytetään teollisuudessa?

Ultraääni

Ultraääni- elastiset värähtelyt, joiden taajuus ylittää ihmisen kuuluvuusrajan. Yleensä ultraäänialueen katsotaan olevan yli 18 000 hertsin taajuuksia.

Vaikka ultraäänen olemassaolo on ollut tiedossa pitkään, sen käytännön käyttö on varsin nuorta. Nykyään ultraääntä käytetään laajasti erilaisissa fysikaalisissa ja teknologisissa menetelmissä. Näin ollen äänen etenemisnopeutta väliaineessa käytetään arvioimaan sen fysikaalisia ominaisuuksia. Nopeusmittaukset ultraäänitaajuuksilla mahdollistavat esimerkiksi nopeiden prosessien adiabaattisten ominaisuuksien, kaasujen ominaislämpökapasiteetin ja kiinteiden aineiden kimmovakioiden määrittämisen hyvin pienillä virheillä.

Ultraäänilähteet

Teollisuudessa ja biologiassa käytettyjen ultraäänivärähtelyjen taajuus on useiden MHz:n luokkaa. Tällaisia värähtelyjä syntyy yleensä bariumtitaniitista valmistetuilla pietsokeraamisilla muuntimilla. Tapauksissa, joissa ultraäänivärähtelyn voima on ensisijaisen tärkeä, käytetään yleensä mekaanisia ultraäänilähteitä. Aluksi kaikki ultraääniaallot vastaanotettiin mekaanisesti (äänihaarukat, pillit, sireenit).

Luonnossa ultraääntä löytyy sekä monien luonnonäänien komponentteina (tuulen, vesiputouksen, sateen melussa, meren surffaamien kivien melussa, ukkosmyrskyjen mukana tulevissa äänissä jne.) että äänien joukossa. eläinmaailmasta. Jotkut eläimet käyttävät ultraääniaaltoja esteiden havaitsemiseen ja avaruudessa navigoimiseen.

Ultraäänilähettimet voidaan jakaa kahteen suureen ryhmään. Ensimmäinen sisältää emitterit-generaattorit; niissä olevat värähtelyt kiihtyvät, koska jatkuvan virtauksen tiellä on esteitä - kaasu- tai nestevirta. Toinen emitterien ryhmä ovat sähköakustiset muuntimet; ne muuttavat jo annetut sähköjännitteen tai -virran vaihtelut kiinteän kappaleen mekaanisiksi värähtelyiksi, jotka lähettävät akustisia aaltoja ympäristöön.

Galtonin pilli

Ensimmäisen ultraäänipillin valmisti vuonna 1883 englantilainen Galton. Ultraääni syntyy tässä samanlaisena kuin korkea ääni veitsen reunassa, kun ilmavirta osuu siihen. Tällaisen kärjen roolia Galton-pillissä esittää "huuli" pienessä sylinterimäisessä resonanssiontelossa. Korkealla paineella onton sylinterin läpi pakotettu kaasu osuu tähän "huuliin"; syntyy värähtelyjä, joiden taajuus (se on noin 170 kHz) määräytyy suuttimen ja huulen koon mukaan. Galtonin pillin voima on alhainen. Sitä käytetään pääasiassa komentojen antamiseen koiria ja kissoja koulutettaessa.

Nestemäinen ultraäänipilli

Useimmat ultraäänipillit voidaan mukauttaa toimimaan nestemäisissä ympäristöissä. Sähköisiin ultraäänilähteisiin verrattuna nestemäiset ultraäänipillit ovat pienitehoisia, mutta joskus esimerkiksi ultraäänihomogenoinnissa niillä on merkittävä etu. Koska ultraääniaallot syntyvät suoraan nestemäisessä väliaineessa, ultraääniaallot eivät menetä energiaa siirtyessään väliaineesta toiseen. Ehkä menestynein malli on nestemäinen ultraäänipilli, jonka englantilaiset tutkijat Cottel ja Goodman tekivät 1950-luvun alussa. Siinä korkeapaineinen nestevirta poistuu elliptisestä suuttimesta ja suuntautuu teräslevylle. Tämän mallin useat muunnelmat ovat tulleet melko laajalle homogeenisten väliaineiden saamiseksi. Suunnittelunsa yksinkertaisuuden ja vakauden vuoksi (vain värähtelevä levy tuhoutuu) tällaiset järjestelmät ovat kestäviä ja edullisia.

Sireeni

Toinen mekaanisen ultraäänilähteen tyyppi on sireeni. Sillä on suhteellisen suuri teho ja sitä käytetään poliisi- ja paloautoissa. Kaikki pyörivät sireenit koostuvat kammiosta, jonka päällä on levy (staattori), johon tehdään suuri määrä reikiä. Kammion - roottorin - sisällä pyörivässä levyssä on sama määrä reikiä. Kun roottori pyörii, siinä olevien reikien sijainti on ajoittain sama kuin staattorin reikien sijainti. Kammioon syötetään jatkuvasti paineilmaa, joka poistuu siitä niinä lyhyinä hetkinä, kun roottorin ja staattorin reiät osuvat kohdakkain.

Sireenien valmistuksen päätehtävä on ensinnäkin tehdä mahdollisimman monta reikää roottoriin ja toiseksi saavuttaa korkea pyörimisnopeus. Käytännössä näitä molempia vaatimuksia on kuitenkin erittäin vaikea täyttää.

Ultraääni luonnossa

Ultraäänisovellukset

Ultraäänen diagnostiset sovellukset lääketieteessä (ultraääni)

Ultraäänen hyvä leviäminen ihmisen pehmytkudoksissa, sen suhteellinen vaarattomuus röntgensäteisiin verrattuna ja helppokäyttöisyys magneettikuvaukseen verrattuna ovat ultraäänellä laajalti käytössä ihmisen sisäelinten tilan visualisoinnissa, erityisesti vatsa- ja lantioontelossa. .

Ultraäänen terapeuttiset sovellukset lääketieteessä

Sen lisäksi, että ultraääntä käytetään laajalti diagnostisiin tarkoituksiin (katso Ultraääni), sitä käytetään lääketieteessä terapeuttisena aineena.

Ultraäänellä on seuraavat vaikutukset:

anti-inflammatorinen, imukykyinen
analgeettinen, kouristuksia estävä
kavitaatio parantaa ihon läpäisevyyttä

Fonoforeesi on yhdistelmämenetelmä, jossa kudos altistetaan ultraäänelle ja sen avulla tuoduille lääkeaineille (sekä lääkkeille että luonnollisille aineille). Ultraäänen vaikutuksen alaisten aineiden johtuminen johtuu orvaskeden ja ihorauhasten, solukalvojen ja verisuonten seinämien läpäisevyyden lisääntymisestä pienimolekyylisille aineille, erityisesti biskofiittimineraali-ioneille. Lääkkeiden ja luonnonaineiden ultrafonoforeesin mukavuus:

terapeuttinen aine ei tuhoudu ultraäänellä annettuna
ultraäänen ja lääkeaineiden välistä synergiaa

Biskofiittifonoforeesin käyttöaiheet: nivelrikko, osteokondroosi, niveltulehdus, bursiitti, epikondyliitti, kantapään kannu, tuki- ja liikuntaelimistön vammojen jälkeiset tilat; Neuriitti, neuropatiat, radikuliitti, neuralgia, hermovauriot.

Bischofite-geeliä levitetään ja hoidettavalle alueelle tehdään mikrohieronta emitterin työpinnalla. Tekniikka on labiili, tavallinen ultrafonoforeesissa (nivelten ja selkärangan UVF:llä intensiteetti kohdunkaulan alueella on 0,2-0,4 W/cm2, rintakehän ja lannerangan alueella 0,4-0,6 W/cm2).

Metallin leikkaus ultraäänellä

Tavanomaisissa metallinleikkauskoneissa on mahdotonta porata metalliosaan monimutkaisen muodon kapeaa reikää, esimerkiksi viisisakaraisen tähden muodossa. Ultraäänen avulla tämä on mahdollista, magnetostriktiivinen vibraattori voi porata minkä tahansa muotoisen reiän. Ultraäänitalta korvaa täysin jyrsinkoneen. Lisäksi tällainen taltta on paljon yksinkertaisempi kuin jyrsinkone ja voi käsitellä metalliosia halvemmalla ja nopeammin kuin jyrsinkoneella.

Ultraääntä voidaan käyttää jopa metalliosien, lasin, rubiinin ja timanttien ruuvien leikkaamiseen. Tyypillisesti lanka valmistetaan ensin pehmeästä metallista ja sitten osa karkaistaan. Ultraäänikoneessa kierteet voidaan tehdä jo karkaistusta metallista ja kovimmista seoksista. Sama on postimerkkien kanssa. Yleensä leima kovetetaan sen jälkeen, kun se on huolellisesti viimeistelty. Ultraäänikoneessa monimutkaisin käsittely suoritetaan hioma-aineella (hioma, korundijauhe) ultraääniaallon alalla. Jatkuvasti värähtelevät ultraäänikentässä, kiinteän jauheen hiukkaset leikkaavat prosessoitavaan seokseen ja leikkaavat taltan muotoisen reiän.

Seosten valmistus ultraäänellä

Ultraääntä käytetään laajalti homogeenisten seosten valmistukseen (homogenointi). Jo vuonna 1927 amerikkalaiset tutkijat Leamus ja Wood havaitsivat, että jos kaksi sekoittumatonta nestettä (esimerkiksi öljy ja vesi) kaadetaan yhteen dekantterilasiin ja säteilytetään ultraäänellä, dekantterilasiin muodostuu emulsio, eli hieno öljysuspensio. vettä. Tällaisilla emulsioilla on tärkeä rooli teollisuudessa: lakat, maalit, lääketuotteet, kosmetiikka.

Ultraäänen käyttö biologiassa

Ultraäänen kyky rikkoa solukalvoja on löytänyt käyttöä biologisessa tutkimuksessa esimerkiksi silloin, kun solu on tarpeen erottaa entsyymeistä. Ultraääntä käytetään myös solunsisäisten rakenteiden, kuten mitokondrioiden ja kloroplastien, rikkomiseen niiden rakenteen ja toiminnan välisen suhteen tutkimiseksi. Toinen ultraäänen käyttö biologiassa liittyy sen kykyyn aiheuttaa mutaatioita. Oxfordissa tehty tutkimus osoitti, että jopa matalan intensiteetin ultraääni voi vahingoittaa DNA-molekyyliä. Keinotekoisella, kohdistetulla mutaatioiden luomisella on tärkeä rooli kasvinjalostuksessa. Ultraäänen tärkein etu muihin mutageeneihin (röntgen, ultraviolettisäteet) verrattuna on, että sen kanssa on erittäin helppo työskennellä.

Ultraäänen käyttö puhdistukseen

Ultraäänen käyttö mekaanisessa puhdistuksessa perustuu erilaisten epälineaaristen vaikutusten esiintymiseen nesteessä sen vaikutuksen alaisena. Näitä ovat kavitaatio, akustiset virtaukset ja äänenpaine. Kavitaatiolla on päärooli. Sen kuplat, jotka syntyvät ja romahtavat lähellä epäpuhtauksia, tuhoavat ne. Tämä vaikutus tunnetaan nimellä kavitaatioeroosio. Näihin tarkoituksiin käytetyllä ultraäänellä on matalat taajuudet ja lisääntynyt teho.

Laboratorio- ja tuotanto-olosuhteissa ultraäänikylpyjä, jotka on täytetty liuottimella (vesi, alkoholi jne.), käytetään pienten osien ja astioiden pesuun. Joskus heidän avullaan jopa juurekset (perunat, porkkanat, punajuuret jne.) pestään maapartikkeleista.

Ultraäänen käyttö virtausmittauksessa

Viime vuosisadan 60-luvulta lähtien ultraäänivirtausmittareita on käytetty teollisuudessa virtauksen säätämiseen ja veden ja jäähdytysnesteen laskemiseen.

Ultraäänen käyttö vikojen havaitsemisessa

Ultraääni leviää hyvin joissakin materiaaleissa, minkä ansiosta sitä voidaan käyttää näistä materiaaleista valmistettujen tuotteiden ultraäänivirheiden havaitsemiseen. Viime aikoina ultraäänimikroskopian suunta on kehittynyt, mikä mahdollistaa materiaalin pintakerroksen tutkimisen hyvällä resoluutiolla.

Ultraäänihitsaus

Ultraäänihitsaus on painehitsausta, joka suoritetaan ultraäänivärähtelyn vaikutuksesta. Tämän tyyppistä hitsausta käytetään vaikeasti lämmitettävien osien liittämiseen tai yhdistettäessä erilaisia metalleja tai metalleja vahvoilla oksidikalvoilla (alumiini, ruostumattomat teräkset, permalloysta valmistetut magneettisydämet jne.). Ultraäänihitsausta käytetään integroitujen piirien valmistuksessa.

Ultraäänen käyttö galvanoinnissa

Ultraäänellä tehostetaan galvaanisia prosesseja ja parannetaan sähkökemiallisin menetelmin valmistettujen pinnoitteiden laatua.

Ultraääni- korkeataajuiset elastiset äänivärähtelyt. Ihmiskorva havaitsee elastisia aaltoja, jotka etenevät väliaineessa taajuudella noin 16-20 kHz; Korkeamman taajuuden värähtelyt ovat ultraääntä (äänirajan ulkopuolella). Tyypillisesti ultraäänialueen katsotaan olevan taajuusalue 20 000 - miljardi Hz. Äänivärähtelyjä, joiden taajuus on korkeampi, kutsutaan hyperääneksi. Nesteissä ja kiinteissä aineissa äänen värähtely voi olla 1000 GHz

Vaikka tutkijat ovat tienneet ultraäänen olemassaolosta pitkään, sen käytännön käyttö tieteessä, tekniikassa ja teollisuudessa alkoi suhteellisen hiljattain. Nyt ultraääntä käytetään laajasti fysiikan, tekniikan, kemian ja lääketieteen aloilla.

Ultraäänilähteet

Teollisuudessa ja biologiassa käytettävien ultrakorkeataajuisten ultraääniaaltojen taajuus on useiden MHz:n luokkaa. Tällaisten säteiden fokusointi suoritetaan yleensä käyttämällä erityisiä äänilinssejä ja peilejä. Ultraäänisäde, jolla on tarvittavat parametrit, voidaan saada sopivalla muuntimella. Yleisimmät keraamiset muuntimet ovat bariumtitaniitti. Tapauksissa, joissa ultraäänisäteen teho on ensisijaisen tärkeä, käytetään yleensä mekaanisia ultraäänilähteitä. Aluksi kaikki ultraääniaallot vastaanotettiin mekaanisesti (äänihaarukat, pillit, sireenit).

Luonnossa ultraääntä esiintyy sekä monien luonnonäänien osana (tuulen, vesiputouksen, sateen melussa, meren surffaamien kivien melussa, ukkosmyrskyjen mukana tulevissa äänissä jne.) että äänien joukossa. eläinmaailman ääniä. Jotkut eläimet käyttävät ultraääniaaltoja esteiden havaitsemiseen ja avaruudessa navigoimiseen.

Ultraäänen leviäminen.

Ultraäänen eteneminen on prosessi, jossa ääniaallon häiriöt liikkuvat avaruudessa ja ajassa.

