VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Ультразвуковые колебания и их применение
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности по сравнению со звуками слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне сравнительно легко получить направленное излучение; он хорошо поддается фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает интересные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и техники.
Цель исследования: изучить специфику ультразвуковых колебаний и особенности их применения в разных областях
Объект исследования – ультразвуковые колебания
Предмет исследования – специфика ультразвуковых колебаний и особенности их применения в разных областях
Гипотезы исследования:
ультразвук обладает специфическими особенностями, отличающие его от других звуковых волн
учащиеся недостаточно осведомлены об областях применения ультразвука
особенности ультразвука имеют широкое практическое применение в разных областях
Непосредственными задачами данной работы являются:
Дать определение термину «ультразвук»
Рассмотреть специфические особенности ультразвука
Узнать о источниках и приемниках ультразвука
Изучить осведомленность учащихся об ультразвуке
Определить, в каких областях применяется ультразвук
1 Ультразвук и его специфические особенности
Ультразвук (УЗ) - упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 - 20 кГц. Нижняя граница области УЗ-вых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной, так как верхняя граница слухового восприятия у каждого человека своя. Верхняя граница УЗ-вых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. В газах при нормальном давлении верхняя граница частот УЗ составляет « 109 Гц, в жидкостях и твердых телах граничная частота достигает 10|2-1013 Гц. В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает различными специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область УЗ-вых частот подразделяют на три области:
низкие УЗ-вые частоты (1,5-104 - 105 Гц);
средние (105 - 107 Гц);
высокие (107 - 109 Гц).
Упругие волны с частотами 109 - 1013 Гц принято называть гиперзвуком.
Специфические особенности ультразвука.
Хотя физическая природа УЗ и определяющие его распространение основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей. Эти особенности обусловлены относительно высокими частотами УЗ.
Малость длины волны определяет лучевой характер распространения УЗ-вых волн. Вблизи излучателя волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные препятствия такой пучок (УЗ луч) испытывает отражение и преломление. При попадании луча на малые препятствия возникает рассеянная волна, что позволяет обнаруживать в среде малые неоднородности (порядка десятых и сотых долей мм.). Отражение и рассеяние УЗ на неоднородностях среды позволяют формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов, используя звуковые фокусирующие системы, подобно тому, как это делается с помощью световых лучей.
Фокусировка УЗ позволяет не только получать звуковые изображения (системы звуковидения и акустической голографии), но и концентрировать звуковую энергию. С помощью УЗ-вых фокусирующих систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими.
Периодическое изменение показателя преломления световых волн, связанное с изменением плотности в УЗ-волне, вызывает дифракцию света на ультразвуке, наблюдаемую на частотах УЗ мегагерцевого-гигагерцевого диапазона. УЗ волну при этом можно рассматривать как дифракционную решетку.
Важнейшим нелинейным эффектом в УЗ-вом поле является кавитация - возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их схлопывание, слияние друг с другом и т.д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию.
Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), возникает перемешивание жидкости, инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы.
Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты, например с ростом частоты УЗ увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с увеличением давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий. Увеличение частоты приводит к повышению порогового значения интенсивности, соответствующей началу кавитации, которое зависит от рода жидкости, ее газосодержания, температуры и т.д.. Для воды при атмосферном давлении оно обычно составляет 0,34-1,0 Вт/см2.
Кавитация - сложный комплекс явлений. УЗ-вые волны, распространяющиеся в жидкости, образуют чередующиеся области высоких и низких давлений, создающих зоны высоких сжатий и зоны разрежений. В разреженной зоне гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил межмолекулярного сцепления. В результате резкого изменения гидростатического равновесия жидкость «разрывается», образуя многочисленные мельчайшие пузырьки газов и паров. В следующий момент, когда в жидкости наступает период высокого давления, образовавшиеся ранее пузырьки схлопываются. Процесс схлопывания пузырьков сопровождается образованием ударных волн с очень большим местным мгновенным давлением, достигающим нескольких сотен атмосфер.
2 Применение ультразвука
Многообразные применения УЗ, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством УЗ-вых волн, второе - с активным воздействием на вещество и третье - с обработкой и передачей сигналов. При каждом конкретном применении используется УЗ определенного частотного диапазона (Приложение 1). Расскажем лишь о некоторых из многочисленных областей, где нашел применение УЗ.
2.1 Ультразвуковая очистка
Качество УЗ очистки несравнимо с другими способами (рис.8). Например, при полоскании деталей на их поверхности остается до 80% загрязнений, при вибрационной очистке - около 55%, при ручной - около 20%, а при ультразвуковой - не более 0,5%. Кроме того, детали, имеющие сложную ’ форму, труднодоступные места, хорошо можно очистить только с помощью ультразвука. Особое преимущество УЗ-вой очистки заключается в ее высокой производительности при малой затрате физического труда, возможности замены огнеопасных или дорогостоящих органических растворителей безопасными и дешевыми водными растворами щелочей, жидким фреоном и др.
