Якщо в суцільному середовищі - газах, рідинах або твердих тілах частинки середовища виявляться виведеними з положення рівноваги, то пружні сили, що діють на них з боку інших частинок, повертатимуть їх у положення рівноваги. При цьому частки здійснюватиме коливальний рух. Поширення пружних коливань у суцільному середовищі є хвилеподібним процесом.
Коливання із частотою від одиниць Герц (Гц) до 20 Герц називаються інфразвуковими, При частоті від 20 Гц до 16 ... 20 кГц коливання створюють чутні звуки. Ультразвукові коливаннявідповідають частотам від 16 ... 20 кГц до 10 8 Гц, а коливання з частотою більше 10 8 Гц отримали назву гіперзвуків. На малюнку 1.1 показано логарифмічна шкала частот, виконана на основі виразу lg 2 f = 1, 2, 3 …, n,де 1, 2, 3 …, n- Номери октав.

Рисунок 1.1 - Діапазони пружних коливань у матеріальних середовищах

Фізична природа пружних коливань однакова у всьому діапазоні частот. Для розуміння природи пружних коливань розглянемо їх властивості.
Форма хвилі - це форма хвильового фронту, тобто. сукупності точок, що мають однакову фазу. Коливання площини створюють плоску звукову хвилю, якщо випромінювачем служить циліндр, що періодично стискається і розширюється у напрямку свого радіусу, виникає циліндрична хвиля. Точковий випромінювач, або пульсуючий кулька, розміри якої малі в порівнянні з довжиною хвилі, що випромінюється, віддає сферичну хвилю.

Звукові хвилі поділяються по типу хвиль : вони можуть бути поздовжніми, поперечними, згинальними, крутильними – залежно від умов збудження та розповсюдження. У рідинах і газах поширюються лише поздовжні хвилі, у твердих тілах можуть виникати також поперечні та інші перераховані типи хвиль. У поздовжній хвилі напрям коливань частинок збігається з напрямом поширення хвилі (Малюнок 1.2, а), поперечна хвиля поширюється перпендикулярно напрямку коливань частинок (Малюнок 1.2, б) .

а) рух частинок середовища під час поширення поздовжньої хвилі; б) рух частинок середовища під час поширення поперечної хвилі.

Рисунок 1.2 – Рух часток під час поширення хвилі

Будь-яка хвиля, як коливання, що розповсюджується в часі та в просторі, може бути охарактеризовано частотою , довжиною хвилі і амплітудою (Малюнок 3). При цьому довжина хвилі пов'язана з частотою fчерез швидкість поширення хвилі в даному матеріалі з: λ = c/f.

Рисунок 1.3 - Характеристики коливального процесу

1.6 Практичне застосування низькоенергетичних ультразвукових коливань

Область застосування УЗ коливань низької інтенсивності (умовно до 1 Вт/см 2) дуже широка і ми почергово розглянемо кілька основних застосувань УЗ коливань малої інтенсивності.
1. УЗ прилади для контролю хімічних характеристикрізних матеріалів та середовищ. Всі вони засновані на зміні швидкості УЗ коливань у середовищі та дозволяють:
- Визначати концентрацію бінарних сумішей;
- Щільність розчинів;
- ступінь полімеризації полімерів;
- наявність у розчинах домішок, газових бульбашок;
- Визначати швидкості протікання хімічних реакцій;
- жирність молока, вершків, сметани;
- дисперсність у гетерогенних системах та ін.
Роздільна здатність сучасних УЗ приладів 0,05%, точність вимірювань швидкості поширення на зразках довжиною 1 м становить 0,5 -1 м/с (швидкість у металі понад 5000 м/с). Майже всі виміри проводяться шляхом порівняння з стандартом.
2. Прилади для контролю фізико-хімічних характеристик, засновані на вимірі згасання ультразвуку Такі прилади дозволяють здійснювати вимірювання в'язкості, вимір щільності, склад, вміст домішок, газів тощо. Методики, що використовуються, також засновані на методах порівняння з еталоном.
3. УЗ витратоміри рідин у трубопроводах. Їхня дія також заснована на вимірі швидкості поширення УЗ коливань уздовж потоку рідини та проти потоку. Порівняння двох швидкостей дозволяє визначити швидкість потоку, а за відомого перерізу трубопроводу витрата. Приклад одного з витратомірів (№15183 у Держреєстрі засобів вимірювань) представлений на малюнку 1.4.

Малюнок 1.4 – Стаціонарний ультразвуковий витратомір "АКРОН"