Ääniaalto etenee aineessa kaasumaisessa, nestemäisessä tai kiinteässä tilassa samaan suuntaan, johon tämän aineen hiukkaset siirtyvät, eli se aiheuttaa väliaineen muodonmuutoksia. Muodonmuutos koostuu siitä, että väliaineen tiettyjen tilavuuksien peräkkäinen purkaus ja puristus tapahtuu, ja kahden vierekkäisen alueen välinen etäisyys vastaa ultraääniaallon pituutta. Mitä suurempi väliaineen ominaisakustinen vastus on, sitä suurempi on väliaineen puristus- ja harventumisaste tietyllä värähtelyamplitudilla.

Aaltoenergian siirtoon osallistuvat väliaineen hiukkaset värähtelevät tasapainoasemansa ympärillä. Nopeutta, jolla hiukkaset värähtelevät keskimääräisen tasapainoasennon ympärillä, kutsutaan värähteleväksi

nopeus.

Diffraktio, interferenssi

Ultraääniaaltojen leviäessä diffraktio-, häiriö- ja heijastusilmiöt ovat mahdollisia.

Diffraktio (esteiden ympärille taipuvat aallot) tapahtuu, kun ultraäänen aallonpituus on verrattavissa (tai suurempi) reitillä olevan esteen kokoon. Jos este on suuri verrattuna akustiseen aallonpituuteen, diffraktioilmiötä ei ole.

Kun useita ultraääniaaltoja liikkuu samanaikaisesti kudoksessa tietyssä väliaineen kohdassa, näiden aaltojen superpositio voi tapahtua. Tätä aaltojen päällekkäisyyttä toistensa päälle kutsutaan yleisesti interferenssiksi. Jos ultraääniaallot leikkaavat biologisen kohteen läpikulkuprosessissa, havaitaan tietyssä vaiheessa biologisessa ympäristössä värähtelyjen lisääntymistä tai laskua. Häiriön tulos riippuu ultraäänivärähtelyjen vaiheiden avaruudellisesta suhteesta väliaineen tietyssä kohdassa. Jos ultraääniaallot saavuttavat tietyn väliaineen alueen samoissa vaiheissa (vaiheessa), hiukkasten siirtymillä on samat merkit ja häiriöt sellaisissa olosuhteissa auttavat lisäämään ultraäänivärähtelyjen amplitudia. Jos ultraääniaallot saapuvat tietylle alueelle vastavaiheessa, hiukkasten siirtymiseen liittyy erilaisia merkkejä, mikä johtaa ultraäänivärähtelyjen amplitudin laskuun.

Häiriöllä on tärkeä rooli ultraäänilähettimen ympärillä olevissa kudoksissa esiintyvien ilmiöiden arvioinnissa. Häiriöt ovat erityisen tärkeitä, kun ultraääniaallot etenevät vastakkaisiin suuntiin heijastuttuaan esteestä.

Ultraääniaaltojen absorptio

Jos väliaineessa, jossa ultraääni etenee, on viskositeetti ja lämmönjohtavuus tai siinä on muita sisäisiä kitkaprosesseja, tapahtuu äänen absorptio aallon edetessä, eli kun se siirtyy pois lähteestä, ultraäänivärähtelyjen amplitudi pienenee, sekä niiden kantama energia. Väliaine, jossa ultraääni etenee, on vuorovaikutuksessa sen läpi kulkevan energian kanssa ja absorboi osan siitä. Valtaosa absorboidusta energiasta muuttuu lämmöksi, pienempi osa aiheuttaa peruuttamattomia rakenteellisia muutoksia välittävään aineeseen. Absorptio on seurausta hiukkasten kitkasta toisiaan vastaan, se on erilainen eri väliaineissa. Absorptio riippuu myös ultraäänivärähtelyjen taajuudesta. Teoreettisesti absorptio on verrannollinen taajuuden neliöön.

Absorption määrää voidaan luonnehtia absorptiokertoimella, joka osoittaa kuinka ultraäänen intensiteetti muuttuu säteilytetyssä väliaineessa. Se kasvaa taajuuden kasvaessa. Ultraäänivärähtelyjen voimakkuus väliaineessa laskee eksponentiaalisesti. Tämä prosessi johtuu sisäisestä kitkasta, absorboivan väliaineen lämmönjohtavuudesta ja sen rakenteesta. Sille on karkeasti tunnusomaista puoliabsorboivan kerroksen koko, joka osoittaa millä syvyydellä värähtelyjen voimakkuus vähenee puoleen (tarkemmin sanottuna 2,718 kertaa tai 63 %). Pahlmanin mukaan 0,8 MHz:n taajuudella joidenkin kudosten puoliabsorboivan kerroksen keskiarvot ovat seuraavat: rasvakudos - 6,8 cm; lihaksikas - 3,6 cm; rasva- ja lihaskudos yhdessä - 4,9 cm ultraäänitaajuuden kasvaessa puoliabsorboivan kerroksen koko pienenee. Joten 2,4 MHz:n taajuudella rasva- ja lihaskudoksen läpi kulkevan ultraäänen intensiteetti puolittuu 1,5 cm:n syvyydessä.

Lisäksi ultraäänivärähtelyjen energian epänormaali absorptio joillakin taajuusalueilla on mahdollista - tämä riippuu tietyn kudoksen molekyylirakenteen ominaisuuksista. Tiedetään, että 2/3 ultraäänienergiasta vaimenee molekyylitasolla ja 1/3 mikroskooppisten kudosrakenteiden tasolla.

Ultraääniaaltojen tunkeutumissyvyys

Ultraäänen tunkeutumissyvyys tarkoittaa syvyyttä, jossa intensiteetti pienenee puoleen. Tämä arvo on kääntäen verrannollinen absorptioon: mitä voimakkaammin väliaine absorboi ultraääntä, sitä lyhyemmällä matkalla ultraäänen intensiteetti vaimenee puoleen.

Ultraääniaaltojen sironta

Jos väliaineessa on epähomogeenisuuksia, tapahtuu äänen sirontaa, joka voi merkittävästi muuttaa ultraäänen yksinkertaista etenemiskuviota ja lopulta myös saada aallon vaimenemaan alkuperäiseen etenemissuuntaan.

Ultraääniaaltojen taittuminen

Koska ihmisen pehmytkudosten akustinen vastus ei juuri eroa veden vastuskyvystä, voidaan olettaa, että ultraääniaaltojen taittuminen havaitaan väliaineiden rajapinnalla (epidermis - dermis - fascia - lihas).

Ultraääniaaltojen heijastus

Ultraäänidiagnostiikka perustuu heijastusilmiöön. Heijastus tapahtuu ihon ja rasvan, rasvan ja lihaksen, lihasten ja luun raja-alueilla. Jos ultraääni eteneessään kohtaa esteen, heijastus tapahtuu, jos este on pieni, niin ultraääni näyttää virtaavan sen ympäri. Rungon heterogeenisyydet eivät aiheuta merkittäviä poikkeamia, koska aallonpituuteen (2 mm) verrattuna niiden koot (0,1-0,2 mm) voidaan jättää huomiotta. Jos ultraääni polullaan kohtaa elimiä, joiden mitat ovat aallonpituutta suuremmat, tapahtuu ultraäänen taittuminen ja heijastus. Voimakkain heijastus havaitaan luun - ympäröivän kudoksen ja kudoksen - ilman rajoilla. Ilman tiheys on pieni ja ultraäänen lähes täydellinen heijastus havaitaan. Ultraääniaaltojen heijastus havaitaan lihaksen - periosteumin - luun rajalla, onttojen elinten pinnalla.

Liikkuvat ja seisovat ultraääniaallot

Jos ultraääniaallot etenevät väliaineessa, ne eivät heijastu, syntyy liikkuvia aaltoja. Energiahäviöiden seurauksena väliaineen hiukkasten värähtelyliikkeet vaimentuvat vähitellen, ja mitä kauemmaksi hiukkaset sijaitsevat säteilevästä pinnasta, sitä pienempi on niiden värähtelyjen amplitudi. Jos ultraääniaaltojen etenemisreitillä on kudoksia, joilla on erilaiset ominaiset akustiset resistanssit, ultraääniaallot heijastuvat tavalla tai toisella rajapinnasta. Tulevien ja heijastuneiden ultraääniaaltojen superpositio voi aiheuttaa seisovia aaltoja. Jotta seisovia aaltoja esiintyisi, etäisyyden emitteripinnasta heijastavaan pintaan on oltava puolen aallonpituuden kerrannainen.

Ultraääni

Ultraääni- elastiset värähtelyt, joiden taajuus ylittää ihmisen kuuluvuusrajan. Yleensä ultraäänialueen katsotaan olevan yli 18 000 hertsin taajuuksia.

Ultraäänilähteet

Galtonin pilli

Nestemäinen ultraäänipilli

Sireeni

Ultraääni luonnossa

Ultraäänisovellukset

Ultraäänen diagnostiset sovellukset lääketieteessä (ultraääni)

Ultraäänen terapeuttiset sovellukset lääketieteessä

Sen lisäksi, että ultraääntä käytetään laajalti diagnostisiin tarkoituksiin (katso Ultraääni), sitä käytetään lääketieteessä terapeuttisena aineena.

Ultraäänellä on seuraavat vaikutukset:

anti-inflammatorinen, imukykyinen
analgeettinen, kouristuksia estävä
kavitaatio parantaa ihon läpäisevyyttä

terapeuttinen aine ei tuhoudu ultraäänellä annettuna
ultraäänen ja lääkeaineiden välistä synergiaa

Käyttöaiheet biskofiittifonoforeesille: nivelrikko, osteokondroosi, niveltulehdus, bursiitti, epikondyliitti, kantapään kannu, tuki- ja liikuntaelimistön vammojen jälkeiset tilat; Neuriitti, neuropatiat, radikuliitti, neuralgia, hermovauriot.

Metallin leikkaus ultraäänellä

Seosten valmistus ultraäänellä

Ultraäänen käyttö biologiassa

Ultraäänen käyttö puhdistukseen

Ultraäänen käyttö virtausmittauksessa

Viime vuosisadan 60-luvulta lähtien ultraäänivirtausmittareita on käytetty teollisuudessa virtauksen säätämiseen ja veden ja jäähdytysnesteen laskemiseen.

Ultraäänen käyttö vikojen havaitsemisessa

Ultraäänihitsaus

Ultraäänihitsaus on painehitsausta, joka suoritetaan ultraäänivärähtelyn vaikutuksesta. Tämän tyyppistä hitsausta käytetään vaikeasti lämmitettävien osien liittämiseen tai kun yhdistetään erilaisia metalleja tai metalleja vahvoilla oksidikalvoilla (alumiini, ruostumattomat teräkset, permalloy-magneettiytimet jne.). Tätä käytetään integroitujen piirien valmistuksessa.

Venäjän työsuojelun tietosanakirja

Elastiset aallot, joiden taajuudet ovat n. (1,5 2) 104 Hz (15 20 kHz) - 109 Hz (1 GHz); taajuusalue U. 109 - 1012 1013 Hz kutsutaan yleensä. hyperääni. U:n taajuusalue on kätevästi jaettu kolmeen alueeseen: U. matalat taajuudet (1,5 104 105 Hz), U. ... ... Fyysinen tietosanakirja

ULTRAÄÄNI, ihmiskorville kuulumattomia elastisia aaltoja, joiden taajuudet ylittävät 20 kHz. Ultraääni sisältyy tuulen ja meren meluun, useat eläimet (lepakat, delfiinit, kalat, hyönteiset jne.) lähettävät ja havaitsevat sen, on läsnä melussa... ... Nykyaikainen tietosanakirja

Elastiset aallot, joita ihmiskorva ei kuule ja joiden taajuudet ylittävät 20 kHz. Ultraääni sisältyy tuulen ja meren meluun, ja monet eläimet (lepakat, kalat, hyönteiset jne.) lähettävät ja havaitsevat sen, ja sitä esiintyy myös autojen melussa. Käytetty... ... Suuri Ensyklopedinen sanakirja

Elastiset aallot, joiden värähtelytaajuudet ovat 20 kHz - 1 GHz. Ultraäänen tärkeimmät käyttöalueet ovat kaikuluotain, vedenalainen viestintä, navigointi, aseiden etsiminen, syvänmeren tutkimus jne. EdwART. Selittävä Naval Dictionary, 2010 ... Marine Dictionary

Ultraääni- elastiset värähtelyt ja aallot, joiden taajuudet ylittävät ihmisen kuuluvuusalueen...

2000-luku on radioelektroniikan, atomin, avaruustutkimuksen ja ultraäänen vuosisata. Ultraäänitiede on nykyään suhteellisen nuori. 1800-luvun lopulla P. N. Lebedev, venäläinen tiedemies-fysiologi, suoritti ensimmäiset tutkimuksensa. Tämän jälkeen monet tunnetut tutkijat alkoivat tutkia ultraääntä.

Mikä on ultraääni?

Ultraääni on etenevä aaltomainen värähtelevä liike, jonka suorittavat väliaineen hiukkaset. Sillä on omat ominaisuutensa, jotka erottavat sen kuuluvuusalueen äänistä. Ultraäänialueella on suhteellisen helppoa saada suunnattua säteilyä. Lisäksi se tarkentaa hyvin, ja sen seurauksena suoritettujen värähtelyjen voimakkuus kasvaa. Kiinteissä aineissa, nesteissä ja kaasuissa leviäessään ultraääni synnyttää mielenkiintoisia ilmiöitä, jotka ovat löytäneet käytännön käyttöä monilla tekniikan ja tieteen aloilla. Tätä on ultraääni, jonka rooli on nykyään erittäin suuri elämän eri aloilla.

Ultraäänen rooli tieteessä ja käytännössä

Ultraäänellä on ollut viime vuosina yhä tärkeämpi rooli tieteellisessä tutkimuksessa. Kokeellinen ja teoreettinen tutkimus akustisten virtausten ja ultraäänikavitaation alalla suoritettiin onnistuneesti, mikä antoi tutkijoille mahdollisuuden kehittää teknologisia prosesseja, jotka tapahtuvat, kun ne altistetaan ultraäänelle nestefaasissa. Se on tehokas menetelmä tutkia erilaisia ilmiöitä sellaisella tiedon alalla kuin fysiikka. Ultraääntä käytetään esimerkiksi puolijohde- ja puolijohdefysiikassa. Nykyään muodostuu erillinen kemian haara, nimeltään "ultraäänikemia". Sen käyttö mahdollistaa monien kemiallisten ja teknisten prosessien nopeuttamisen. Syntyi myös molekyyliakustiikka - uusi akustiikan haara, joka tutkii molekyylien vuorovaikutusta aineen kanssa. Uusia ultraäänen käyttöalueita on ilmaantunut: holografia, introskopia, akustoelektroniikka, ultraäänifaasimetria, kvanttiakustiikka.

Tällä alalla on tehty kokeellisen ja teoreettisen työn lisäksi monia käytännön töitä. Tuotantolinjoihin on kehitetty erikois- ja yleiskäyttöisiä ultraäänikoneita, kohonneessa staattisessa paineessa toimivia asennuksia jne., jotka voivat lisätä merkittävästi työn tuottavuutta.