Рис.8 Метод ультразвуковой очистки
Ультразвуковая очистка - сложный процесс, сочетающий местную кавитацию с действием больших ускорений в очищающей жидкости, что приводит к разрушению загрязнений. Если загрязненную деталь поместить в жидкость и облучить ультразвуком, то под действием ударной волны кавитационных пузырьков поверхность детали очищается от грязи.
2.2 Механическая обработка сверхтвердых и хрупких материалов
Если между рабочей поверхностью УЗ-вого инструмента и обрабатываемой деталью ввести абразивный материал, то при работе излучателя частицы абразива будут воздействовать на поверхность детали. Материал разрушается и удаляется при обработке под действием большого числа направленных микроударов (рис. 9).
Рис.9 Ультразвуковая обработка материалов.
- ультразвуковой инструмент;
- абразивные зерна;
- обрабатываемая деталь.
Кинематика ультразвуковой обработки складывается из главного движения - резания, т.е. продольных колебаний инструмента, и вспомогательного движения - движения подачи. Продольные колебания являются источником энергии абразивных зерен, которые и производят разрушение обрабатываемого материала. Вспомогательное движение - движение подачи - может быть продольным, поперечным и круговым. Ультразвуковая обработка обеспечивает большую точность - от 50 до 1 мк в зависимости от зернистости абразива.
Из существующих методов ни один не подходит для сварки разнородных металлов или если к толстым деталям нужно приварить тонкие пластины. В этом случае УЗ-вая сварка незаменима(рис.10). Ее иногда называют холодной, потому что детали соединяются в холодном состоянии. Окончательного представления о механизме образования соединений при УЗ-вой сварке нет. В процессе сварки после ввода ультразвуковых колебаний между свариваемыми пластинами образуется слой высокопластичного металла, при этом пластины очень легко поворачиваются вокруг вертикальной оси на любой угол. Но как только ультразвуковое излучение прекращают, происходит мгновенное «схватывание» пластин.
Рис. 10 Ультразвуковая сварка
Ультразвуковая сварка происходит при температуре значительно меньшей температуры плавления, поэтому соединение деталей происходит в твердом состоянии. С помощью УЗ можно сваривать многие металлы и сплавы (медь, молибден, тантал, титан, многие стали). Наилучшие результаты получаются при сварке тонколистовых разнородных металлов и приварке к толстым деталям тонких листов. При УЗ-вой сварке минимально изменяются свойства металла в зоне сварки.
2.3 Ультразвуковая пайка и лужение
В промышленности все большее значение приобретает УЗ-вая пайка и лужение алюминия, нержавеющей стали и других материалов. Трудность пайки алюминия состоит в том, что его поверхность всегда покрыта тугоплавкой пленкой окиси алюминия, которая образуется практически мгновенно при соприкосновении металла с кислородом воздуха. Эта пленка препятствует соприкосновению расплавленного припоя с поверхностью алюминия.
В настоящее время одним из эффективных методов пайки алюминия является ультразвуковой, пайка с применением УЗ производится без флюса. Введение механических колебаний ультразвуковой частоты в расплавленный припой в процессе пайки способствует механическому разрушению окисной пленки и облегчает смачивание припоем поверхности.
2.4 Ускорение производственных процессов с помощью ультразвука
Применение ультразвука позволяет значительно ускорить смешивание различных жидкостей и получить устойчивые эмульсии (даже таких как вода и ртуть).
Воздействуя УЗ-выми колебаниями большой интенсивности на жидкости, можно получать тонкодисперсные аэрозоли высокой плотности.
Сравнительно недавно начали применять УЗ для пропитки электротехнических намоточных изделий. Применение УЗ позволяет сократить время пропитки в 3 - 5 раз и заменить 2-3 кратную пропитку одноразовой.
Под действием УЗ значительно ускоряется процесс гальванического осаждения металлов и сплавов.
Если в расплавленный металл вводить УЗ-вые колебания, заметно измельчается зерно, уменьшается пористость.
Ультразвук применяется при обработке металлов и сплавов в твердом состоянии, что приводит к «разрыхлению» структуры и к искусственному их старению.
УЗ при прессовании металлических порошков обеспечивает получение прессованных изделий более высокой плотности и стабильности размеров.
2.5 Ультразвуковая дефектоскопия
Рис.11 Теневой метод ультразвуковой дефектоскопии.
Ультразвуковая дефектоскопия - один из методов неразрушающего контроля. Свойство УЗ распространяться в однородной среде направленно и без существенных затуханий, а на границе раздела двух сред (например, металл - воздух) почти полностью отражаться позволило применить УЗ-вые колебания для выявления дефектов (раковины, трещины, расслоения и т.п.) в металлических деталях без их разрушения.