Такий витратомір забезпечує вимірювання об'ємної витрати та сумарного об'єму (кількості) рідин, що протікають у напірних трубопроводах систем водопостачання, каналізації та нафтопродуктопостачання без врізання в діючий трубопровід. Принцип дії витратоміра полягає у вимірі різниці часу проходження ультразвукової хвилі по потоку та проти потоку контрольованої рідини, перерахунку її в миттєве значення витрати з подальшим інтегруванням.
Похибка приладу становить 2 % верхньої межі вимірювання. Верхню та нижню межі вимірювання встановлює оператор. Витратомір включає блок датчиків (складається з двох ультразвукових датчиків і пристрої для їх кріплення на трубі) і електронний блок, з'єднані радіочастотним кабелем довжиною до 50 м (стандартно - 10м.). Датчики встановлюються на прямолінійній ділянці трубопроводу на зовнішній поверхні, очищеній від бруду, фарби та іржі. Умова правильної установки датчиків - наявність прямої ділянки труби не менше 10 діаметрів труби - перед, та 5 діаметрів - після датчиків.
4. Сигналізатори рівнів
Принцип дії заснований на локації рівня рідких або сипких матеріалів ультразвуковими імпульсами, що проходять через газове середовище, і явище відображення цих імпульсів від межі розділу «газ - контрольоване середовище». Мірою рівня при цьому є час поширення звукових коливань від випромінювача до контрольованої межі розділу середовищ і до приймача. Результат виміру виводиться на персональний комп'ютер, де всі виміри запам'ятовуються, з подальшою можливістю їх перегляду та аналізу, а також підключення до системи автоматизованого збору та обробки даних. Рівномір у складі системи може включати кінцеві автомати, насоси та ін пристрої при рівні вище максимального і нижче мінімального значення, що дозволяє автоматизувати технологічний процес. Додатково формується струмовий вихід (0,5 мА, 0-20 мА) для самописних приладів.
Сигналізатор рівня дозволяє контролювати температуру середовища у резервуарах. Основним форматом даних, що виводяться, є відстань від вершини резервуара до поверхні, що міститься в ньому речовини. За бажанням замовника, при наданні необхідної інформації можливе доопрацювання пристрою для виведення висоти, маси або обсягу речовини в резервуарі.
5. УЗ аналізатори складу газівзасновані на використанні залежності швидкості УЗ суміші газів від швидкостей у кожному із складових цю суміш газів.
6. Охоронні УЗ пристроїзасновані на вимірі різних параметрів УЗ полів (амплітуди коливань при перекритті простору між випромінювачем і приймачем, зміні частоти при відображенні від об'єкта, що рухається і т.п.).
7. Вимірювачі температури газів та пожежні сигналізатори, що базуються на зміні швидкості розповсюдження при зміні температури середовища або появи диму.
8. Прилади ультразвукового контролю, що не руйнує.Неруйнівний контроль є одним із основних технологічних прийомів забезпечення якості матеріалів та виробів. Не виріб не повинен експлуатуватися без перевірки. Можна перевірку здійснити шляхом випробувань, але можна випробувати 1- 10 виробів, але не можна перевірити 100% всіх виробів, т.к. перевірити – це означає зіпсувати всі вироби. Тому перевіряти необхідно, не руйнуючи.
Одні з найдешевших, простих і чутливих є УЗ метод неруйнівного контролю. Головними перевагами порівняно з іншими методами випробувань, що не руйнують, є:

- Виявлення дефектів, що знаходяться глибоко всередині матеріалу, що стало можливим завдяки покращеній проникаючої здатності. Ультразвукове обстеження проводиться до кількох метрів. Контролюють різні вироби, наприклад: довгі сталеві стрижні, роторні штампування і т.д.;
- Висока чутливість при виявленні надзвичайно малих дефектів завдовжки кілька міліметрів;
- точне визначення розташування внутрішніх дефектів, оцінка їх розміру, характеристика напряму, форми та природи;
- Достатність доступу тільки до однієї зі сторін виробу;
- Контроль процесу електронними засобами, що забезпечує майже миттєве виявлення дефектів;
- Об'ємне сканування, що дозволяє обстежити обсяг матеріалу;
- відсутність вимог щодо запобіжних заходів, пов'язаних зі здоров'ям;
- Портативність обладнання.

1.7 Практичне застосування високоінтенсивних ультразвукових коливань

На сьогоднішній день основні процеси, що реалізуються та інтенсифікуються за допомогою високоенергетичних ультразвукових коливань, прийнято розділяти на три основні підгрупи, залежно від виду середовища, в якому вони реалізуються (рис. 1.5).

Рисунок 1.5 – Застосування високоенергетичних ультразвукових коливань

Залежно від виду середовища процеси умовно поділяються на процеси у рідких, твердих та термопластичних матеріалах та газоподібних (повітряних) середовищах. У наступних розділах будуть детальніше розглянуті процеси та апарати для інтенсифікації процесів у рідких, твердих та термопластичних матеріалах, газоподібних середовищах.
Далі розглянемо приклади основних технологій, що реалізуються з використанням високоенергетичних ультразвукових коливань.
1. Розмірна обробка.