Lisää ultraäänestä

Kerromme lisää siitä, mitä ultraääni on. Olemme jo sanoneet, että nämä ovat elastisia aaltoja ja ultraääni on yli 15-20 kHz. Kuulomme subjektiiviset ominaisuudet määräävät ultraäänitaajuuksien alarajan, joka erottaa sen kuultavan äänen taajuudesta. Tämä raja on siis mielivaltainen, ja jokainen meistä määrittelee eri tavalla, mikä ultraääni on. Ylärajan osoittavat elastiset aallot ja niiden fyysinen luonne. Ne leviävät vain aineellisessa väliaineessa, eli aallonpituuden tulee olla huomattavasti suurempi kuin kaasussa olevien molekyylien vapaa reitti tai atomien väliset etäisyydet kiinteissä aineissa ja nesteissä. Kaasujen normaalipaineessa ultraäänitaajuuksien yläraja on 10 9 Hz ja kiinteissä aineissa ja nesteissä - 10 12 -10 13 Hz.

Ultraäänilähteet

Ultraääntä esiintyy luonnossa sekä monien luonnollisten äänien osana (vesiputoukset, tuuli, sade, surffauksen vierittelemät kivet, samoin kuin ukkosmyrskyjen mukana tulevissa äänissä jne.) että kiinteänä osana eläinmaailmaa. Jotkut eläinlajit käyttävät sitä navigoidakseen avaruudessa ja havaitakseen esteitä. Tiedetään myös, että delfiinit käyttävät ultraääntä luonnossa (lähinnä taajuuksia 80-100 kHz). Tässä tapauksessa niiden lähettämien sijaintisignaalien teho voi olla erittäin suuri. Tiedetään, että delfiinit pystyvät havaitsemaan kalaparvia, jotka sijaitsevat jopa kilometrin päässä niistä.

Ultraäänilähettimet (lähteet) on jaettu 2 suureen ryhmään. Ensimmäiset ovat generaattoreita, joissa värähtelyt kiihtyvät jatkuvan virtauksen tielle asetettujen esteiden - neste- tai kaasusuihkun - vuoksi. Toinen ryhmä, johon ultraäänilähteitä voidaan yhdistää, ovat sähköakustiset muuntimet, jotka muuttavat tietyt virran tai sähköjännitteen vaihtelut kiinteän kappaleen suorittamiksi mekaanisiksi värähtelyiksi, jotka lähettävät akustisia aaltoja ympäristöön.

Ultraäänivastaanottimet

Keskimäärin ultraäänivastaanottimet ovat useimmiten pietsosähköisiä sähköakustisia muuntimia. Ne voivat toistaa vastaanotetun akustisen signaalin muodon, joka esitetään äänenpaineen aikariippuvuutena. Laitteet voivat olla joko laajakaistaisia tai resonoivia riippuen käyttöolosuhteista, joihin ne on tarkoitettu. Lämpövastaanottimia käytetään aikakeskiarvoisten äänikentän ominaisuuksien saamiseksi. Ne ovat termistoreita tai termopareja, jotka on päällystetty ääntä vaimentavalla aineella. Äänenpainetta ja intensiteettiä voidaan arvioida myös optisilla menetelmillä, kuten valon diffraktiolla ultraäänellä.

Missä ultraääntä käytetään?

Sen käyttöalueita on monia ultraäänen eri ominaisuuksien avulla. Nämä alueet voidaan jakaa kolmeen alueeseen. Ensimmäinen niistä liittyy erilaisten tietojen saamiseen ultraääniaaltojen kautta. Toinen suunta on sen aktiivinen vaikutus aineeseen. Ja kolmas liittyy signaalien lähettämiseen ja käsittelyyn. Jokaisessa erityistapauksessa käytetään erityistä ultraääntä. Kerromme sinulle vain joistakin niistä monista aloista, joilla se on löytänyt sovelluksensa.

Ultraäänipuhdistus

Tällaisen puhdistuksen laatua ei voi verrata muihin menetelmiin. Esimerkiksi osien huuhtelun yhteydessä niiden pinnalle jää jopa 80 % epäpuhtauksista, tärinäpuhdistuksessa noin 55 %, manuaalisessa puhdistuksessa noin 20 % ja ultraäänipuhdistuksessa saasteista jää jäljelle enintään 0,5 %. Monimutkaisen muotoiset osat voidaan puhdistaa perusteellisesti vain ultraäänellä. Sen käytön tärkeä etu on korkea tuottavuus sekä alhaiset fyysiset työkustannukset. Lisäksi kalliit ja syttyvät orgaaniset liuottimet voidaan korvata halvoilla ja turvallisilla vesiliuoksilla, käyttää nestemäistä freonia jne.

Vakava ongelma on ilmansaasteet noen, savun, pölyn, metallioksidien jne. kanssa. Voit käyttää ultraäänimenetelmää ilman ja kaasun puhdistamiseen kaasun ulostuloissa kosteudesta ja lämpötilasta riippumatta. Jos ultraäänilähetin sijoitetaan pölysedimentointikammioon, sen tehokkuus kasvaa satoja kertoja. Mikä on tällaisen puhdistuksen ydin? Ilmassa satunnaisesti liikkuvat pölyhiukkaset törmäävät toisiinsa kovemmin ja useammin ultraäänivärähtelyn vaikutuksesta. Samaan aikaan niiden koko kasvaa, koska ne sulautuvat yhteen. Koagulaatio on hiukkasten laajentumisprosessi. Erikoissuodattimet sieppaavat niiden raskaat ja suurentuneet kerääntymät.

Hauraiden ja erittäin kovien materiaalien mekaaninen käsittely

Jos työnnät työkappaleen ja työkalun työpinnan väliin ultraäänellä, hankaavat hiukkaset alkavat vaikuttaa tämän osan pintaan emitterin käytön aikana. Tässä tapauksessa materiaali tuhotaan ja poistetaan, ja se käsitellään monien suunnattujen mikroiskujen vaikutuksesta. Käsittelyn kinematiikka koostuu pääliikkeestä - leikkauksesta, eli työkalun suorittamista pitkittäisvärähtelyistä ja apuliikkeestä - syöttöliikkeestä, jonka laite suorittaa.

Ultraäänellä voi tehdä monenlaista. Hiomarakeiden energianlähde on pitkittäisvärähtely. Ne tuhoavat käsitellyn materiaalin. Syöttöliike (apu) voi olla ympyrämäistä, poikittaista ja pitkittäistä. Ultraäänikäsittelyllä on suurempi tarkkuus. Hioma-aineen raekoon mukaan se vaihtelee 50 - 1 mikroniin. Erimuotoisten työkalujen avulla voit tehdä reikien lisäksi monimutkaisia leikkauksia, kaarevia akseleita, kaivertaa, hioa, tehdä meistiä ja jopa porata timantteja. Hioma-aineina käytetään korundia, timanttia, kvartsihiekkaa, piikiviä.

Ultraääni radioelektroniikassa

Ultraääntä tekniikassa käytetään usein radioelektroniikan alalla. Tällä alueella on usein tarve viivästyttää sähköistä signaalia suhteessa johonkin toiseen. Tutkijat ovat löytäneet onnistuneen ratkaisun ehdottamalla ultraääniviivelinjojen (lyhennettynä LZ) käyttöä. Heidän toimintansa perustuu siihen, että sähköimpulssit muunnetaan ultraääniimpulsseiksi. Tosiasia on, että ultraäänen nopeus on huomattavasti pienempi kuin se, joka on kehitetty. Jännitepulssi, kun se on muutettu takaisin sähkömekaanisiksi värähtelyiksi, viivästyy linjan ulostulossa tulopulssiin nähden.

Pietsosähköisiä ja magnetostriktiivisia muuntimia käytetään sähkövärähtelyjen muuttamiseksi mekaanisiksi ja päinvastoin. Tämän mukaisesti LZ:t jaetaan pietsosähköisiin ja magnetostriktiivisiin.

Ultraääni lääketieteessä

Eläviin organismeihin vaikuttamiseen käytetään erilaisia ultraääniä. Sen käyttö on nykyään erittäin suosittua lääketieteellisessä käytännössä. Se perustuu vaikutuksiin, joita esiintyy biologisissa kudoksissa, kun ultraääni kulkee niiden läpi. Aallot aiheuttavat väliaineen hiukkasten värähtelyä, mikä luo eräänlaisen kudosmikrohieronnan. Ja ultraäänen absorptio johtaa niiden paikalliseen kuumenemiseen. Samaan aikaan biologisissa väliaineissa tapahtuu tiettyjä fysikaalis-kemiallisia muutoksia. Nämä ilmiöt eivät aiheuta peruuttamattomia vahinkoja kohtuullisen äänenvoimakkuuden tapauksessa. Ne vain parantavat aineenvaihduntaa ja edistävät siten niille alttiina olevan organismin toimintaa. Tällaisia ilmiöitä käytetään ultraäänihoidossa.

Ultraääni leikkauksessa

Kavitaatio ja voimakas kuumennus korkealla intensiteetillä johtavat kudosten tuhoutumiseen. Tätä vaikutusta käytetään nykyään leikkauksessa. Kirurgisissa leikkauksissa käytetään fokusoitua ultraääntä, joka mahdollistaa paikallisen tuhoutumisen syvimmissä rakenteissa (esimerkiksi aivoissa) vahingoittamatta ympäröiviä rakenteita. Leikkauksessa käytetään myös ultraäänilaitteita, joissa työpää näyttää viilalta, skalpellilta tai neulalta. Niiden päälle kohdistuva tärinä antaa näille laitteille uusia ominaisuuksia. Tarvittava voima vähenee merkittävästi, joten leikkauksen traumatismi vähenee. Lisäksi ilmenee analgeettinen ja hemostaattinen vaikutus. Ultraäänellä altistamista tylpälle instrumentille käytetään tuhoamaan tietyntyyppiset kasvaimet, jotka ovat ilmaantuneet kehoon.

Vaikutus biologiseen kudokseen suoritetaan mikro-organismien tuhoamiseksi ja sitä käytetään lääkkeiden ja lääketieteellisten instrumenttien sterilointiprosesseissa.

Sisäelinten tutkimus

Periaatteessa puhumme vatsaontelon tutkimisesta. Tätä tarkoitusta varten käytetään erityistä laitetta. Ultraäänellä voidaan löytää ja tunnistaa erilaisia kudospoikkeavuuksia ja anatomisia rakenteita. Tehtävä on usein seuraava: epäillään pahanlaatuista muodostumaa ja se on tarpeen erottaa hyvänlaatuisesta tai tarttuvasta muodostelmasta.

Ultraääni on hyödyllinen maksan tutkimuksessa ja muiden ongelmien ratkaisemisessa, kuten sappitieteiden tukkeumien ja sairauksien havaitsemisessa sekä sappirakon tutkimuksessa kivien ja muiden sairauksien havaitsemiseksi. Lisäksi voidaan käyttää kirroosin ja muiden diffuusien hyvänlaatuisten maksasairauksien tutkimusta.

Gynekologian alalla, lähinnä munasarjojen ja kohdun analyysissä, ultraäänen käyttö on pitkään ollut pääsuunta, jossa sitä on toteutettu erityisen menestyksekkäästi. Usein tämä edellyttää myös hyvänlaatuisten ja pahanlaatuisten muodostumien erottamista, mikä edellyttää yleensä parasta kontrastia ja avaruudellista erottelukykyä. Samanlaiset johtopäätökset voivat olla hyödyllisiä monien muiden sisäelinten tutkimuksessa.

Ultraäänen käyttö hammaslääketieteessä

Ultraääni on löytänyt sovelluksensa myös hammaslääketieteessä, jossa sitä käytetään hammaskiven poistamiseen. Sen avulla voit poistaa plakin ja kivet nopeasti, verettömästi ja kivuttomasti. Tässä tapauksessa suun limakalvo ei vahingoitu, ja ontelon "taskut" desinfioidaan. Kivun sijaan potilas kokee lämmön tunnetta.

Jos jokin kappale värähtelee elastisessa väliaineessa nopeammin kuin väliaine ehtii virrata sen ympärillä, sen liike joko puristaa tai harventaa väliainetta. Korkea- ja matalapaineiset kerrokset siroavat värähtelevästä kappaleesta kaikkiin suuntiin ja muodostavat ääniaaltoja. Jos aallon luovan kehon värähtelyt seuraavat toisiaan vähintään 16 kertaa sekunnissa, enintään 18 tuhatta kertaa sekunnissa, niin ihmiskorva kuulee ne.

16-18 000 Hz:n taajuuksia, jotka ihmisen kuulolaite pystyy havaitsemaan, kutsutaan yleensä äänitaajuuksiksi, esimerkiksi hyttysen vinkuksi »10 kHz. Mutta ilma, merten syvyydet ja maan sisäosat ovat täynnä ääniä, jotka ovat tämän alueen ala- ja yläpuolella - infra ja ultraääni. Luonnossa ultraääni esiintyy monien luonnonäänien osana: tuulen, vesiputousten, sateen, surffauksen pyörittämien merikivien melussa ja ukkosmyrskyissä. Monilla nisäkkäillä, kuten kissoilla ja koirilla, on kyky havaita ultraääntä jopa 100 kHz:n taajuudella, ja lepakoiden, yöllisten hyönteisten ja merieläinten paikannuskyvyt ovat kaikkien tuttuja. Kuulemattomien äänten olemassaolo havaittiin akustiikan kehityksen myötä 1800-luvun lopulla. Samaan aikaan aloitettiin ensimmäiset ultraäänitutkimukset, mutta sen käytön perusta luotiin vasta 1900-luvun ensimmäisellä kolmanneksella.

Ultraäänialueen alarajaa kutsutaan elastiseksi värähtelyksi taajuudella 18 kHz. Ultraäänen ylärajan määrää elastisten aaltojen luonne, jotka voivat levitä vain sillä ehdolla, että aallonpituus on huomattavasti suurempi kuin molekyylien vapaa reitti (kaasuissa) tai atomien väliset etäisyydet (nesteissä ja kaasuissa). Kaasuissa yläraja on »106 kHz, nesteissä ja kiinteissä aineissa »1010 kHz. Pääsääntöisesti taajuuksia 106 kHz asti kutsutaan ultraääniksi. Korkeampia taajuuksia kutsutaan yleisesti hyperääniksi.

Ultraääniaallot eivät luonteeltaan eroa kuuloalueen aalloista ja noudattavat samoja fysikaalisia lakeja. Mutta ultraäänellä on erityispiirteitä, jotka ovat määrittäneet sen laajan käytön tieteessä ja tekniikassa. Tässä ovat tärkeimmät:

Lyhyt aallonpituus. Alimmalla ultraäänialueella aallonpituus ei ylitä useita senttimetrejä useimmissa medioissa. Lyhyt aallonpituus määrittää ultraääniaaltojen etenemisen säteen luonteen. Lähellä emitteriä ultraääni etenee säteiden muodossa, jotka ovat samankokoisia kuin emitterin koko. Kun ultraäänisäde osuu väliaineen epähomogeenisuuteen, se käyttäytyy kuin valonsäde, joka heijastuu, taittuu ja siroaa, mikä mahdollistaa äänikuvien muodostamisen optisesti läpinäkymättömässä materiaalissa käyttämällä puhtaasti optisia tehosteita (tarkennus, diffraktio jne.)
Lyhyt värähtelyjakso, joka mahdollistaa ultraäänen lähettämisen pulssien muodossa ja etenevien signaalien tarkan aikavalinnan väliaineessa.
Mahdollisuus saada korkeita värähtelyenergian arvoja alhaisella amplitudilla, koska värähtelyenergia on verrannollinen taajuuden neliöön. Tämä mahdollistaa ultraäänisäteiden ja -kenttien luomisen korkealla energiatasolla ilman suurikokoisia laitteita.
Ultraäänikentässä kehittyy merkittäviä akustisia virtoja. Siksi ultraäänen vaikutus ympäristöön aiheuttaa erityisiä vaikutuksia: fysikaalisia, kemiallisia, biologisia ja lääketieteellisiä. Kuten kavitaatio, äänen kapillaarivaikutus, dispersio, emulgointi, kaasunpoisto, desinfiointi, paikallinen lämmitys ja monet muut.
Ultraääntä ei kuulu eikä se aiheuta epämukavuutta käyttäville henkilöille.