При помощи УЗ можно проверять детали больших размеров, так как глубина проникновения УЗ в металле достигает 8 -10 м. Кроме того, ультразвуком можно обнаружить очень мелкие дефекты (до 10 -6мм).
Существует несколько методов ультразвуковой дефектоскопии, основными из которых являются теневой(рис.11), импульсный, резонансный, метод структурного анализа, ультразвуковой визуализации.
УЗ-вые дефектоскопы позволяют выявлять не только образовавшиеся дефекты, но и определять момент повышенной усталости металла.
Импульсный метод УЗ-вой дефектоскопии основан на явлении отражения ультразвуковых волн. Принцип действия импульсного дефектоскопа показан на рис. 12
Рис. 12 Принцип действия УЗ дефектоскопа, основанный на импульсном методе.
Высокочастотный генератор вырабатывает кратковременные импульсы. Посланный излучателем импульс, отразившись, возвращается обратно к преобразователю, который в это время работает на прием. С преобразователя сигнал поступает на усилитель, а затем на отклоняющие пластины электроннолучевой трубки. Для получения на экране трубки изображения зондирующих и отраженных импульсов предусмотрен генератор развертки. Работой высокочастотного генератора управляет синхронизатор, который с определенной частотой формирует высокочастотные импульсы. Частота посылки импульсов может изменяться с таким расчетом, чтобы отраженный импульс приходил к преобразователю раньше посылки следующего импульса.
Импульсный метод позволяет исследовать изделия при одностороннем доступе к ним. Метод обладает повышенной чувствительностью, отражение даже 1% УЗ-вой энергии будет замечено. Преимущество импульсного метода состоит еще и в том, что он позволяет определить на какой глубине находится дефект.
2.6 Ультразвук в радиоэлектронике
В радиоэлектронике часто возникает необходимость задержать один электрический сигнал относительно другого. Удачное решение нашли ученые, предложив ультразвуковые линии задержки (ЛЗ) (рис.13). Действие их основано на преобразовании электрических импульсов в импульсы УЗ-вых механических колебаний, скорость распространения которых значительно меньше скорости распространения электромагнитных колебаний. После обратного преобразования механических колебаний в электрические импульс напряжения на выходе линии будет задержан относительно входного импульса.
Рис.13 Ультразвуковые линии задержки
Для преобразования электрических колебаний в механические и обратно используют магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи. Соответственно этому ЛЗ подразделяются на магнитострикционные и пьезоэлектрические.
Магнитострикционная ЛЗ состоит из входного и выходного преобразователей, магнитов, звукопровода и поглотителей.
Входной преобразователь состоит из катушки, по которой протекает ток входного сигнала, участка звукопровода из магнитострикционного материала, в котором возникают механические колебания УЗ-вой частоты, и магнита, создающего постоянное подмагничивание зоны преобразования. Выходной преобразователь по устройству почти не отличается от входного.
Звукопровод представляет собой стержень из магнитострикционного материала, в котором возбуждаются УЗ-вые колебания, распространяющиеся со скоростью примерно 5000 м/с. для задержки импульса, например, на 100 мкс длина звукопровода должна быть около 43 см. Магнит нужен для создания начальной магнитной индукции и подмагничивания зоны преобразования.
Поглотители для уменьшения уровня паразитных отраженных сигналов располагаются на обоих концах звукопровода.
Принцип действия магнитострикционной ЛЗ основан на изменении размеров ферромагнитных материалов под воздействием магнитного поля. Механическое возмущение, вызванное магнитным полем катушки входного преобразователя, передается по звокопроводу и, дойдя до катушки выходного преобразователя, наводит в ней электродвижущую силу.
Пьезоэлектрические ЛЗ устроены следующим образом. На пути электрического сигнала ставят пьезоэлектрический преобразователь (пластинку кварца), который жестко соединен с металлическим стержнем (звукопроводом). Ко второму концу стержня прикреплен второй пьезоэлектрический преобразователь. Сигнал, подойдя к входному преобразователю, вызывает механические колебания УЗ-вой частоты, которые затем распространяются в звукопроводе. Достигнув второго преобразователя, УЗ-вые колебания вновь преобразуются в электрические. Но так как скорость распространения УЗ в звукопроводе значительно меньше скорости меньше скорости распространения электрического сигнала, сигнал, на пути которого был звукопровод, отстает от другого на величину, равную разности скорости распространения УЗ и электромагнитных сигналов на определенном участке.