Ультразвукові коливання застосовуються для обробки крихких та особливо твердих матеріалів та металів.
Основні технологічні процеси, що інтенсифікуються ультразвуковими коливаннями це свердління, зенкування, нарізання різьблення, волочіння дроту, полірування, шліфування, свердління отворів складної форми. Інтенсифікація цих технологічних процесів відбувається завдяки накладенню інструмент ультразвукових коливань.
2. УЗ очищення.
Сьогодні є безліч способів очищення поверхонь від різних забруднень. УЗ очищення швидше, забезпечує високу якість і відмиває важкодоступні ділянки. При цьому забезпечується заміна високотоксичних, вогненебезпечних та дорогих розчинників звичайною водою.
За допомогою високочастотних ультразвукових коливань проводиться очищення автомобільних карбюраторів та інжекторів за кілька хвилин.
Причина прискорення очищення в кавітації, особливим явищем при якому рідини утворюються дрібні газові бульбашки. Ці бульбашки лопаються (вибухають) і створюють потужні гідропотоки, які вимивають весь бруд. На цьому принципі існують сьогодні пральні машини та малі установки миття. Особливості реалізації кавітаційного процесу та його потенційні можливості будуть розглянуті окремо. УЗ очищає метали від полірувальних паст, прокат від окалини, дорогоцінне каміння від полірувальних місць. Очищення друкованих форм, прання тканин, миття ампул. Очищення трубопроводів складної форми. Крім очищення, ультразвук здатний проводити видалення дрібних задирок, полірування.
Ультразвуковий вплив у рідких середовищах знищує мікроорганізми і тому широко використовується в медицині та мікробіології.
Можлива й інша реалізація УЗ очищення.
- Очищення диму від твердих частинок у повітрі. Для цього також використовується ультразвукова дія на тумани та дим. Частинки в УЗ полі починають активно рухатися, стикаються і злипаються, осаджуються на стінки. Це називається ультразвуковою коагуляцією і використовується для боротьби з туманом на аеродромах, на дорогах та в морських портах.
3. УЗ зварювання.
В даний час за допомогою ультразвукових коливань високої інтенсивності проводиться зварювання полімерних термопластичних матеріалів. Зварювання поліетиленових тюбиків, коробок, банок забезпечує відмінну герметичність. На відміну від інших способів за допомогою ультразвуку можна варити забруднені пластмаси, трубки з рідиною і т.д. При цьому вміст стерилізується.
За допомогою ультразвукового зварювання проводиться зварювання найтоншої фольги або дроту до металевої деталі. Причому УЗ зварювання є холодним зварюванням, оскільки шов формується при температурі нижче температури плавлення. Таким чином, з'єднуються зварюванням алюміній, тантал, цирконій, ніобій, молібден тощо.
В даний час ультразвукове зварювання знайшло найбільше застосування для високошвидкісних процесів упаковки та виробництва полімерних пакувальних матеріалів.
4. Паяння та лудіння
За допомогою високочастотних ультразвукових коливань проводиться паяння алюмінію. За допомогою УЗ можна лудити, а потім паяти кераміку, скло, що раніше було неможливо. Феріти, припаювання напівпровідникових кристалів до позолочених корпусів реалізуються сьогодні із застосуванням ультразвукової технології.
5. Ультразвук у сучасній хімії
В даний час, як випливає з літературних джерел, сформовано новий напрямок у хімії - УЗ хімія. Вивчаючи хімічні перетворення, що відбуваються під дією УЗ, вчені встановили, що УЗ не тільки прискорює окислення, але в деяких випадках забезпечують дію, що відновлює. Таким чином, відновлюється залізо з оксидів та солей.
Отримано хороші позитивні результати щодо інтенсифікації УЗ наступних хіміко-технологічних процесів:
- електроосадження, полімеризація, деполімеризація, окислення, відновлення, диспергування, емульгування, коагуляція аерозолів, гомогенізація, просочення, розчинення, розпилення, сушіння, горіння, дублення та ін.
Електроосадження - метал, що осаджується, набуває дрібнокристалічної структури, зменшується пористість. Таким чином, здійснюємо міднення, лудіння, сріблення. Процес йде швидше і якість покриття вища, ніж у звичайних технологіях.
Отримання емульсій: вода та жир, вода та ефірні олії, вода та ртуть. Бар'єр незмішуваності долається завдяки УЗ.
Полімеризація (з'єднання молекул в одну) – ступінь полімеризації регулюється частотою УЗ.
Диспергування - одержання надтонких пігментів для отримання барвників.
Сушіння - без нагрівання біологічно активні речовини. У харчовій, фармакологічній промисловості.
Розпилення рідин та розплавів. Інтенсифікація процесів у розпилювальних сушках. Одержання металевого порошку із розплавів. Ці розпилювальні пристрої виключають деталі, що обертають і труться.
УЗ посилює ефективність горіння в 20 разів рідких та твердих палив.
Просочення. У сотні разів швидше проходить рідина через капіляри матеріалу, що просочується. Використовується при виробництві руберойду, шпал, цементних плит, текстоліту, гетинаксу, просоченні деревини модифікованими смолами.
6. УЗ у металургії.
- Відомо, що метали під час плавлення поглинають гази алюмінію та його сплави. 80% всіх газів у розплавленому металі посідає частку Н2. Це погіршення якості металу. Гази вдається видаляти за допомогою УЗ, що дозволило в нашій країні створити спеціальний технологічний цикл і використовувати його при виробництві металів.
- УЗ сприяє загартування металів
- У порошковій металургії УЗ сприяє злипання частинок матеріалу, що виготовляється. При цьому відпадає необхідність ущільнення великим тиском.
7. УЗ у гірничій справі.
Застосування ультразвуку дозволяє реалізувати такі технології:
- видалення парафіну зі стінок нафтових свердловин;
- виключення вибухів метану в шахтах за рахунок його розпилення;
- УЗ збагачення руд (флотаційний метод із застосуванням УЗ).
8. УЗ сільському господарстві.
Ультразвукові коливання сприятливо впливають на насіння та зерна перед їх посадкою. Так, обробка насіння томатів перед посадкою забезпечує збільшення чисельності плодів, скорочує час дозрівання та збільшення кількості вітамінів.
Обробка УЗ насіння дині та кукурудзи призводить до підвищення врожайності на 40%.
При обробці УЗ насіння можна забезпечити дезінфекцію і ввести необхідні мікроелементи з рідини
9. Харчова промисловість.
Насправді вже сьогодні реалізуються такі технологии:
- обробка молока для гомогенізації стерилізації;
- Обробка для збільшення термінів зберігання та якості молока в замороженому вигляді
- отримання високоякісного порошкового молока;
- отримання емульсій для хлібопечення;
- обробка дріжджів на 15 % підвищує їхню бродильну силу;
- отримання ароматичних речовин, пюре, вилучення жиру з печінки;
- виділення винного каменю;
- екстрагування рослинної та тваринної сировини;
- Виробництво парфумів (6...8 годин замість року).
10. УЗ у біології.
- великі дози ультразвуку вбивають мікроорганізми (стафілококи, стрептококи, віруси);
- малі інтенсивності ультразвукового впливу сприяють зростанню колоній мікроорганізмів;
11. Вплив на людину.
Ультразвукова дія з інтенсивністю до 0,1…0,4 Вт/см носить лікувальну дію. В Америці лікувальним вважається дія з інтенсивністю до 0,8 Вт/см
12. У медицині.
Ультразвукові скальпелі, пристрої для зовнішньої та внутрішньої ліпосакції, лапороскопічні інструменти, інгалятори, масажери знаходять найширше застосування та дозволяють лікувати різні хвороби.
Викладений далі курс лекцій призначений для попереднього ознайомлення студентів, аспірантів, інженерів та технологів різних виробництв з основами ультразвукових технологій та покликаний дати основні знання з теорії формування ультразвукових коливань та практики застосування УЗ коливань високої інтенсивності.