Ultraäänen historia. Kuka löysi ultraäänen?

Huomio akustiikkaan johtui johtavien valtojen - Englannin ja Ranskan - laivaston tarpeista, koska akustinen on ainoa signaalityyppi, joka voi kulkea kauas vedessä. Vuonna 1826 Ranskalainen tiedemies Colladon määritti äänen nopeuden vedessä. Colladonin kokeilua pidetään modernin hydroakustiikan syntymänä. Genevejärven vedenalainen kello lyötiin samalla, kun ruuti sytytettiin. Colladon havaitsi ruudin välähdyksen 10 mailin etäisyydeltä. Hän kuuli myös kellon äänen vedenalaisen kuuloputken avulla. Mittaamalla näiden kahden tapahtuman välisen aikavälin Colladon laski äänen nopeudeksi 1435 m/s. Ero nykyaikaisiin laskelmiin on vain 3 m/s.

Vuonna 1838 Yhdysvalloissa käytettiin ensimmäistä kertaa ääntä määrittämään merenpohjan profiilia lennätinkaapelin asentamista varten. Äänen lähde, kuten Colladonin kokeessa, oli veden alla soiva kello, ja vastaanottimena olivat suuret kuuloputket, jotka oli laskettu aluksen kylkeen. Kokeen tulokset olivat pettymys. Kellon ääni (kuten todellakin ruutipatruunoiden räjähdys vedessä) antoi liian heikon kaiun, melkein kuulumaton muiden meren äänien joukossa. Oli tarpeen mennä korkeampien taajuuksien alueelle, mikä mahdollisti suunnattujen äänisäteiden luomisen.

Ensimmäinen ultraäänigeneraattori teki englantilainen vuonna 1883 Francis Galton. Ultraääni luotiin kuin pilli veitsen terälle, kun siihen puhallettiin. Tällaisen kärjen roolia Galtonin pillissä pelasi sylinteri, jossa oli terävät reunat. Sylinterin reunan halkaisijaltaan saman rengasmaisen suuttimen kautta paineen alaisena ulos tuleva ilma tai muu kaasu juoksi reunalle ja esiintyi suurtaajuisia värähtelyjä. Puhaltamalla pilliin vedyllä oli mahdollista saada värähtelyjä jopa 170 kHz.

Vuonna 1880 Pierre ja Jacques Curie teki löydön, joka oli ratkaiseva ultraäänitekniikan kannalta. Curien veljekset huomasivat, että kun kvartsikiteisiin kohdistettiin painetta, syntyi sähkövaraus, joka oli suoraan verrannollinen kiteen voimaan. Tätä ilmiötä kutsuttiin "pietsosähköisyydeksi" kreikan sanasta, joka tarkoittaa "puristaa". He osoittivat myös käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen, joka tapahtui, kun kiteeseen kohdistettiin nopeasti muuttuva sähköpotentiaali, joka sai sen värähtelemään. Tästä lähtien on teknisesti mahdollista valmistaa pienikokoisia ultraäänilähettimiä ja -vastaanottimia.

Titanicin kuolema törmäyksestä jäävuoren kanssa ja tarve torjua uusia aseita - sukellusveneitä - vaati ultraäänihydrakustiikan nopeaa kehittämistä. Vuonna 1914 ranskalainen fyysikko Paul Langevin yhdessä lahjakkaan venäläisen emigranttitutkijan Konstantin Vasilyevich Shilovskyn kanssa he kehittivät ensimmäistä kertaa kaikuluotaimen, joka koostuu ultraäänilähettimestä ja hydrofonista - ultraäänivärähtelyjen vastaanottimesta, joka perustuu pietsosähköiseen vaikutukseen. Sonar Langevin - Shilovsky, oli ensimmäinen ultraäänilaite, käytetään käytännössä. Samaan aikaan venäläinen tiedemies S.Ya Sokolov kehitti ultraäänivirheiden havaitsemisen perusteet teollisuudessa. Vuonna 1937 saksalainen psykiatri Karl Dussick käytti yhdessä fyysikkoveljensä Friedrichin kanssa ensimmäisen kerran ultraääntä aivokasvainten havaitsemiseen, mutta heidän saamansa tulokset osoittautuivat epäluotettavaksi. Lääketieteessä ultraääntä alettiin käyttää ensimmäisen kerran vasta 1900-luvun 50-luvulla Yhdysvalloissa.

Ultraäänen vastaanotto.

Ultraäänilähettimet voidaan jakaa kahteen suureen ryhmään:

1) Värähtelyjä herättävät kaasu- tai nestevirran tiellä olevat esteet tai kaasu- tai nestevirran katkaiseminen. Niitä käytetään rajoitetusti, pääasiassa voimakkaan ultraäänen saamiseksi kaasumaisessa ympäristössä.

2) Värähtelyt viritetään muuttumalla virran tai jännitteen mekaanisiksi värähtelyiksi. Useimmat ultraäänilaitteet käyttävät tämän ryhmän emittereitä: pietsosähköisiä ja magnetostriktiivisia muuntimia.

Pietsosähköiseen vaikutukseen perustuvien muuntimien lisäksi voimakkaan ultraäänisäteen tuottamiseen käytetään magnetostriktiivisia muuntimia. Magnetostriktio on kappaleiden koon muutos, kun niiden magneettinen tila muuttuu. Johtavaan käämiin sijoitettu magnetostriktiivista materiaalia oleva ydin muuttaa pituuttaan käämin läpi kulkevan virtasignaalin muodon mukaan. Tämä James Joulen vuonna 1842 löytämä ilmiö on ominaista ferromagneeteille ja ferriiteille. Yleisimmin käytetyt magnetostriktiiviset materiaalit ovat nikkeliin, kobolttiin, rautaan ja alumiiniin perustuvat seokset. Ultraäänisäteilyn korkein intensiteetti voidaan saavuttaa permendur-seoksella (49 % Co, 2 % V, loput Fe), jota käytetään tehokkaissa ultraäänisäteilijöissä. Erityisesti yrityksemme valmistamat.

Ultraäänen soveltaminen.

Ultraäänen monipuoliset sovellukset voidaan jakaa kolmeen alueeseen:

saada tietoa aineesta
vaikutusta aineeseen
signaalinkäsittely ja siirto

Akustisten aaltojen etenemisnopeuden ja vaimenemisen riippuvuutta aineen ominaisuuksista ja niissä tapahtuvista prosesseista käytetään seuraavissa tutkimuksissa:

kaasujen, nesteiden ja polymeerien molekyyliprosessien tutkimus
kiteiden ja muiden kiinteiden aineiden rakenteen tutkiminen
kemiallisten reaktioiden, faasimuutosten, polymeroinnin jne.
liuospitoisuuden määrittäminen
lujuusominaisuuksien ja materiaalien koostumuksen määrittäminen
epäpuhtauksien esiintymisen määrittäminen
nesteen ja kaasun virtausnopeuden määrittäminen

Tietoa aineen molekyylirakenteesta saadaan mittaamalla siinä olevan äänen nopeus ja absorptiokerroin. Tämän avulla voit mitata liuosten ja suspensioiden pitoisuuksia massoissa ja nesteissä, seurata uuton etenemistä, polymeroitumista, vanhenemista ja kemiallisten reaktioiden kinetiikkaa. Aineiden koostumuksen ja epäpuhtauksien määrittämisen tarkkuus ultraäänellä on erittäin korkea ja on prosentin murto-osa.

Äänennopeuden mittaaminen kiinteissä aineissa mahdollistaa rakennemateriaalien kimmo- ja lujuusominaisuuksien määrittämisen. Tämä epäsuora lujuuden määritysmenetelmä on kätevä johtuen yksinkertaisuudestaan ja mahdollisuudesta käyttää todellisissa olosuhteissa.

Ultraäänikaasuanalysaattorit tarkkailevat vaarallisten epäpuhtauksien kerääntymistä. Ultraääninopeuden riippuvuutta lämpötilasta käytetään kaasujen ja nesteiden kosketuksettomaan lämpömittaukseen.

Doppler-ilmiöllä toimivat ultraäänivirtausmittarit perustuvat äänen nopeuden mittaamiseen liikkuvissa nesteissä ja kaasuissa, myös epähomogeenisissa (emulsiot, suspensiot, massat). Samanlaisia laitteita käytetään veren nopeuden ja virtausnopeuden määrittämiseen kliinisissä tutkimuksissa.

Suuri joukko mittausmenetelmiä perustuu ultraääniaaltojen heijastumiseen ja siroamiseen välineiden välisillä rajoilla. Näiden menetelmien avulla voit määrittää tarkasti vieraiden esineiden sijainnin ympäristössä, ja niitä käytetään seuraavilla alueilla:

luotain
rikkomaton testaus ja vikojen havaitseminen
lääketieteellinen diagnostiikka
nesteiden ja kiinteiden aineiden tasojen määrittäminen suljetuissa säiliöissä
tuotteiden koon määrittäminen
äänikenttien visualisointi - ääninäkö ja akustinen holografia

Heijastusta, taittumista ja ultraäänen fokusointikykyä käytetään ultraäänivirheiden havaitsemisessa, ultraääni-akustisissa mikroskoopeissa, lääketieteellisessä diagnostiikassa ja aineen makro-epähomogeenisuuksien tutkimisessa. Epähomogeenisuuksien esiintyminen ja niiden koordinaatit määräytyvät heijastuneiden signaalien tai varjon rakenteen perusteella.

Mittausmenetelmiä, jotka perustuvat resonoivan värähtelyjärjestelmän parametrien riippuvuuteen sitä kuormittavan väliaineen ominaisuuksista (impedanssi), käytetään jatkuvaan nesteiden viskositeetin ja tiheyden mittaamiseen sekä vain käsiksi päästävien osien paksuuden mittaamiseen. yhdeltä puolelta. Sama periaate on ultraäänikovuusmittarien, tasomittarien ja tasokytkimien taustalla. Ultraäänitestausmenetelmien edut: lyhyt mittausaika, kyky hallita räjähdysalttiita, aggressiivisia ja myrkyllisiä ympäristöjä, instrumentilla ei ole vaikutusta valvottuun ympäristöön ja prosesseihin.

Ultraäänen vaikutus aineeseen.

Ultraäänen vaikutusta aineeseen, joka johtaa siihen peruuttamattomiin muutoksiin, käytetään laajalti teollisuudessa. Samaan aikaan ultraäänen vaikutusmekanismit ovat erilaisia eri ympäristöissä. Kaasuissa pääasiallinen toimintatekijä on akustiset virrat, jotka kiihdyttävät lämmön- ja massansiirtoprosesseja. Lisäksi ultraäänisekoituksen tehokkuus on huomattavasti korkeampi kuin perinteisen hydrodynaamisen sekoituksen, koska rajakerroksen paksuus on pienempi ja sen seurauksena suurempi lämpötila- tai pitoisuusgradientti. Tätä vaikutusta käytetään prosesseissa, kuten:

ultraäänikuivaus
polttaminen ultraäänikentässä
aerosolikoagulaatio

Nesteiden ultraäänikäsittelyssä tärkein toimintatekijä on kavitaatio . Seuraavat tekniset prosessit perustuvat kavitaatiovaikutukseen:

ultraäänipuhdistus
metallointi ja juottaminen
ääni-kapillaarivaikutus - nesteiden tunkeutuminen pienimpiin huokosiin ja halkeamiin. Sitä käytetään huokoisten materiaalien kyllästämiseen, ja sitä esiintyy nesteissä olevien kiinteiden aineiden ultraäänikäsittelyssä.
kiteytys
sähkökemiallisten prosessien tehostaminen
aerosolien saaminen
mikro-organismien tuhoaminen ja instrumenttien ultraäänisterilointi

Akustiset virrat- yksi tärkeimmistä ultraäänen vaikutuksen mekanismeista aineeseen. Se johtuu ultraäänienergian imeytymisestä aineeseen ja rajakerrokseen. Akustiset virtaukset eroavat hydrodynaamisista virtauksista rajakerroksen pienellä paksuudella ja mahdollisuudella sen ohenemiseen värähtelytaajuuden kasvaessa. Tämä johtaa lämpötila- tai konsentraatiorajakerroksen paksuuden pienenemiseen ja lämpötila- tai pitoisuusgradienttien kasvuun, jotka määräävät lämmön tai massan siirtonopeuden. Tämä auttaa nopeuttamaan nesteiden ja sulatteiden palamis-, kuivaus-, sekoitus-, tislaus-, diffuusio-, uutto-, kyllästys-, sorptio-, kiteytys-, liukenemis- ja kaasunpoistoprosesseja. Korkeaenergisessa virtauksessa akustisen aallon vaikutus tapahtuu itse virtauksen energian vuoksi muuttamalla sen turbulenssia. Tässä tapauksessa akustinen energia voi olla vain murto-osa prosentista virtausenergiasta.

Kun korkean intensiteetin ääniaalto kulkee nesteen läpi, ns akustinen kavitaatio . Voimakkaassa ääniaaltossa harvinaisen puolivälin aikana ilmaantuu kavitaatiokuplia, jotka romahtavat jyrkästi siirryttäessä korkeapaineiselle alueelle. Kavitaatioalueella syntyy voimakkaita hydrodynaamisia häiriöitä mikroshokkiaaltojen ja mikrovirtojen muodossa. Lisäksi kuplien romahtamiseen liittyy aineen voimakas paikallinen kuumeneminen ja kaasun vapautuminen. Tällainen altistuminen johtaa jopa tällaisten kestävien aineiden, kuten teräksen ja kvartsin, tuhoutumiseen. Tätä vaikutusta käytetään dispergoimaan kiinteitä aineita, tuottamaan hienoja emulsioita sekoittumattomista nesteistä, kiihdyttämään ja nopeuttamaan kemiallisia reaktioita, tuhoamaan mikro-organismeja ja uuttamaan entsyymejä eläin- ja kasvisoluista. Kavitaatio määrittää myös sellaiset vaikutukset kuin nesteen heikko hehku ultraäänen vaikutuksesta - sonoluminesenssi ja nesteen epätavallisen syvä tunkeutuminen kapillaareihin - sonokapillaarinen vaikutus .