2.7 Ультразвук в медицине
Применение УЗ для активного воздействия на живой организм в медицине основывается на эффектах, возникающих в биологических тканях при прохождении через них УЗ-вых волн. При больших интенсивностях сильное нагревание и кавитация вызывают разрушение тканей. Этот эффект находит применение в УЗ-вой хирургии (рис.14 Приложение 2). Для хирургических операций используют фокусированный УЗ, который позволяет производить локальные разрушения в глубинных структурах, например мозга, без повреждения окружающих тканей. В хирургии применяют также УЗ-вые инструменты, рабочий конец которых имеет вид скальпеля, пилки, иглы и т.п. Наложение УЗ-вых колебаний на такие, обычные для хирургии, инструменты придает им новые качества, существенно снижая требуемое усилие и, следовательно, травматизм операции; кроме того, проявляется кровоостанавливающий и обезболивающий эффект. Контактное воздействие тупым УЗ-вым инструментом применяется для разрушения некоторых новообразований.
УЗ нашел применение в зубоврачебной практике для снятия зубного камня (рис.15 Приложение 2). Он позволяет безболезненно, бескровно, быстро удалять зубной камень и налет с зубов. При этом не травмируется слизистая полость рта и обеззараживаются «карманы» полости, а пациент вместо боли испытывает ощущение теплоты.
УЗ метод полезен в кардиологии (рис.16 Приложение 2)— эхография сердца делает видимыми его структуры, позволяет оценить размеры желудочков, предсердий, межжелудочковой перегородки, определить состояние клапанов и толщину миокарда желудочков, обнаружить жидкость в перикарде.
Безопасность и отсутствие лучевой нагрузки делает возможным применение ультразвуковых аппаратов в гинекологии, акушерстве, перинатальной диагностике для изучения внутренних репродуктивных органов, состояния матки, мониторинга развития плода (рис.17 Приложение 2).
Не менее разнообразны варианты применения ультразвука в терапевтических целях: в физиотерапии, травматологии, спортивной медицине используют противовоспалительные свойства ультразвуковых волн, их способность улучшать микроциркуляцию, снимать боли и отёчность, стимулировать регенерацию хрящевой и костной ткани.
Ультразвук «нашёл» себя и во вспомогательной медицинской технике — УЗ-мойки (рис.18 Приложение 2) на сегодня — один из самых эффективных видов дезинфекционного оборудования. С их помощью можно быстро очистить от загрязнений любые приборы сложной конфигурации.
Заключение
Итак, в последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое направление химии - ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-технологические процессы. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики - молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазомерия, акустоэлектроника.
Исследуя ультразвуковые колебания, я пришел к следующим выводам:
Ультразвук (УЗ) - упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 - 20 кГц.
Малость длины волны определяет лучевой характер распространения ультразвуковых волн.
Специфической особенностью ультразвука является кавитация
Излучатели ультразвука делятся на излучатели-генераторы и электроакустические преобразователи
Широкое применение ультразвука в.следующих отраслях: Ультразвуковая очистка, механическая обработка сверхтвердых и хрупких материалов, ультразвуковая сварка, ультразвуковая пайка и лужение , ускорение производственных процессов, ультразвуковая дефектоскопия, ультразвук в радиоэлектронике, ультразвук в медицине.
Таким образом, можно говорить о том, что цель исследования достигнута и гипотезы подтвердились
Список литературы
Акопян Б.В., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с билогическими объектами: Ультразвук в медицине, ветеринарии и экспериментальной биологии: Учеб. Пособие./Под ред. С.И.Щукина.– М.: Изд-во МГТУ им Н.Э.Баумана, 2005.– 224 с.
Кривенков С.В., Зайцев Ю.В., Протасов В.Н., Кузьменков П.Г. Выявление скрытых дефектов деталей методом ультразвуковой дефектоскопии, 1999
Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Комаров К.Л. «Скорость звука и структура сталей и сплавов», Новосибирск «Наука», 1996
Неразрушающий контроль, т. 3, Ермолов И.Н., Ланге Ю.В. – Ультразвуковой контроль, М. «Машиностроение», 2004
Розенберг, Л.Д. Источники мощного ультразвука / Л.Д. Розенберг. - М.: [не указано], 2015. - 712 c.
Ультразвук[Электронный ресурс] URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/142769/
Ультразвуковая диагностика: курс лекций./ А. И. Кушнеров, О. М. Жерко, Е.М. Манак, А. Н. Чуканов – Минск: БелМАПО, 2008.– 367 с.
Шутилов, В.А. Основы физики ультразвука / В.А. Шутилов. - М.: Книга по Требованию, 2012. - 280 c.
Эльпинер, И. Е. Биофизика ультразвука / И.Е. Эльпинер. - М.: Главная редакция физико-математической литературы издательства "Наука", 2016. - 384 c.
Приложение 1
Приложение 2
Рис. 14 Ультразвуковая хирургия
Рис.15 Ультразвук в стоматологии
Рис.16 Ультразвук в кардиологии
Рис.17 Ультразвук в акушерстве и гинекологии
Рис. 18 Медицинская ультразвуковая ванна