Останнім часом широкого поширення у різних галузях науки, техніки та медицини набуло використання ультразвуку.

Що це таке? Де застосовуються ультразвукові коливання? Яку користь вони здатні принести людині?

Ультразвуком називають хвилеподібні коливальні рухи з частотою понад 15-20 кілогерц, що виникають під впливом навколишнього середовища та нечутні для людського вуха. Ультразвукові хвилі легко фокусуються, що збільшує інтенсивність коливань.

Джерела ультразвуку

У природі ультразвук супроводжує різні природні шуми: дощ, грозу, вітер, водоспад, морський прибій. Його здатні видавати деякі тварини (дельфіни, кажани), що допомагає їм виявляти перешкоди та орієнтуватися у просторі.

Усі існуючі штучні джерела ультразвуку поділяють на 2 групи:

• генератори - коливання виникають у результаті подолання перешкод у вигляді газу або рідинного струменя.
• електроакустичні перетворювачі- трансформують електричну напругу в механічні коливання, що призводить до випромінювання акустичних хвиль у навколишнє середовище.

Приймачі ультразвуку

Низькі та середні частоти ультразвукових коливань переважно сприймаються електроакустичними перетворювачами п'єзоелектричного типу. Залежно від умов використання розрізняють резонансні та широкосмугові пристрої.

Щоб одержати характеристики звукового поля, що усереднені за часом, застосовують термічні приймачі, представлені термопарами або термісторами, які покривають речовиною, що має звукопоглинаючі властивості.

Оптичні методи, до яких входить дифракція світла, здатні оцінити інтенсивність ультразвуку та звуковий тиск.

Де застосовуються ультразвукові хвилі?

Ультразвукові хвилі знайшли застосування у різноманітних областях.

Умовно сфери використання ультразвуку можна розділити на 3 групи:

• отримання інформації;
• активний вплив;
• обробка та передача сигналів.

У кожному випадку використовується певний діапазон частот.

Очищення ультразвуком

Ультразвуковий вплив забезпечує якісне очищення деталей. При простому полосканні деталей на них залишається до 80% бруду, при вібраційному чищенні - близько 55%, при ручному - близько 20%, а при ультразвуковому - менше 0,5%.

Деталі, що мають складну форму, можна позбавити від забруднень тільки за допомогою ультразвуку.

Використовуються ультразвукові хвилі та при очищенні повітря та газів. Ультразвуковий випромінювач, поміщений в пилоосадову камеру, збільшує результативність її дії в сотні разів.

Механічна обробка крихких та надтвердих матеріалів

Завдяки ультразвуку стала можливою надточна обробка матеріалів. З його допомогою роблять вирізи різної форми, матриці, шліфують, гравіюють і навіть свердлять алмази.

Застосування ультразвуку в радіоелектроніці

У радіоелектроніці нерідко виникає необхідність затримати електричний сигнал стосовно якогось іншого сигналу. Для цього стали користуватися ультразвуковими лініями затримки, дія яких заснована на перетворенні електричних імпульсів на ультразвукові хвилі. Також вони здатні перетворювати механічні коливання на електричні. Відповідно до цього лінії затримки можуть бути магнітострикційними та п'єзоелектричними.

Використання ультразвуку в медицині

Застосування ультразвукових коливань у медичній практиці засноване на ефектах, що виникають у біологічних тканинах під час проходження крізь них ультразвуку. Коливальні рухи мають на тканині масажуючу дію, а при поглинанні ультразвуку вони локально нагріваються. У той самий час у організмі спостерігаються різні фізико-хімічні процеси, які викликають незворотних змін. В результаті прискорюються обмінні процеси, що сприятливо позначається на функціонуванні всього організму.

Застосування ультразвуку у хірургії

Інтенсивна дія ультразвуку викликає сильне нагрівання та кавітацію, що знайшло застосування у хірургії. Використання фокусного ультразвуку під час проведення операцій дає можливість здійснювати локальну руйнівну дію в глибинних ділянках організму, зокрема у сфері мозку, не завдаючи шкоди прилеглим тканинам.

Хірурги у роботі використовують інструменти з робочим кінцем як голки, скальпеля чи пили. При цьому хірургу не потрібно докладати зусиль, що зменшує травматичність процедури. У той же час ультразвук має аналгетичну та кровоспинну дію.

Вплив ультразвуком призначається при виявленні в організмі злоякісного новоутворення, що сприяє його руйнуванню.

Ультразвукові хвилі має і антибактеріальну дію. Тому вони застосовуються для стерилізації інструментів та лікарських засобів.

Дослідження внутрішніх органів

За допомогою ультразвуку здійснюють діагностичне обстеження органів, розташованих у черевній порожнині. Для цього застосовують спеціальний апарат.

Під час ультразвукового дослідження вдається виявити різні патології та аномальні структури, відрізнити доброякісне новоутворення від злоякісного, виявити інфекцію.

Ультразвукові коливання застосовують при діагностиці печінки. Вони дозволяють визначити хвороби жовчних потоків, досліджувати жовчний міхур на присутність у ньому каменів та патологічних змін, виявити цироз та доброякісні хвороби печінки.

Широке застосування знайшло ультразвукове дослідження в галузі гінекології, особливо при діагностиці матки та яєчників. Воно допомагає виявити гінекологічні захворювання та диференціювати злоякісні та доброякісні пухлини.

Використовуються ультразвукові хвилі та для дослідження інших внутрішніх органів.

Застосування ультразвуку у стоматології

У стоматології за допомогою ультразвуку видаляють зубний наліт та камінь. Завдяки йому нашарування знімаються швидко та безболісно, ​​без травмування слизової оболонки. У той же час відбувається знезараження ротової порожнини.