Kalsiumkarbonaattikiteiden kavitaatiodispersio (mittakivi) on akustisten hilseilylaitteiden perusta. Ultraäänen vaikutuksesta vedessä olevat hiukkaset halkeavat, niiden keskikoko pienenee 10:stä 1 mikroniin, niiden lukumäärä ja hiukkasten kokonaispinta-ala kasvavat. Tämä johtaa kalkin muodostumisprosessin siirtymiseen lämmönvaihtopinnalta suoraan nesteeseen. Ultraääni vaikuttaa myös muodostuneeseen hilsekerrokseen muodostaen siihen mikrohalkeamia, jotka myötävaikuttavat hilsepalojen irtoamiseen lämmönvaihtopinnasta.

Ultraäänipuhdistusasennuksissa kavitaation ja sen synnyttämien mikrovirtojen avulla poistetaan sekä pintaan kovaksi sitoutuneet epäpuhtaudet, kuten hilse, hilse, purseet, että pehmeät epäpuhtaudet, kuten rasvaiset kalvot, lika jne.. Samaa vaikutusta käytetään elektrolyyttisten prosessien tehostamiseen.

Ultraäänen vaikutuksen alaisena tällainen outo vaikutus tapahtuu akustisena koaguloitumisena, ts. nesteen ja kaasun suspendoituneiden hiukkasten lähentyminen ja suurentuminen. Tämän ilmiön fyysinen mekanismi ei ole vielä täysin selvä. Akustista koagulaatiota käytetään teollisuuden pölyjen, savujen ja sumujen laskemiseen ultraäänen matalilla taajuuksilla, 20 kHz asti. On mahdollista, että kirkonkellojen soimisen hyödylliset vaikutukset perustuvat tähän vaikutukseen.

Kiinteiden aineiden mekaaninen käsittely ultraäänellä perustuu seuraaviin vaikutuksiin:

pintojen välisen kitkan vähentäminen yhden niistä ultraäänivärähtelyjen aikana
myötörajan lasku tai plastinen muodonmuutos ultraäänen vaikutuksesta
metallien jäännösjännityksen vahvistaminen ja vähentäminen ultraäänitaajuudella toimivan työkalun vaikutuksesta
Ultraäänihitsauksessa käytetään staattisen puristuksen ja ultraäänivärähtelyn yhteisvaikutusta

Ultraäänellä on neljä koneistustyyppiä:

kovista ja hauraista materiaaleista valmistettujen osien mittaprosessointi
leikkaa vaikeasti leikattavia materiaaleja ultraäänisovelluksella leikkaustyökalussa
purseenpoisto ultraäänihauteessa
viskoosien materiaalien hionta hiomalaikan ultraäänipuhdistuksella

Ultraäänen vaikutukset biologisiin kohteisiin aiheuttaa erilaisia vaikutuksia ja reaktioita kehon kudoksissa, jota käytetään laajasti ultraäänihoidossa ja -kirurgiassa. Ultraääni on katalysaattori, joka nopeuttaa tasapainon muodostumista fysiologisesta näkökulmasta elimistön tilan, ts. terve tila. Ultraäänellä on paljon suurempi vaikutus sairaisiin kudoksiin kuin terveisiin. Käytetään myös inhaloitavien lääkkeiden ultraääniruiskutusta. Ultraäänikirurgia perustuu seuraaviin vaikutuksiin: kudosten tuhoutuminen fokusoidulla ultraäänellä itsessään ja ultraäänivärähtelyjen kohdistaminen leikkauskirurgiseen instrumenttiin.

Ultraäänilaitteita käytetään elektronisten signaalien muuntamiseen ja analogiseen käsittelyyn sekä valosignaalien ohjaukseen optiikassa ja optoelektroniikassa. Hidasta ultraääntä käytetään viivelinjoissa. Optisten signaalien ohjaus perustuu valon diffraktioon ultraäänellä. Yksi tällaisen diffraktion tyypeistä, niin kutsuttu Bragg-diffraktio, riippuu ultraäänen aallonpituudesta, mikä mahdollistaa kapea taajuusvälin eristämisen laajasta valosäteilyspektristä, ts. suodatinvalo.

Ultraääni on erittäin mielenkiintoinen asia ja voidaan olettaa, että monet sen käytännön sovellukset ovat ihmiskunnalle vielä tuntemattomia. Rakastamme ja tunnemme ultraääntä ja keskustelemme mielellämme kaikista sen soveltamiseen liittyvistä ideoista.

Missä ultraääntä käytetään - yhteenvetotaulukko

Yrityksemme, Koltso-Energo LLC, valmistaa ja asentaa akustisia kalkinpoistolaitteita "Acoustic-T". Yrityksemme valmistamat laitteet erottuvat poikkeuksellisen korkeasta ultraäänisignaalista, jonka ansiosta ne voivat työskennellä kattiloissa ilman vedenkäsittelyä ja höyryvesikattiloissa arteesisella vedellä. Mutta mittakaavan ehkäisy on hyvin pieni osa ultraääni voi tehdä. Tällä upealla luonnollisella työkalulla on valtavia mahdollisuuksia, ja haluamme kertoa niistä sinulle. Yrityksemme työntekijät ovat työskennelleet useiden vuosien ajan johtavissa venäläisissä akustiikka-alan yrityksissä. Tiedämme ultraäänestä paljon. Ja jos yhtäkkiä tulee tarve käyttää ultraääntä tekniikassasi,

Riisi. 2. Akustinen virtaus, joka syntyy, kun ultraääni etenee 5 MHz:n taajuudella bentseenissä.

Tärkeitä epälineaarisia ilmiöitä, joita syntyy intensiivisen ultraäänen leviämisen aikana, on akustinen - kuplien kasvu ultraäänikentässä olemassa olevista submikroskooppisista kaasun tai höyryn ytimistä mm:n osien kokoisiksi, jotka alkavat pulsoida ultraäänen taajuudella ja romahtaa positiivisessa vaiheessa. Kaasukuplien romahtaessa syntyy suuria, tuhansien ilmakehän luokkaa olevia paikallisia paineita ja muodostuu pallomaisia shokkiaaltoja. Sykkivien kuplien lähelle muodostuu akustisia mikrovirtoja. Kavitaatiokentän ilmiöt johtavat useisiin hyödyllisiin (tuotanto, saastuneiden osien puhdistus jne.) ja haitallisiin (ultraäänisäteilyn aiheuttajien eroosio) ilmiöihin. Ultraäänen taajuudet, joilla ultraääntä käytetään teknologisiin tarkoituksiin, ovat ULF-alueella. Kavitaatiokynnystä vastaava intensiteetti riippuu nestetyypistä, äänen taajuudesta, lämpötilasta ja muista tekijöistä. Vedessä 20 kHz:n taajuudella se on noin 0,3 W/cm2. Ultraäänitaajuuksilla ultraäänikentässä, jonka intensiteetti on useita W/cm2, saattaa esiintyä nesteen tihkumista ( riisi. 3) ja ruiskuttamalla sitä erittäin hienolla sumulla.

Riisi. 3. Nesteen lähde, joka muodostuu ultraäänisäteen putoaessa nesteen sisältä sen pinnalle (ultraäänitaajuus 1,5 MHz, intensiteetti 15 W/cm2).

Sukupolviultraääni. Ultraäänen tuottamiseen käytetään erilaisia laitteita, jotka voidaan jakaa kahteen pääryhmään - mekaanisiin, joissa ultraääni on mekaaninen kaasuvirtaus tai ja sähkömekaaninen, jossa ultraäänienergiaa tuotetaan sähköisesti. Mekaaniset ultraäänisäteilijät - ilma ja neste - erottuvat suhteellisen yksinkertaisesta suunnittelusta eivätkä vaadi kallista korkeataajuista sähköenergiaa, niiden hyötysuhde on 10-20%. Kaikkien mekaanisten ultraäänilähettimien suurin haittapuoli on suhteellisen laaja lähetettyjen taajuuksien alue ja taajuuden epävakaus, mikä ei salli niiden käyttöä ohjaus- ja mittaustarkoituksiin; Niitä käytetään pääasiassa teollisessa ultraäänitekniikassa ja osittain työkaluina.

Riisi. 4. Pitkittäisten aaltojen L emissio (vastaanotto) levyllä, joka värähtelee paksuudeltaan kiinteäksi aineeksi: 1 - kvartsiviipalelevy X, jonka paksuus on l/2, missä l on aallonpituus kvartsissa; 2 - metallielektrodit; 3 - neste (muuntajaöljy) akustisen kosketuksen aikaansaamiseksi; 4 - sähköisten värähtelyjen generaattori; 5 - kiinteä runko.

Ultraäänen vastaanotto ja havaitseminen. Pietsosähköisen vaikutuksen palautuvuudesta johtuen sitä käytetään laajasti myös ultraäänen vastaanottamiseen Ultraäänikentän tutkimus voidaan suorittaa myös optisilla menetelmillä: Ultraääni, joka etenee missä tahansa väliaineessa, aiheuttaa muutoksen optisessa taitekertoimessaan. johon se voidaan visualisoida, jos väliaine on valoa läpinäkyvä. Optiikan ala (akustooptiikka) on saanut suurta kehitystä jatkuvien aaltojen kaasulaserien tulon jälkeen; Ultraäänen ja sen eri sovellusten valotutkimus on kehittynyt.

Ultraäänen sovellukset. Ultraäänen sovellukset ovat erittäin monipuoliset. Ultraääni toimii tehokkaana menetelmänä tutkia erilaisia ilmiöitä monilla fysiikan alueilla. Ultraäänimenetelmiä käytetään esimerkiksi kiinteän olomuodon fysiikassa ja fysiikassa; On syntynyt kokonaan uusi fysiikan ala - akustoelektroniikka, jonka saavutusten pohjalta kehitetään erilaisia laitteita signaaliinformaation käsittelyyn. Ultraäänellä on iso rooli opiskelussa. Kaasujen molekyyliakustiikan menetelmien ohella kiinteiden aineiden tutkimisessa käytetään c:tä ja absorptiota a määrittämään aineen modulit ja dissipatiiviset ominaisuudet. Kvanttitiedettä on kehitetty, joka tutkii kimmohäiriökvanttien - - jne. ja alkeishäiriöiden vuorovaikutusta kiinteissä aineissa. Ultraääntä käytetään laajalti tekniikassa, ja ultraäänimenetelmät tunkeutuvat yhä enemmän teknologiaan.

Ultraäänen käyttö tekniikassa Kohtien c ja a tietojen mukaan se suoritetaan monissa teknisissä ongelmissa tietyn prosessin aikana (kaasuseoksen, eri kaasujen koostumuksen valvonta jne.). Ultraääniä käyttämällä eri välineiden rajapinnassa ultraäänilaitteet on suunniteltu mittaamaan tuotteiden mittoja (esimerkiksi ultraäänipaksuusmittarit) ja määrittämään nestepinnan suurissa säiliöissä, joihin ei pääse suoraan mittaamaan. Suhteellisen alhaisen intensiteetin ultraääntä (jopa ~0,1 W/cm2) käytetään laajalti kiinteistä materiaaleista valmistettujen tuotteiden (kiskot, suuret valukappaleet, korkealaatuiset valssatut tuotteet jne.) ainetta rikkomattomaan testaukseen (katso). Nopeasti kehittyvä suunta, jota kutsutaan akustiseksi emissioksi, joka koostuu siitä, että kun kiinteän kappaleen näytteeseen (rakenteeseen) kohdistetaan mekaaninen voima, se "rätisee" (samalla tavalla kuin tinatanko "rätisee" taivutettuna) . Tämä selittyy sillä, että näytteessä tapahtuu liikettä, joka tietyissä olosuhteissa (ei vielä täysin selvitetty) muuttuu (sekä joukko dislokaatioita ja submikroskooppisia halkeamia) akustisia pulsseja, joiden spektri sisältää taajuuksia Ultraääni Akustista emissiota käyttämällä mahdollista havaita ja halkeamien kehittyminen sekä määrittää sen sijainti erilaisten rakenteiden kriittisissä osissa. Ultraäänen avulla se suoritetaan: muuttamalla ultraääni sähköiseksi ja jälkimmäinen valoksi, ultraäänen avulla on mahdollista nähdä tiettyjä esineitä valoa läpäisemättömässä ympäristössä. Ultraäänitaajuuksilla on luotu ultraäänimikroskooppi - tavanomaisen mikroskoopin kaltainen laite, jonka etuna optiseen mikroskooppiin verrattuna on, että biologiseen tutkimukseen ei vaadita esineen esivärjäystä ( riisi. 5). Kehitys on johtanut tiettyihin menestyksiin ultraäänen alalla.

Riisi. 5 B. Punasolut on saatu ultraäänimikroskoopilla.

Ultraääni edustaa pitkittäisiä aaltoja, joiden värähtelytaajuus on yli 20 kHz. Tämä on korkeampi kuin ihmisen kuulokojeen havaitsema värähtelytaajuus. Henkilö voi havaita taajuuksia alueella 16-20 KHz, niitä kutsutaan ääneksi. Ultraääniaallot näyttävät sarjalta aineen tai väliaineen kondensaatioita ja harvinaisuuksia. Ominaisuuksiensa vuoksi niitä käytetään laajasti monilla aloilla.

Mikä tämä on

Ultraäänialue sisältää taajuudet 20 tuhannesta useisiin miljardeihin hertseihin. Nämä ovat korkeataajuisia värähtelyjä, jotka ovat ihmiskorvan kuuluvuusalueen ulkopuolella. Jotkut eläinlajit havaitsevat kuitenkin ultraääniaallot melko hyvin. Nämä ovat delfiinejä, valaita, rottia ja muita nisäkkäitä.

Fysikaalisten ominaisuuksiensa mukaan ultraääniaallot ovat joustavia, joten ne eivät eroa ääniaalloista. Tämän seurauksena äänen ja ultraäänivärähtelyjen välinen ero on hyvin mielivaltainen, koska se riippuu henkilön subjektiivisesta kuulosta ja on yhtä suuri kuin kuultavan äänen ylätaso.

Mutta korkeampien taajuuksien läsnäolo ja siten lyhyt aallonpituus antaa ultraäänivärähtelyille tiettyjä ominaisuuksia:

Ultraäänitaajuuksilla on erilainen liikenopeus eri aineiden läpi, minkä ansiosta on mahdollista määrittää suurella tarkkuudella meneillään olevien prosessien ominaisuudet, kaasujen ominaislämpökapasiteetti sekä kiinteän aineen ominaisuudet.
Merkittävän intensiteetin aalloilla on tiettyjä vaikutuksia, jotka ovat alttiina epälineaariselle akustiikalle.
Kun ultraääniaallot liikkuvat merkittävällä teholla nestemäisessä väliaineessa, tapahtuu akustisen kavitaatioilmiö. Tämä ilmiö on erittäin tärkeä, koska seurauksena syntyy kuplakenttä, joka muodostuu vesipitoisessa tai muussa väliaineessa olevista submikroskooppisista kaasu- tai höyryhiukkasista. Ne sykkivät tietyllä taajuudella ja sulkeutuvat valtavalla paikallisella paineella. Tämä luo pallomaisia iskuaaltoja, jotka johtavat mikroskooppisten akustisten virtojen esiintymiseen. Tämän ilmiön avulla tutkijat ovat oppineet puhdistamaan saastuneita osia sekä luomaan torpedoja, jotka liikkuvat vedessä äänen nopeutta nopeammin.
Ultraääni voidaan kohdistaa ja keskittyä, mikä mahdollistaa äänikuvioiden luomisen. Tätä ominaisuutta on käytetty menestyksekkäästi holografiassa ja ääninäössä.
Ultraääniaalto voi hyvinkin toimia diffraktiohilana.