УЛЬТРАЗВУКОВЕ ВИМИКАННЯ

Механічні хвилі, у яких частота коливань перевищує 20 000 Гц, називається ультразвуковим випромінюванням. За останні роки це випромінювання поширилося в медицині для діагностики патологічних станів і для лікування захворювань. Використання ультразвукових хвиль засноване на його фізичних властивостях та механізмах взаємодії з речовиною. Розглянемо способи отримання ультразвукових випромінювань, їх фізичні властивості, механізми взаємодії з живим організмом та біофізичні принципи, що визначають його практичне використання у медицині.

ДЖЕРЕЛА УЛЬТРАЗВУКОВИХ КОЛИВАНЬ

Отримання ультразвуку засноване на двох фізичних явищах п'єзоефект і магнітострикції. Розрізняють прямий та зворотний п'єзоелектричний ефект. Прямий п'єзоефект заключа в тому, що при механічних впливах на деякі кристалічні тіла виникаютьелектричних полів. Так наприклад, якщодо кварцової пластини прикладена механічна сила F на її поверхнях.виникають електричні заряди та, отже, електричне поле. Уданому випадку кристал служить перетворювачеммеханічного впливу Електричний сигнал.Якщо до такого кристала підвести змінну електричну напругу U=U m sin w t, спостерігатиметься зворотний п'єзоелектричний ефект - зміна товщини пластини h у часі за законом зміни прикладеної напруги h = hпро + D h sin w t. При періодичній зміні положення поверхні кристала виникають коливання молекул середовища, які поширюються у середовищі як механічної хвилі. Якщо частота змінної напруги буде досить великою (f > 20000 Гц), у середовищі виникають ультразвуковіхвилі

Як відомо, інтенсивність механічних хвиль визначається частотою, амплітудою коливання молекул та механічним імпедансом середовища I = (Z w 2 Х 2 )/2. Тому отримання потужних ультразвукових випромінювань вимагає досить великих зсувів поверхні п'єзокристалу та молекул середовища. За допомогою зворотного п'єзоефекту не вдається отримати високоінтенсивне випромінювання, оскільки п'єзокристали мають високу крихкість і малу міцність. Зі збільшенням амплітуди прикладеної напруги зміна товщини кристала h досягає такої виразності, що він руйнується. Більш потужний ультразвук одержують у результаті використання магнітострикції. Цей феномен ґрунтується на здатності феромагнітних тіл змінювати свої геометричні розміри у магнітних полях. Якщо стрижень з такого феромагнітного матеріалу помістити в соленоїд і прикласти до нього

мотке змінне електричне поле, в соленоїді буде протікають змінний електричний струм. Цей струм створює змінне магнітне поле з індукцією, яке викликає відповідну зміну довжини стрижня.

За допомогою явища магнітострикції можна отримувати значно більш інтенсивне ультразвукове випромінювання порівняно з п'єзоефектом, оскільки феромагнітний стрижень має значно більшу міцність.Як зазначалося, ультразвук має досить високу частоту і, отже, малу довжину хвилі. Так наприклад,для найбільш поширених у фізіотерапії ультразвуковихгенератори УЗТ-101 частота дорівнює 880 кГц, тобто. 880 000 Гц. Тому довжина ультразвуковоїхвилі при поширенні в повітрі становить:

l = З: f = 330: 880000 = 0,000375 м = 0,375 мм.

Тут С – швидкість поширення механічних хвиль у повітрі, f – частота ультразвуку. Така мала довжина хвилі визначає особливості її поширення серед. З фізики відомо, що дифракції залежить від довжини хвилі: що більше довжина, то сильніше дифрагують хвилі. Отже, ультразвук повинен слабо дифрагувати при поширенні в однорідних середовищах і його можна збирати у вигляді досить вузьких спрямованих ультразвукових пучків.

Концентрація ультразвуку здійснюється в результаті використання спеціальних пристроїв - ультразвукових концентраторів, принцип роботи яких заснований на повному внутрішньому відображенні.Ультразвукове випромінювання, що генерується за допомогою магнітострикції, надходить у концентратор, виготовлений з матеріалу з високою міцністю та щільністю (найчастіше використовуються метали). При поширенні випромінювання воно досягає межі розділу і повністю відбивається, оскільки механічний імпеданс матеріалу концентратора значно більший за імпеданс середовища. Інтенсивність ультразвуку, що надходить через поверхню S 1 в одиницю часу можна виразити у вигляді: I 1 = E/(S 1 t), де t тривалість випромінювання, а Е = I 1 S 1 t – енергія, яку генерує випромінювач. Якщо знехтувати втратами енергії в концентраторі, то через поверхню S 2 в одиницю часу у середу надходить така сама енергія: Е = I 2 S 2 t = I 1 S 1 t

Звідки слідує висновок: I 2 = I1S1/S2. Оскільки S 1 >> S 2 , у концентраторі відбувається як формування вузького пучка, а й збільшення інтенсивності випромінювання.

МЕХАНІЗМИ ВЗАЄМОДІЇ УЛЬТРАЗВУКУ З РЕЧОВИНОЮ

Найбільший практичний інтерес викликають такі механізми взаємодії ультразвуку та фізичні ефекти у речовині: виділення тепла, радіаційний тиск, утворення конвекційних потоків та кавітація.

При проходженні ультразвуку у будь-якому середовищі механічна хвиля долає опір в'язких сил. Тому частина механічної енергії втрачається в речовині та виділяється у вигляді тепла. Як випливає з теорії хвильових процесів, у міру поширення ультразвукової хвилі її інтенсивність зменшується згідно із законом I = Iпро e -b X , де b - Коефіцієнт поглинання, що залежить від в'язкості, щільності середовища та частоти хвилі. Оскільки частота ультразвуку досить велика, поглинання енергії та виділення тепла досить значно, особливо у матеріалах із високою щільністю (у кістковій тканині). При дії дуже інтенсивних ультразвукових випромінювань теплове нагрівання настільки виражене, що відбувається руйнування біологічних тканин. На цьому засновано хірургічне використання ультразвукових хвиль і ультразвукові випромінювачі застосовуються як своєрідні скальпелі. З допомогою ультразвуку можна руйнувати як м'які тканини, а й кістки.

Як зазначалося, механічна хвиля чинить тиск P = Z w X m на перешкоду, яка трапляється на її шляху. Не є винятком і ультразвукові хвилі. Оскільки ультразвук має досить високу частоту w , Величина радіаційного тиску досить значна.

При поширенні ультразвукових хвиль у неоднорідних рідких гетерогенних середовищах виникають області з неоднаковим тиском, між якими відбувається переміщення рідини. Утворюються при цьому потоки звуться конвекційних. Вони сприяють перемішування середовища та збільшенню швидкостей хімічних реакцій.

У рідких середовищах при впливі високоінтенсивного ультразвуку спостерігається явище, яке отримало назву кавітації (від латинського слова cavum - порожнина). У цьому випадку утворюються порожнини, заповнені насиченою парою рідини.

Утворення порожнин пояснюється наступним механізмом. В обсязі рідини, через який проходить ультразвукова хвиля, тиск змінюється з часом за синусоїдальним законом. В один із напівперіодів тиск позитивний і механічні сили, що при цьому виникають, прагнуть зблизити молекули рідкого середовища. У наступний напівперіод, коли тиск стає негативним, механічні сили прагнуть збільшити відстань між молекулами. Якщо ці сили перевершують сили міжмолекулярного тяжіння, виникає розрив рідини і формується газова порожнина. При кавітації в рідких середовищах виникає дуже велика механічна напруга, здатна руйнувати будь-які матеріальні тіла. На цьому ефекті ґрунтується стерилізація рідких середовищ у результаті кавітаційного руйнування мікроорганізмів.

ЗАСТОСУВАННЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ У МЕДИЦІНІ

У медичній практиці ультразвук використовується для діагностики патологічних станів, терапевтичного та хірургічного лікування. Лікувальна дія ультразвуку заснована на термічному ефекті, формуванні конвекційних потоків та здатності створювати радіаційний тиск. При відносно низьких інтенсивностях ультразвукової хвилі в м'яких тканинах організму, що містять достатню кількість розчинів, виникають конвекційні потоки, які перемішують молекули хімічних сполук та прискорюють хімічні реакції і, отже, біологічні процеси. Цьому явищу сприяє і ультразвукове нагрівання тканини.

На підставі радіаційного тиску ультразвуку в рідких середовищах розроблено метод лікування – фонофорез. Ця лікувальна процедура полягає в тому, що за допомогою радіаційного тиску в організм без ушкодження поверхні вводять лікарські речовини. Для проведення фонофорезу На поверхність організму наносять шар розчину 2, містить молекули 3лікарського речовини та встановлюютьультразвуковий випромінювач 1. При подачізмінної електричної напруги U виникаєультразвукове випромінювання, яке створює у розчині радіаційний тиск. Тому на молекули діють сили F, які змушують їх переміщатись у тканину.Швидкість введення лікарської речовини залежить від інтенсивності ультразвуку (величини тиску та сили F), а також від опору тканинируху молекул.З допомогою фонофорезу вдається вводити лікарські речовини в поверхнево розташовані патологічні вогнища.Найбільш перспективне застосування фонофорезу в стоматології, оскільки слизова оболонка порожнини рота надаєменший опір переміщенню молекул, ніж шкіра.

Особливо широке застосування ультразвук знайшов діагностики патологічних станів. Цей метод ґрунтується на фізичних механізмах взаємодії ультразвукового випромінювання з тканинами організму.

ФІЗИЧНІ ПРИНЦИПИ ВІДЛУННЯ-ЛОКАЦІЇ

Ехо-локація – ультразвуковий метод діагностики патологічних станів, заснований на відображенні ультразвукової хвилі від тканин та органів людини. На малюнку 63 зображено схему, що ілюструє використання цього методу. На поверхню тіла встановлюється п'зокерамічний елемент ПК, здатний на основі зворотного п'єзоефекту генерувати ультразвукові коливання та перетворювати ультразвукові хвилі за допомогою прямого п'єзоефекту. П'єзокристал може підключатися до генератора Г 1 високочастотної електричної напруги або до електронного підсилювача за допомогою перемикача П. Коли випромінюється ультразвук від генератора Г 1 протягом часу t 1 подається імпульс високочастотної напруги та через поверхню організму надходить імпульс ультразвукового випромінювання з інтенсивністю Io. Протягом часу t 2 п'єзокристал підключений до електронного підсилювача. Ультразвуковий імпульс, поширюючись в організмі, досягає межі розділу між середовищами, що мають різні механічні імпеданси. 1 та Z 2 . Чим сильніше відрізняються ці імпеданси, тим більше відбивається енергії I 1 . Відбитий імпульс досягає п'єзокристалу, перетворюється на змінну електричну напругу і після посилення надходить на вертикальні пластини електронно-променевої трубки (ЕЛТ). На горизонтальні пластини подається від генератора Г 2 пилкоподібна напруга U 2 , Забезпечує рівномірний рух електронного променя по горизонталі. Початок руху променя збігається з моментом випромінювання ультразвукового імпульсу. Коли відбитий імпульс досягає ПК на ЕПТ виникає імпульс через час t 1 . Отже, за час t 1 ультразвуковий імпульс досягає межі розділу з органом і повертається назад, проходячи шлях, що дорівнює 2l 1 , де l 1 - Відстань від поверхні тіла до органу. Знаючи час t 1 , можна визначити цю відстань до органу: l 1 = C t 1 / 2 де С - швидкість поширення ультразвуку в організмі. При досягненні ультразвуку другої межі розділу відбувається відображення у напрямку ПК ЕПТ та через час t 2 з'являється другий електричний імпульс. За цей час ультразвукова хвиля пройшла відстань 2l 2 . Тоді відстань до другого кордону розділу:

У ході вдосконалення методу ультразвукової ехолокації були розроблені більш досконалі діагностичні апарати, що дозволяють не тільки реєструвати відбиті електричні імпульси, але й отримувати зображення внутрішніх органів та тканин. Необхідно підкреслити, що ультразвукова діагностика значно безпечніша за рентгенодіагностику. І тому вона набула досить широкого поширення особливо в акушерстві для дослідження морфологічних особливостей плода.

Коливання та хвилі. Коливаннями називають багаторазове повторення однакових чи близьких до однакових процесів. Процес поширення коливань у середовищі називають хвильовим. Лінію, що вказує напрямок поширення хвилі, називають променем, а кордон, визначальну коливаються частинки від частинок середовища, що ще не почали вагатися, - фронтом хвилі.

Час, протягом якого відбувається повний цикл коливань, називається періодом Т і вимірюється в секундах. Величину ƒ = 1 / Т, що показує, скільки разів на секунду повторюється коливання, називають частотою і вимірюють c -1 .

Величина ω, що показує число повних оборотів точки по колу за 2Т, називається круговою частотою ω = 2 π / Т = 2 π ƒ і вимірюється в радіанах за секунду (рад/с).

Фаза хвилі - це параметр, що показує, яка частина періоду пройшла з моменту початку останнього циклу коливань.

Довжина хвилі λ - мінімальна відстань між двома точками, що коливаються в однаковій фазі. Довжина хвилі пов'язана з частотою ƒ і швидкістю із співвідношенням: λ = с / ƒ. Плоска хвиля, що розповсюджується вздовж горизонтальної осі Х, описується формулою:

u = U cос (ω t - kх) ,

де k = 2 π /λ. - хвильове число; U – амплітуда коливань.

З формули видно, що величина u періодично змінюється у часі та просторі.

В якості величини, що змінюється при коливаннях, використовуються зсув частинок з положення рівноваги u і акустичне тиск р.

В ультразвуковій (УЗ) дефектоскопії зазвичай використовують коливання з частотою 0,5...15 МГц (довжина поздовжньої хвилі в стали 0,4...12 мм) і амплітудою зміщення 10 -11 ...10 -4 мм (що виникають у сталі на частоті 2 МГц акустичні напруги 10...10 8 Па).

Інтенсивність хвилі I дорівнює I = р 2 /(2ρс) ,

де ρ - щільність середовища, в якому поширюється хвиля.

Інтенсивність хвиль, що використовуються для контролю, дуже мала (~10 -5 Bт/м 2 ). При дефектоскопії реєструють не інтенсивність, а амплітуду хвиль А. Зазвичай вимірюють ослаблення амплітуди А щодо амплітуди збуджених У виробі коливань А про (зондуючого імпульсу), тобто відношення А / А о. І тому застосовують логарифмічні одиниці децибели (дБ), тобто. А"/Ао = 20 Ig А"/Ао.

Типи хвиль. Залежно від напрямку коливань частинок щодо променя розрізняють кілька типів хвиль.

Поздовжньою хвилею називається така хвиля, в якій коливальний рух окремих частинок відбувається в тому ж напрямку, в якому поширюється хвиля (рис. 1).

Поздовжня хвиля характеризується тим, що в середовищі чергуються області стиснення і розрідження, або підвищеного та зниженого тиску, або підвищеної та зниженої щільності. Тому їх також називають хвилями тиску, щільності або стиску. Поздовжні можуть поширюватися в твердих тілах, рідинах, газах.

Мал. 1. Коливання частинок середовища v у поздовжній хвилі.

Зсувний (поперечний)називають таку хвилю, в якій окремі частинки коливаються в напрямку, перпендикулярному до напряму поширення хвилі. У цьому відстань між окремими площинами коливань залишаються незмінними (рис. 2).

Мал. 2. Коливання частинок середовища v у поперечній хвилі.

Поздовжні і поперечні хвилі, що отримали узагальнену назву "об'ємні хвилі", можуть існувати в необмеженому середовищі. Ці найбільш широко застосовуються для ультразвукової дефектоскопії.

Швидкість поширення поздовжньої хвилі у необмеженому твердому тілі визначається виразом

де Е - модуль Юнга, що визначається як відношення між величиною сили, що розтягує, прикладеної до деякого стрижня і що виникає при цьому деформацією; v - коефіцієнт Пуассона, що є відношенням зміни ширини стрижня до зміни його довжини, якщо розтягнення стрижня проводиться по довжині; ρ - густина матеріалу.

Швидкість зсувної хвилі У необмеженому твердому тілі виражається так:

Оскільки в металах v ≈ 0,3, то між поздовжньою та поперечною хвилею існує співвідношення

c t ≈ 0,55 с l.

Поверхневими хвилями(Хвилями Релея) називають пружні хвилі, що розповсюджуються вздовж вільної (або слабонавантаженої) кордону твердого тіла і швидко загасають з глибиною. Поверхнева хвиля є комбінацією поздовжніх та поперечних хвиль. Частинки в поверхневій хвилі здійснюють коливальний рух еліптичною траєкторією (рис. 3). Велика вісь еліпса при цьому перпендикулярна до кордону.

Оскільки поздовжня складова, що входить у поверхневу хвилю, згасає з глибиною швидше, ніж поперечна, витягнутість еліпса з глибиною змінюється.