Ominaisuudet

Ultraääniaallot ovat ominaisuuksiltaan samanlaisia kuin ääniaallot, mutta niillä on myös erityispiirteitä:

Lyhyt aallonpituus. Jopa matalalla reunuksella pituus on alle muutaman senttimetrin. Tällainen pieni pituus johtaa ultraäänivärähtelyjen liikkeen säteittäiseen luonteeseen. Suoraan emitterin vieressä aalto kulkee säteen muodossa, joka lähestyy emitterin parametreja. Kuitenkin joutuessaan epähomogeeniseen ympäristöön säde liikkuu kuin valonsäde. Se voi myös heijastua, hajaantua, taittua.
Värähtelyjakso on lyhyt, joten ultraäänivärähtelyjä voidaan käyttää pulssien muodossa.
Ultraääntä ei voida kuulla eikä se aiheuta ärsyttävää vaikutusta.
Kun altistutaan ultraäänivärähtelylle tietyissä väliaineissa, voidaan saavuttaa erityisiä vaikutuksia. Voit esimerkiksi luoda paikallista lämmitystä, kaasunpoistoa, desinfioida ympäristöä, kavitaatiota ja monia muita vaikutuksia.

Toimintaperiaate

Ultraäänivärähtelyjen luomiseen käytetään erilaisia laitteita:

Mekaaninen, jossa lähde on nesteen tai kaasun energia.
Sähkömekaaninen, jossa sähköenergiasta syntyy ultraäänienergiaa.

Ilmalla tai nesteellä toimivat pillit ja sireenit voivat toimia mekaanisina säteilijöinä. Ne ovat käteviä ja yksinkertaisia, mutta niillä on haittapuolensa. Niiden tehokkuus on siis 10-20 prosentin välillä. Ne luovat laajan kirjon taajuuksia epävakailla amplitudilla ja taajuuksilla. Tämä johtaa siihen, että tällaisia laitteita ei voida käyttää olosuhteissa, joissa tarkkuus vaaditaan. Useimmiten niitä käytetään merkinantolaitteina.

Sähkömekaaniset laitteet käyttävät pietsosähköisen vaikutuksen periaatetta. Sen erikoisuus on, että kun kiteen pinnoille muodostuu sähkövarauksia, se supistuu ja venyy. Tämän seurauksena syntyy värähtelyjä, joiden taajuus riippuu potentiaalin muutosjaksosta kiteen pinnoilla.

Pietsosähköiseen vaikutukseen perustuvien muuntimien lisäksi voidaan käyttää myös magnetostriktiivisia muuntimia. Niitä käytetään tehokkaan ultraäänisäteen luomiseen. Magnetostriktiivisesta materiaalista valmistettu sydän, joka on sijoitettu johtavaan käämiin, muuttaa omaa pituuttaan käämiin tulevan sähköisen signaalin muodon mukaan.

Sovellus

Ultraääntä käytetään laajasti monilla eri aloilla.

Useimmiten sitä käytetään seuraavilla alueilla:

Tietyn aineen tietojen hankkiminen.
Signaalin käsittely ja siirto.
Vaikutus aineeseen.

Siten he tutkivat ultraääniaaltojen avulla:

Molekyyliprosessit erilaisissa rakenteissa.
Ainepitoisuuden määrittäminen liuoksissa.
Koostumuksen, materiaalien lujuusominaisuuksien ja niin edelleen määrittäminen.

Ultraäänikäsittelyssä kavitaatiomenetelmää käytetään usein:

Metallisointi.
Ultraäänipuhdistus.
Nesteiden kaasunpoisto.
Dispersio.
Aerosolien vastaanotto.
Ultraääni sterilointi.
Mikro-organismien tuhoaminen.
Sähkökemiallisten prosessien tehostaminen.

Seuraavat teknologiset toiminnot suoritetaan teollisuudessa ultraääniaaltojen vaikutuksesta:

Koagulaatio.
Poltto ultraääniympäristössä.
Kuivaus.
Hitsaus.

Lääketieteessä ultraääniaaltoja käytetään terapiassa ja diagnostiikassa. Diagnostiikka sisältää paikannusmenetelmiä pulssisäteilyllä. Näitä ovat ultraäänikardiografia, kaikuenkefalografia ja monet muut menetelmät. Terapiassa ultraääniaaltoja käytetään kudoksiin kohdistuviin lämpö- ja mekaanisiin vaikutuksiin perustuvina menetelminä. Esimerkiksi ultraääniveitsellä käytetään usein leikkauksissa.

Ultraäänivärähtely suorittaa myös:

Kudosrakenteiden mikrohieronta tärinällä.
Solujen regeneraation ja solujen välisen vaihdon stimulointi.
Lisääntynyt kudoskalvojen läpäisevyys.

Ultraääni voi vaikuttaa kudokseen estämällä, stimuloimalla tai tuhoamalla. Kaikki tämä riippuu käytetystä ultraäänivärähtelyannoksesta ja niiden tehosta. Kaikki ihmiskehon alueet eivät kuitenkaan saa käyttää tällaisia aaltoja. Joten varovaisesti ne vaikuttavat sydänlihakseen ja useisiin endokriinisiin elimiin. Aivot, kohdunkaulan nikamat, kivespussi ja monet muut elimet eivät vaikuta lainkaan.

Ultraäänivärähtelyä käytetään tapauksissa, joissa röntgensäteitä ei voida käyttää:

Traumatologiassa käytetään kaikumenetelmää, joka havaitsee helposti sisäisen verenvuodon.
Synnytyksessä aaltoja käytetään sikiön kehityksen ja sen parametrien arvioimiseen.
Kardiologia niiden avulla voit tutkia sydän- ja verisuonijärjestelmää.

Ultraääni jatkossa

Tällä hetkellä ultraääntä käytetään laajalti eri aloilla, mutta tulevaisuudessa sille tulee entistä enemmän käyttökohteita. Suunnittelemme jo tänään luovamme laitteita, jotka ovat fantastisia tähän päivään.

Ultraääni-akustista hologrammitekniikkaa kehitetään lääketieteellisiin tarkoituksiin. Tämä tekniikka sisältää mikrohiukkasten järjestämisen avaruudessa vaaditun kuvan luomiseksi.
Tutkijat työskentelevät luodakseen kosketusnäyttölaitteita korvaavia kontaktittomia laitteita varten tarkoitettua teknologiaa. Esimerkiksi on jo luotu pelilaitteita, jotka tunnistavat ihmisen liikkeet ilman suoraa kosketusta. Kehitetään tekniikoita, jotka sisältävät näkymättömien painikkeiden luomisen, joita voidaan tuntea ja hallita käsin. Tällaisten tekniikoiden kehittäminen mahdollistaa kontaktittomia älypuhelimia tai tabletteja. Lisäksi tämä tekniikka laajentaa virtuaalitodellisuuden ominaisuuksia.
Ultraääniaaltojen avulla on jo mahdollista saada pienet esineet leijumaan. Tulevaisuudessa saattaa ilmaantua koneita, jotka kelluvat maanpinnan yläpuolella aaltojen vaikutuksesta ja kitkan puuttuessa liikkuvat valtavalla nopeudella.
Tutkijat ehdottavat, että tulevaisuudessa ultraääni opettaa sokeita näkemään. Tämä luottamus perustuu siihen, että lepakot tunnistavat esineitä heijastuneiden ultraääniaaltojen avulla. Kypärä on jo luotu, joka muuntaa heijastuneet aallot kuuluvaksi ääneksi.
Jo nykyään ihmiset odottavat saavansa mineraaleja avaruudessa, koska siellä on kaikkea. Joten tähtitieteilijät löysivät timanttiplaneetan, joka oli täynnä jalokiviä. Mutta kuinka tällaisia kiinteitä materiaaleja voidaan louhia avaruudessa? Ultraääni auttaa poraamaan tiheitä materiaaleja. Tällaiset prosessit ovat täysin mahdollisia jopa ilman ilmakehää. Tällaiset poraustekniikat mahdollistavat näytteiden keräämisen, tutkimuksen ja mineraalien louhinnan siellä, missä tätä pidetään nykyään mahdottomana.

Jos jatkuvassa väliaineessa - kaasuissa, nesteissä tai kiinteissä aineissa - väliaineen hiukkaset poistetaan tasapainoasennosta, niin muista hiukkasista niihin vaikuttavat elastiset voimat palauttavat ne tasapainoasentoon. Tässä tapauksessa hiukkaset käyvät läpi värähtelevän liikkeen. Elastisten värähtelyjen eteneminen jatkuvassa väliaineessa on aaltomainen prosessi.
Kutsutaan värähtelyjä, joiden taajuus on hertsistä (Hz) 20 herttiin infraääni, taajuudella 20 Hz - 16...20 kHz, syntyy värähtelyjä kuultavia ääniä. Ultraäänivärähtelyt vastaavat taajuuksia 16...20 kHz - 10 8 Hz, ja värähtelyjä, joiden taajuus on yli 10 8 Hz, kutsutaan ns. hypersonics. Kuvassa 1.1 on esitetty lausekkeeseen perustuva logaritminen taajuusasteikko lg 2 f = 1, 2, 3…, n, Missä 1, 2, 3…, n– oktaavin numerot.

Kuva 1.1 - Elastisten värähtelyjen alueet materiaaliväliaineissa

Elastisten värähtelyjen fyysinen luonne on sama koko taajuusalueella. Ymmärtääksemme elastisten värähtelyjen luonteen, harkitkaamme niiden ominaisuuksia.
Aaltomuoto on aaltorintaman muoto, ts. kokoelma pisteitä, joilla on sama vaihe. Tason värähtelyt luovat tasoääniaallon, jos emitteri on sylinteri, joka supistuu ajoittain ja laajenee säteensä suuntaan, syntyy lieriömäinen aalto. Pisteemitteri eli sykkivä pallo, jonka mitat ovat pienet emittoidun aallon pituuteen verrattuna, tuottaa pallomaisen aallon.

Ääniaallot luokitellaan sen mukaan aaltotyyppi : ne voivat olla pitkittäisiä, poikittaissuuntaisia, taipuvia, vääntösuuntaisia - viritys- ja etenemisolosuhteista riippuen. Ainoastaan pitkittäiset aallot etenevät nesteissä ja kaasuissa, ja muitakin lueteltuja aaltoja voi esiintyä myös kiinteissä aineissa. Pitkittäisessä aallossa hiukkasten värähtelyjen suunta on sama kuin aallon etenemissuunta (kuva 1.2, A), poikittaisaalto etenee kohtisuorassa hiukkasten värähtelyjen suuntaan nähden (kuva 1.2, b) .

a) väliaineen hiukkasten liike pitkittäisaallon etenemisen aikana; b) väliaineen hiukkasten liikettä poikittaisaallon etenemisen aikana.

Kuva 1.2 – Hiukkasten liikkuminen aallon etenemisen aikana

Mikä tahansa aalto, kuten ajassa ja avaruudessa etenevä värähtely, voidaan karakterisoida taajuus , aallonpituus Ja amplitudi (Kuva 3) . Tässä tapauksessa aallonpituus λ on suhteessa taajuuteen f aallon etenemisnopeuden kautta tietyssä materiaalissa c: λ = c/f.

Kuva 1.3 - Värähtelyprosessin ominaisuudet

1.6 Matalaenergiaisten ultraäänivärähtelyjen käytännön sovellus

Matalaintensiteettisten ultraäänivärähtelyjen (ehdollisesti jopa 1 W/cm2) käyttöalue on erittäin laaja, ja tarkastelemme vuorostaan useita matalan intensiteetin ultraäänivärähtelyjen pääsovelluksia.
1. Ultraäänilaitteet kemiallisten ominaisuuksien seurantaan erilaisia materiaaleja ja ympäristöjä. Kaikki ne perustuvat ultraäänivärähtelyn nopeuden muuttamiseen väliaineessa ja mahdollistavat:
- määrittää binääriseosten pitoisuus;
- liuosten tiheys;
- polymeerien polymeroitumisaste;
- epäpuhtauksien ja kaasukuplien esiintyminen liuoksissa;
- määrittää kemiallisten reaktioiden nopeus;
- maidon, kerman, smetanan rasvapitoisuus;
- hajonta heterogeenisissä järjestelmissä jne.
Nykyaikaisten ultraäänilaitteiden resoluutio on 0,05 %, etenemisnopeuden mittaustarkkuus 1 m pituisilla näytteillä on 0,5 -1 m/s (nopeus metallissa yli 5000 m/s). Melkein kaikki mittaukset tehdään standardiin verrattuna.
2. Laitteet fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien seurantaan, perustuu ultraäänen vaimennusmittauksiin. Tällaisten laitteiden avulla voit mitata viskositeetin, tiheyden, koostumuksen, epäpuhtauksien, kaasujen jne. Käytetyt menetelmät perustuvat myös vertailumenetelmiin standardin kanssa.
3. Ultraäänivirtausmittarit putkistojen nesteille. Niiden toiminta perustuu myös ultraäänivärähtelyjen etenemisnopeuden mittaamiseen nestevirtausta pitkin ja virtausta vastaan. Vertaamalla kahta nopeutta voit määrittää virtausnopeuden ja virtausnopeuden, kun putkilinjan poikkileikkaus tunnetaan. Esimerkki yhdestä virtausmittarista (nro 15183 valtion mittauslaiterekisterissä) on esitetty kuvassa 1.4.

Kuva 1.4 – Kiinteä ultraäänivirtausmittari "AKRON"

Tällainen virtausmittari mittaa tilavuusvirtausta ja vesi-, viemäri- ja öljytuotteiden syöttöjärjestelmien paineputkissa virtaavien nesteiden kokonaistilavuuden (määrän) ilman, että se kytketään olemassa olevaan putkistoon. Virtausmittarin toimintaperiaate on mitata ero ultraääniaallon kulkuajan suhteen ohjatun nesteen virtausta pitkin ja sitä vastaan, muuntaen se hetkelliseen virtausnopeuteen myöhemmän integroinnin kanssa.
Laitteen virhe on 2 % mittauksen ylärajasta. Käyttäjä asettaa mittauksen ylä- ja alarajat. Virtausmittari sisältää anturilohkon (koostuu kahdesta ultraäänianturista ja laitteesta niiden kiinnittämiseksi putkeen) ja elektroniikkayksikön, joka on yhdistetty radiotaajuuskaapelilla, joka on enintään 50 m pitkä (vakio - 10 m). Anturit asennetaan putkilinjan suoralle osalle ulkopinnalle, puhdistetaan liasta, maalista ja ruosteesta. Anturien oikean asennuksen edellytyksenä on vähintään 10 putken halkaisijaltaan suora putkiosuus - antureiden edessä ja 5 halkaisijaa - antureiden jälkeen.
4. Tason kytkimet
Toimintaperiaate perustuu nestemäisten tai bulkkimateriaalien tason paikantamiseen kaasumaisen väliaineen läpi kulkevien ultraäänipulssien avulla ja ilmiöön, jossa nämä pulssit heijastuvat kaasuohjatun väliaineen rajapinnasta. Tasomitta tässä tapauksessa on äänen värähtelyjen etenemisaika lähettäjältä ohjattuun rajapintaan ja takaisin vastaanottimeen. Mittaustulos näytetään henkilökohtaisella tietokoneella, jonne kaikki mittaukset tallennetaan, ja niitä on myöhemmin mahdollista tarkastella ja analysoida sekä yhdistää automaattiseen tiedonkeruu- ja käsittelyjärjestelmään. Järjestelmän osana oleva tasomittari voi sisältää äärellistilakoneita, pumppuja ja muita laitteita maksimiarvon ylä- ja alapuolella, mikä mahdollistaa teknologisen prosessin automatisoinnin. Lisäksi tallennuslaitteille tuotetaan virtalähtö (0,5 mA, 0-20 mA).
Tasokytkimen avulla voit seurata säiliöissä olevan väliaineen lämpötilaa. Lähtötietojen päämuoto on etäisyys säiliön yläosasta sen sisältämän aineen pintaan. Asiakkaan pyynnöstä, jos tarvittavat tiedot annetaan, laitetta on mahdollista muokata näyttämään säiliössä olevan aineen korkeus, massa tai tilavuus.
5. Ultraäänikaasuanalysaattorit Ne perustuvat kaasuseoksen ultraääninopeuden riippuvuuden käyttöön kunkin tämän seoksen muodostavan kaasun nopeuksista.
6. Turvalliset ultraäänilaitteet perustuvat ultraäänikenttien erilaisten parametrien mittaamiseen (värähtelyamplitudit, kun lähettimen ja vastaanottimen välinen tila on tukossa, taajuusmuutos heijastuessaan liikkuvasta kohteesta jne.).
7. Kaasun lämpötilamittarit ja palohälyttimet, jotka perustuvat etenemisnopeuden muutoksiin ympäristön lämpötilan muuttuessa tai savun ilmaantuessa.
8. Tuhoamattomat ultraäänitestauslaitteet. Rikkomaton testaus on yksi tärkeimmistä teknisistä menetelmistä materiaalien ja tuotteiden laadun varmistamiseksi. Mitään tuotetta ei saa käyttää ilman tarkastusta. Voit tarkistaa sen testaamalla, mutta tällä tavalla voit testata 1-10 tuotetta, mutta et voi testata 100% kaikista tuotteista, koska check - tämä tarkoittaa kaikkien tuotteiden tuhoamista. Siksi on tarpeen tarkistaa tuhoamatta.
Yksi halvimmista, yksinkertaisimmista ja herkimmistä on tuhoamaton ultraäänitestausmenetelmä. Tärkeimmät edut muihin ainetta rikkomattomiin testausmenetelmiin verrattuna ovat:

- syvällä materiaalin sisällä olevien vikojen havaitseminen, mikä on mahdollista parantuneen tunkeutumiskyvyn ansiosta. Ultraäänitutkimus tehdään useiden metrien syvyyteen. Erilaisia tuotteita valvotaan, esimerkiksi: pitkät terästangot, pyörivät meistot jne.;
- korkea herkkyys havaittaessa erittäin pieniä, useiden millimetrien pituisia vikoja;
- sisäisten vikojen sijainnin tarkka määrittäminen, niiden koon arviointi, suunnan, muodon ja luonteen karakterisointi;
- riittävä pääsy vain tuotteen toiselle puolelle;
- prosessinohjaus elektronisin keinoin, mikä varmistaa vikojen lähes välittömän havaitsemisen;
- Volumetrinen skannaus, jonka avulla voit tutkia materiaalin määrää;
- terveydellisiä varotoimia koskevien vaatimusten puute;
- laitteiden siirrettävyys.

1.7 Korkean intensiteetin ultraäänivärähtelyn käytännön sovellus

Nykyään korkeaenergisten ultraäänivärähtelyjen avulla toteutetut ja tehostetut pääprosessit jaetaan yleensä kolmeen pääalaryhmään sen mukaan, millaisessa ympäristössä ne toteutuvat (kuva 1.5).

Kuva 1.5 – Korkeaenergisten ultraäänivärähtelyjen käyttö

Ympäristötyypistä riippuen prosessit jaetaan perinteisesti prosesseihin nestemäisissä, kiinteissä ja termoplastisissa materiaaleissa ja kaasumaisissa (ilma)väliaineissa. Seuraavissa osioissa käsitellään tarkemmin prosesseja ja laitteita prosessien tehostamiseksi nestemäisissä, kiinteissä ja termoplastisissa materiaaleissa ja kaasumaisissa väliaineissa.
Seuraavaksi tarkastellaan esimerkkejä perustekniikoista, jotka on toteutettu käyttämällä korkeaenergisiä ultraäänivärähtelyjä.
1. Mittakäsittely.

Ultraäänivärähtelyä käytetään hauraiden ja erittäin kovien materiaalien ja metallien käsittelyyn.
Ultraäänivärähtelyjen tehostamia tärkeimpiä teknologisia prosesseja ovat poraus, upotus, kierteitys, langanveto, kiillotus, hionta, monimutkaisten reikien poraus. Näiden teknisten prosessien tehostaminen johtuu ultraäänivärähtelyjen soveltamisesta työkaluun.
2. Ultraäänipuhdistus.
Nykyään on monia tapoja puhdistaa pinnat erilaisista epäpuhtauksista. Ultraäänipuhdistus on nopeampaa, laadukasta ja puhdistaa vaikeapääsyiset alueet. Tämä varmistaa erittäin myrkyllisten, syttyvien ja kalliiden liuottimien korvaamisen tavallisella vedellä.
Korkeataajuisella ultraäänivärähtelyllä auton kaasuttimet ja suuttimet puhdistetaan muutamassa minuutissa.
Syynä puhdistumisen kiihtymiseen on kavitaatio, erityinen ilmiö, jossa nesteeseen muodostuu pieniä kaasukuplia. Nämä kuplat puhkeavat (räjähtävät) ja luovat voimakkaita vesivirtoja, jotka pesevät pois kaiken lian. Tällä periaatteella on nykyään pesukoneita ja pieniä pesulaitteistoja. Kavitaatioprosessin toteutuksen ominaisuuksia ja sen mahdollisia ominaisuuksia tarkastellaan erikseen. Ultraääni puhdistaa metallit kiillotuspastasta, valssatut metallit hilseestä ja jalokivet kiillotusalueilta. Painolevyjen, kankaiden, pesuampullien pesu. Monimutkaisten putkien puhdistus. Puhdistuksen lisäksi ultraäänellä voidaan poistaa pieniä jäysteitä ja kiillottaa.
Ultraäänialtistus nestemäisessä väliaineessa tuhoaa mikro-organismeja ja siksi sitä käytetään laajalti lääketieteessä ja mikrobiologiassa.
Toinen ultraäänipuhdistuksen toteutus on mahdollista.
- savun puhdistus ilmassa olevista kiinteistä hiukkasista. Tähän käytetään myös ultraäänivaikutusta sumuihin ja savuun. Ultraäänikentässä olevat hiukkaset alkavat liikkua aktiivisesti, törmäävät ja tarttuvat yhteen ja kerrostuvat seinille. Tätä ilmiötä kutsutaan ultraäänikoagulaatioksi, ja sitä käytetään torjumaan sumua lentokentillä, teillä ja merisatamissa.
3. Ultraäänihitsaus.
Tällä hetkellä polymeeriset termoplastiset materiaalit hitsataan korkean intensiteetin ultraäänivärähtelyjen avulla. Polyeteeniputkien, laatikoiden, tölkkien hitsaus takaa erinomaisen tiiviyden. Toisin kuin muut menetelmät, ultraääntä voidaan käyttää saastuneiden muovien, nesteputkien jne. keittämiseen. Tässä tapauksessa sisältö steriloidaan.
Ultraäänihitsauksella ohuin kalvo tai lanka hitsataan metalliosaan. Lisäksi ultraäänihitsaus on kylmähitsausta, koska sauma muodostuu sulamispisteen alapuolella olevassa lämpötilassa. Siten alumiini, tantaali, zirkonium, niobium, molybdeeni jne. liitetään yhteen hitsaamalla.
Tällä hetkellä ultraäänihitsaus on löytänyt suurimman sovelluksensa nopeissa pakkausprosesseissa ja polymeeripakkausmateriaalien tuotannossa.
4. Juotos ja tinaus
Alumiini juotetaan korkeataajuisella ultraäänivärähtelyllä. Ultraäänien avulla on mahdollista tinata ja sitten juottaa keramiikkaa ja lasia, mikä aiemmin oli mahdotonta. Ferriitit ja puolijohdekiteiden juottaminen kullattuihin koteloihin toteutetaan nykyään ultraäänitekniikalla.
5. Ultraääni modernissa kemiassa
Tällä hetkellä, kuten kirjallisista lähteistä seuraa, kemiassa on muodostunut uusi suunta - ultraäänikemia. Tutkimalla ultraäänen vaikutuksen alaisena tapahtuvia kemiallisia muutoksia tutkijat ovat havainneet, että ultraääni ei vain kiihdyttää hapettumista, vaan joissakin tapauksissa tarjoaa myös pelkistävän vaikutuksen. Näin ollen rauta pelkistyy oksideista ja suoloista.
Hyviä positiivisia tuloksia on saatu ultraäänen tehostamisesta seuraavissa kemiallisissa ja teknologisissa prosesseissa:
- sähkösaostus, polymerointi, depolymerointi, hapetus, pelkistys, dispersio, emulgointi, aerosolien koagulointi, homogenointi, kyllästäminen, liuottaminen, ruiskutus, kuivaus, poltto, parkitus jne.
Sähkösaostus - kerrostunut metalli saa hienokiteisen rakenteen ja huokoisuus pienenee. Siten suoritetaan kuparipinnoitus, tinaus ja hopeapinnoitus. Prosessi on nopeampi ja pinnoitteen laatu korkeampi kuin perinteisissä teknologioissa.
Emulsioiden valmistus: vesi ja rasva, vesi ja eteeriset öljyt, vesi ja elohopea. Sekoittumiseste on voitettu ultraäänen ansiosta.
Polymerointi (molekyylien yhdistäminen yhdeksi) - polymeroitumisastetta säätelee ultraäänen taajuus.
Dispersio - erittäin hienojen pigmenttien saaminen väriaineiden valmistamiseksi.
Kuivaus - ilman biologisesti aktiivisia aineita. Elintarvike- ja lääketeollisuudessa.
Nesteiden ja sulatteiden ruiskuttaminen. Sumutuskuivauksen prosessien tehostaminen. Metallijauheen saaminen sulatteista. Nämä ruiskulaitteet poistavat pyörivät ja hankaavat osat.
Ultraääni lisää nestemäisten ja kiinteiden polttoaineiden palamistehokkuutta 20-kertaiseksi.
Kyllästäminen. Neste kulkee kyllästetyn materiaalin kapillaarien läpi satoja kertoja nopeammin. Käytetään kattohuovan, ratapölkkyjen, sementtilevyjen, textoliitin, getinaxin, puun kyllästämiseen modifioiduilla hartseilla valmistukseen
6. Ultraääni metallurgiassa.
- Tiedetään, että metallit sulaessaan imevät kaasuja alumiinista ja sen seoksista. 80 % kaikista sulan metallin kaasuista on H2. Tämä johtaa metallin laadun heikkenemiseen. Kaasut voidaan poistaa ultraäänellä, mikä on mahdollistanut maassamme erityisen teknologisen syklin luomisen ja sen laajan käytön metallien valmistuksessa.
- Ultraääni edistää metallien kovettumista
- Jauhemetallurgiassa ultraääni edistää valmistettavan materiaalin hiukkasten tarttumista. Tämä eliminoi suuren paineen tiivistämisen tarpeen.
7. Ultraääni kaivostoiminnassa.
Ultraäänen käyttö mahdollistaa seuraavien tekniikoiden toteuttamisen:
- Parafiinin poistaminen öljykaivojen seinistä;
- Metaaniräjähdysten eliminointi kaivoksissa sen ruiskuttamisen vuoksi;
- Malmien ultraäänirikastus (ultraääniä käyttävä vaahdotusmenetelmä).
8. KM maataloudessa.
Ultraäänivärähtelyllä on myönteinen vaikutus siemeniin ja jyviin ennen kylvöä. Siten tomaatin siementen käsittely ennen istutusta lisää hedelmien määrää, lyhentää kypsymisaikaa ja lisää vitamiinien määrää.
Melonin ja maissin siementen ultraäänikäsittely johtaa 40 %:n kasvuun.
Kun siemeniä käsitellään ultraäänellä, on mahdollista desinfioida ja tuoda tarvittavat mikroelementit nesteestä
9. Elintarviketeollisuus.
Seuraavat tekniikat ovat jo käytössä käytännössä:
- Maidon käsittely homogenointia ja sterilointia varten;
- Käsittely pakastetun maidon säilyvyyden ja laadun parantamiseksi
- korkealaatuisen maitojauheen saaminen;
- Emulsioiden saaminen leivontaan;
- Hiivan käsittely lisää sen käymistehoa 15 %;
- Aromaattisten aineiden, soseiden hankkiminen, rasvan poistaminen maksasta;
- hammaskiven kerman eristäminen;
- Kasvi- ja eläinraaka-aineiden louhinta;
- Hajuvesien tuotanto (6...8 tuntia vuoden sijaan).
10. Yhdysvallat biologiassa.
- Suuret annokset ultraääni tappaa mikro-organismeja (stafylokokit, streptokokit, virukset);
- Ultraäänialtistuksen matala intensiteetti edistää mikro-organismien pesäkkeiden kasvua;
11. Vaikutus ihmisiin.
Ultraäänialtistuksella, jonka intensiteetti on 0,1...0,4 W/cm, on terapeuttinen vaikutus. Amerikassa 0,8 W/cm intensiteetillä olevaa altistusta pidetään terapeuttisena.
12. Lääketieteessä.
Ultraääniveitset, ulkoisen ja sisäisen rasvaimulaitteet, laparoskooppiset instrumentit, inhalaattorit, hierontalaitteet ovat laajalti käytössä ja mahdollistavat erilaisten sairauksien hoidon.
Seuraava luentokurssi on tarkoitettu eri toimialojen opiskelijoiden, jatko-opiskelijoiden, insinöörien ja tekniikkojen alustavaan perehdyttämiseen ultraääniteknologioiden perusteisiin ja sen tarkoituksena on antaa perustiedot ultraäänivärähtelyjen muodostumisen teoriasta ja korkean käytön käytännöstä. -intensiteetin ultraäänivärähtely.

Ultraääni…………………………………………………………………………………….4

Ultraääni elastisina aaltoina………………………………………..4

Ultraäänen erityispiirteet………………………………..5

Ultraäänilähteet ja -vastaanottimet………………………………………..7

Mekaaniset emitterit………………………………………………………7

Sähköakustiset muuntimet……………………………….9

Ultraäänivastaanottimet………………………………………………………………..11

Ultraäänen käyttö…………………………………………………………………11

Ultraäänipuhdistus……………………………………………………………11

Erittäin kovan ja hauraan mekaaninen käsittely

materiaalit…………………………………………………………13

Ultraäänihitsaus…………………………………………….14

Ultraäänijuotto ja tinaus………………………………………14

Tuotantoprosessien nopeuttaminen………………..…………15

Ultraäänivirheiden tunnistus………………………………………………………………………………………

Ultraääni radioelektroniikassa………………………………………………17

Ultraääni lääketieteessä………………………………………………..18

Kirjallisuus…………………………………………………………………………………….19

johtaa.

21. vuosisata on atomin, avaruustutkimuksen, radioelektroniikan ja ultraäänen vuosisata. Ultraäänitiede on suhteellisen nuori. Ensimmäisen ultraäänitutkimuksen laboratoriotyön suoritti suuri venäläinen fyysikko P. N. Lebedev 1800-luvun lopulla, ja sitten monet tunnetut tutkijat tutkivat ultraääntä.

Ultraääni on aaltomainen etenevä hiukkasten värähtelevä liike väliaineessa. Ultraäänellä on joitain ominaisuuksia verrattuna kuultavissa oleviin ääniin. Ultraäänialueella on suhteellisen helppoa saada suunnattua säteilyä; se soveltuu hyvin tarkentamiseen, minkä seurauksena ultraäänivärähtelyjen voimakkuus kasvaa. Kaasuissa, nesteissä ja kiinteissä aineissa leviäessään ultraääni synnyttää mielenkiintoisia ilmiöitä, joista monet ovat löytäneet käytännön sovellutuksia tieteen ja tekniikan eri aloilla.

Viime vuosina ultraäänellä on alkanut olla yhä tärkeämpi rooli tieteellisessä tutkimuksessa. Ultraäänikavitaation ja akustisten virtausten alalla on suoritettu onnistuneesti teoreettisia ja kokeellisia tutkimuksia, jotka mahdollistivat uusien teknisten prosessien kehittämisen, jotka tapahtuvat ultraäänen vaikutuksesta nestefaasissa. Tällä hetkellä on muodostumassa uusi kemian suunta - ultraäänikemia, joka mahdollistaa monien kemiallisten ja teknologisten prosessien nopeuttamisen. Tieteellinen tutkimus myötävaikutti uuden akustiikan haaran - molekyyliakustiikan - syntymiseen, joka tutkii ääniaaltojen molekyylien vuorovaikutusta aineen kanssa. Uusia ultraäänen sovellusalueita on ilmaantunut: introskopia, holografia, kvanttiakustiikka, ultraäänifaasimetria, akustoelektroniikka.

Ultraäänialan teoreettisen ja kokeellisen tutkimuksen ohella on tehty monia käytännön töitä. On kehitetty yleis- ja erikoisultraäänikoneita, korotetulla staattisella paineella toimivia asennuksia, ultraäänikoneistettuja osien puhdistamiseen tarkoitettuja asennuksia, generaattoreita korotetulla taajuudella ja uudella jäähdytysjärjestelmällä sekä muuntajia tasaisesti jakautuneella kentällä. Automaattiset ultraääniyksiköt on luotu ja otettu tuotantoon, jotka sisältyvät tuotantolinjoihin, mikä mahdollistaa työn tuottavuuden lisäämisen merkittävästi.

Ultraääni

Ultraääni (US) on elastisia värähtelyjä ja aaltoja, joiden taajuus ylittää 15–20 kHz. Ultraäänitaajuusalueen alaraja, joka erottaa sen kuuluvan äänen alueesta, määräytyy ihmisen kuulon subjektiivisten ominaisuuksien perusteella ja on ehdollinen, koska kuuloaistin yläraja on erilainen jokaiselle henkilölle. Ultraäänitaajuuksien yläraja määräytyy elastisten aaltojen fysikaalisen luonteen mukaan, ja ne voivat levitä vain aineellisessa väliaineessa, ts. edellyttäen, että aallonpituus on huomattavasti suurempi kuin molekyylien keskimääräinen vapaa reitti kaasussa tai atomien väliset etäisyydet nesteissä ja kiinteissä aineissa. Normaalipaineisissa kaasuissa ultraäänitaajuuksien yläraja on » 10 9 Hz, nesteissä ja kiinteissä aineissa rajataajuus on 10 12 -10 13 Hz. Ultraäänellä on aallonpituudesta ja taajuudesta riippuen erilaisia erityisiä säteilyn, vastaanoton, etenemisen ja sovelluksen ominaisuuksia, joten ultraäänen taajuuksien alue on jaettu kolmeen alueeseen:

· matalat ultraäänitaajuudet (1,5×10 4 – 10 5 Hz);

· keskiarvo (10 5 – 10 7 Hz);

· korkea (10 7 – 10 9 Hz).

Elastisia aaltoja, joiden taajuudet ovat 10 9 – 10 13 Hz, kutsutaan yleisesti hyperääniksi.

Ultraääni elastisina aaltoina.

Ultraääniaallot (kuulumaton ääni) eivät luonteeltaan poikkea elastisista aalloista kuultavalla alueella. Jakaantuu vain kaasuihin ja nesteisiin pituussuuntainen aalloissa ja kiinteissä aineissa - pituussuuntainen ja leikkaus s.

Ultraäänen eteneminen noudattaa peruslakeja, jotka ovat yhteisiä minkä tahansa taajuusalueen akustisille aalloille. Lisääntymisen peruslakeja ovat mm äänen heijastuksen ja taittumisen lait eri välineiden rajoilla, äänen diffraktio ja äänen sironta jos ympäristössä on esteitä ja epätasaisuutta ja rajojen epäsäännöllisyyksiä, aaltoputken etenemisen lait rajoitetuilla ympäristön alueilla. Merkittävä rooli on äänen aallonpituuden l ja geometrisen koon D välinen suhde - äänilähteen tai aallon reitillä olevan esteen koko, väliaineen epähomogeenisuuden koko. Kun D>>l, äänen eteneminen esteiden lähellä tapahtuu pääasiassa geometrisen akustiikan lakien mukaisesti (voi käyttää heijastuksen ja taittumisen lakeja). Poikkeaman aste geometrisesta etenemiskuviosta ja tarve ottaa huomioon diffraktioilmiöt määräytyy parametrin mukaan.

, jossa r on etäisyys havaintopisteestä diffraktiota aiheuttavaan kohteeseen.

Ultraääniaaltojen etenemisnopeus rajoittamattomassa väliaineessa määräytyy väliaineen elastisuusominaisuuksien ja tiheyden mukaan. Ahtaissa ympäristöissä aallon etenemisnopeuteen vaikuttaa rajojen olemassaolo ja luonne, mikä johtaa nopeuden taajuusriippuvuuteen (äänen nopeuden dispersio). Ultraääniaallon amplitudin ja intensiteetin pieneneminen, kun se etenee tiettyyn suuntaan, eli äänen vaimeneminen, aiheutuu, kuten minkä tahansa taajuuden aalloilla, aaltorintaman hajoamisesta etäisyyden lähteestä, sironnasta ja äänen absorptio. Kaikilla sekä kuuluvien että kuulumattomien alueiden taajuuksilla tapahtuu niin sanottu "klassinen" absorptio, joka johtuu väliaineen leikkausviskositeetista (sisäinen kitka). Lisäksi on ylimääräistä (relaksaatiota) imeytymistä, joka usein ylittää merkittävästi "klassisen" absorption.

Ääniaaltojen merkittävällä intensiteetillä esiintyy epälineaarisia tehosteita:

· superpositioperiaatetta rikotaan ja tapahtuu aaltojen vuorovaikutusta, mikä johtaa sävyjen esiintymiseen;

· aallon muoto muuttuu, sen spektri rikastuu korkeammilla harmonisilla ja absorptio kasvaa vastaavasti;

· kun nesteessä saavutetaan tietty ultraäänivoimakkuuden kynnysarvo, tapahtuu kavitaatiota (katso alla).

Lineaarisen akustiikan lakien sovellettavuuden ja epälineaaristen vaikutusten huomioimatta jättämisen kriteeri on: M<< 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Parametria M kutsutaan "Mach-luvuksi".

ultraäänen erityispiirteet

Vaikka ultraäänen fyysinen luonne ja sen etenemistä määrittävät peruslait ovat samat kuin minkä tahansa taajuusalueen ääniaaltojen, sillä on useita erityispiirteitä. Nämä ominaisuudet johtuvat suhteellisen korkeista ultraäänitaajuuksista.

Aallonpituuden pieni määrä määrää säteittäinen luonne ultraääniaaltojen leviäminen. Lähellä emitteriä aallot etenevät säteiden muodossa, joiden poikittaiskoko pysyy lähellä emitterin kokoa. Kun tällainen säde (ultraäänisäde) osuu suuriin esteisiin, se heijastuu ja taittuu. Kun säde osuu pieniin esteisiin, ilmaantuu haja-aalto, joka mahdollistaa pienten epähomogeenisuuksien havaitsemisen väliaineessa (mm:n kymmenesosien ja sadasosien luokkaa). Ultraäänen heijastus ja sironta väliaineen epähomogeenisuuksissa mahdollistavat muodostumisen optisesti läpinäkymättömässä väliaineessa äänikuvia esineitä käyttämällä äänen tarkennusjärjestelmiä, samalla tavalla kuin valonsäteiden avulla.

Ultraäänitarkennuksella saadaan paitsi äänikuvia (ääninäkö- ja akustiset holografiajärjestelmät), myös Keskityäänienergiaa. Ultraäänitarkennusjärjestelmien avulla on mahdollista muodostaa määrätty suuntaavuusominaisuudet säteilijät ja ohjata niitä.

Jaksottainen muutos valoaaltojen taitekertoimessa, joka liittyy ultraääniaallon tiheyden muutokseen, aiheuttaa valon diffraktio ultraäänellä, havaittu ultraäänitaajuuksilla megahertsi-gigahertsi alueella. Tässä tapauksessa ultraääniaaltoa voidaan pitää diffraktiohilana.

Tärkein epälineaarinen vaikutus ultraäänikentässä on kavitaatio– höyryllä, kaasulla tai niiden sekoituksella täytettyjen sykkivien kuplien esiintyminen nesteessä. Kuplien monimutkainen liike, niiden romahtaminen, sulautuminen toisiinsa jne. synnyttävät puristuspulsseja (mikroiskuaaltoja) ja mikrovirtoja nesteeseen, mikä aiheuttaa väliaineen paikallista kuumenemista ja ionisaatiota. Nämä vaikutukset vaikuttavat aineeseen: nesteessä esiintyy kiinteiden aineiden tuhoutumista ( kavitaatioeroosio), tapahtuu nesteen sekoittumista, erilaisia fysikaalisia ja kemiallisia prosesseja käynnistetään tai kiihdytetään. Kavitaation olosuhteita muuttamalla on mahdollista vahvistaa tai heikentää erilaisia kavitaatiovaikutuksia, esimerkiksi ultraäänitaajuuden kasvaessa mikrovirtojen rooli kasvaa ja kavitaatioeroosio vähenee nesteen paineen kasvaessa, mikroiskuvaikutusten rooli kasvaa. Taajuuden kasvu johtaa kavitaation alkamista vastaavan intensiteetin kynnysarvon nousuun, joka riippuu nesteen tyypistä, sen kaasupitoisuudesta, lämpötilasta jne. Ilmakehän paineessa olevalle vedelle se on yleensä 0,3-1,0 W/cm 2. Kavitaatio on monimutkainen ilmiö. Ultraääniaallot, jotka etenevät nesteessä, muodostavat vuorottelevia korkean ja matalan paineen alueita, luoden vyöhykkeitä, joissa on korkea puristus ja harventumisalue. Harvinaisemmalla alueella hydrostaattinen paine laskee siinä määrin, että nesteen molekyyleihin vaikuttavat voimat tulevat suuremmiksi kuin molekyylien välisen koheesion voimat. Hydrostaattisen tasapainon jyrkän muutoksen seurauksena neste "räjähtää" muodostaen lukuisia pieniä kaasu- ja höyrykuplia. Seuraavalla hetkellä, kun nesteessä tapahtuu korkea paine, aiemmin muodostuneet kuplat romahtavat. Kuplan romahtamisen prosessiin liittyy shokkiaaltojen muodostuminen, joilla on erittäin korkea paikallinen hetkellinen paine, joka saavuttaa useita satoja ilmakehyksiä.

Portaali koululaisille. Itse valmistautuminen

Ultraäänilähteet

Galtonin pilli

Nestemäinen ultraäänipilli

Sireeni

Ultraääni luonnossa

Ultraäänisovellukset

Ultraäänen diagnostiset sovellukset lääketieteessä (ultraääni)

Ultraäänen terapeuttiset sovellukset lääketieteessä

Metallin leikkaus ultraäänellä

Seosten valmistus ultraäänellä

Ultraäänen käyttö biologiassa

Ultraäänen käyttö puhdistukseen

Ultraäänen käyttö virtausmittauksessa

Ultraäänen käyttö vikojen havaitsemisessa

Ultraäänihitsaus

Ultraäänen käyttö galvanoinnissa

Diffraktio, interferenssi

Ultraääniaaltojen absorptio

Ultraääniaaltojen tunkeutumissyvyys

Ultraääniaaltojen sironta

Ultraääniaaltojen taittuminen

Ultraääniaaltojen heijastus

Liikkuvat ja seisovat ultraääniaallot

Ultraäänilähteet

Galtonin pilli

Nestemäinen ultraäänipilli

Sireeni

Ultraääni luonnossa

Ultraäänisovellukset

Ultraäänen diagnostiset sovellukset lääketieteessä (ultraääni)

Ultraäänen terapeuttiset sovellukset lääketieteessä

Metallin leikkaus ultraäänellä

Seosten valmistus ultraäänellä

Ultraäänen käyttö biologiassa

Ultraäänen käyttö puhdistukseen

Ultraäänen käyttö virtausmittauksessa

Ultraäänen käyttö vikojen havaitsemisessa

Ultraäänihitsaus

Mikä on ultraääni?

Ultraäänen rooli tieteessä ja käytännössä

Lisää ultraäänestä

Ultraäänilähteet

Ultraäänivastaanottimet

Missä ultraääntä käytetään?

Ultraäänipuhdistus

Hauraiden ja erittäin kovien materiaalien mekaaninen käsittely

Ultraääni radioelektroniikassa

Ultraääni lääketieteessä

Ultraääni leikkauksessa

Sisäelinten tutkimus

Ultraäänen käyttö hammaslääketieteessä

Ultraäänen historia. Kuka löysi ultraäänen?

Ultraäänen vastaanotto.

Ultraäänen soveltaminen.

Ultraäänen vaikutus aineeseen.

Missä ultraääntä käytetään - yhteenvetotaulukko

Mikä tämä on

Mutta korkeampien taajuuksien läsnäolo ja siten lyhyt aallonpituus antaa ultraäänivärähtelyille tiettyjä ominaisuuksia:

Ominaisuudet

Toimintaperiaate

Sovellus

Useimmiten sitä käytetään seuraavilla alueilla:

Siten he tutkivat ultraääniaaltojen avulla:

Ultraäänikäsittelyssä kavitaatiomenetelmää käytetään usein:

Seuraavat teknologiset toiminnot suoritetaan teollisuudessa ultraääniaaltojen vaikutuksesta:

Ultraäänivärähtely suorittaa myös:

Ultraäänivärähtelyä käytetään tapauksissa, joissa röntgensäteitä ei voida käyttää:

Ultraääni jatkossa

1.6 Matalaenergiaisten ultraäänivärähtelyjen käytännön sovellus

1.7 Korkean intensiteetin ultraäänivärähtelyn käytännön sovellus

Ultraääni…………………………………………………………………………………….4

AIHEESEEN LIITTYVÄT ARTIKKELIT