Поверхнева хвиля має швидкість s = (0,87 + 1,12v) / (1+v)

Для металів з s ≈ 0,93с t ≈ 0,51 c l .

Залежно від геометричної форми фронту розрізняють такі види хвиль:

• сферичну – звукову хвилю на невеликій відстані від точкового джерела звуку;
• циліндричну - звукову хвилю на невеликій відстані від джерела звуку, що представляє собою довгий циліндр маленького діаметра;
• плоску - її може випромінювати нескінченно вагання площину.

Тиск у сферичній або плоскій звуковій хвилі визначається співвідношенням:

де v – величина коливальної швидкості.

Розмір ρс = z називається акустичним опором чи акустичним імпедансом.

Мал. 3. Коливання частинок середовища v поверхневій хвилі.

Якщо акустичне опір має велику величину, то середовище називається жорстким, якщо імпеданс невеликий, - м'якою (повітря, вода).

Нормальними (хвилями у пластинах), називають пружні хвилі, що поширюються в твердій пластині (шарі) з вільними або слабонавантаженими межами.

Нормальні хвилі бувають двох поляризацій: вертикальної та горизонтальної. З двох типів хвиль найбільше застосування на практиці отримали хвилі Лемба - нормальні хвилі з вертикальною поляризацією. Вони виникають внаслідок резонансу при взаємодії падаючої хвилі з багаторазово відбитими хвилями всередині пластини.

Для з'ясування фізичної сутності хвиль у пластинах розглянемо питання утворення нормальних хвиль у рідкому шарі (рис. 4).

Мал. 4. До питання виникнення нормальної волі у шарі рідини.

Нехай на шар товщиною h падає ззовні плоска хвиля під кутом β. Лінія AD показує фронт падаючої хвилі. В результаті заломлення на кордоні, у шарі виникає хвиля з фронтом CB, що розповсюджується під кутом α і зазнає багаторазових відображень у шарі.

При певному вугіллі падіння β хвиля, відбита від нижньої поверхні, збігається по фазі з прямою хвилею, що йде від верхньої поверхні. Це і умова виникнення нормальних хвиль. Кут, при якому відбувається таке явище, може бути знайдений з формули

h cos α = n λ 2 / 2

Тут n – ціле число; λ 2 - довжина хвилі у шарі.

Для твердого шару суть явища (резонанс об'ємних хвиль при похилому падінні) зберігається. Однак умови утворення нормальних хвиль дуже ускладнюються завдяки наявності у пластині поздовжніх та поперечних хвиль. Різні типи хвиль, що існують при різних значеннях n, називають модами нормальних хвиль. Ультразвукові хвилі з непарними значеннями n називають симетричними , так як рух частинок в них симетрично щодо осі пластини. Хвилі з парними значеннями n називають антисиметричними(Рис. 5).

Мал. 5. Коливання частинок середовища v у нормальній хвилі.

Головні хвилі. У реальних умовах ультразвукового контролю похилим перетворювачем фронт ультразвукової хвилі випромінюючого п'єзоелемента має неплоску форму. Від випромінювача вісь якого орієнтована під першим критичним кутом до межі розділу, на кордон падають також поздовжні хвилі з кутами, дещо меншими і дещо більшими за перший критичний. При цьому в сталі збуджується низка типів ультразвукових хвиль.

Уздовж поверхні поширюється неоднорідна поздовжньо-поверхнева хвиля (рис. 6). Цю хвилю, що складається з поверхневої та об'ємної компонент, називають також витікаючою, або повзучою. Частинки в цій хвилі рухаються траєкторіями у вигляді еліпсів, близьких до кіл. Фазова швидкість витікаючої хвилі з незначно перевищує швидкість поздовжньої хвилі (для сталі з в = 1,04с l).

Ці хвилі існують на глибині, приблизно рівній довжині хвилі, і швидко згасають при поширенні: амплітуда хвилі згасає в 2,7 рази швидше на відстані 1,75? вздовж поверхні. Ослаблення пов'язане з тим, що в кожній точці межі розділу генеруються поперечні хвилі під кутом t2 , рівним третьому критичному куту, звані бічними хвилями. Цей кут визначається із співвідношення

sin α t2 = (c t2 - c l2)

для сталі t2 = 33,5 °.

Мал. 6. Акустичне поле перетворювача головної хвилі: ПЕП - п'єзоелектричний перетворювач.

Крім витікаючої збуджується також головна хвиля, що отримала широке застосування в практиці ультразвукового контролю. Головною називається поздовжньо-підповерхнева хвиля, що збуджується при падінні ультразвукового пучка на межу розділу під кутом, близьким до першого критичного. Швидкість цієї хвилі дорівнює швидкості поздовжньої хвилі. Свого амплітудного значення головна хвиля досягає під поверхнею вздовж променя з кутом уведення 78°.

Мал. 7. Амплітуда відбиття головної хвилі в залежності від глибини залягання плоскодонних отворів.

Головна хвиля, як і витікаюча, породжує бічні поперечні ультразвукові хвилі під третім критичним кутом до кордону розділу. Одночасно зі збудженням поздовжньо-поверхневої хвилі утворюється зворотна поздовжньо-поверхнева хвиля - поширення пружного обурення убік, протилежний прямому випромінюванню. Її амплітуда в ~100 разів менше амплітуди прямої хвилі.

Головна хвиля нечутлива до нерівностей поверхні і реагує лише на дефекти, що залягають під поверхнею. Ослаблення амплітуди поздовжньо-підповерхневої хвилі вздовж променя будь-якого напряму відбувається як у звичайній об'ємній поздовжній хвилі, тобто. пропорційно l/r, де r - відстань уздовж променя.

На рис. 7 показано зміну амплітуди ехосигналу від плоскодонних отворів, розташованих на різній глибині. Чутливість до дефектів поблизу поверхні близька до нуля. Максимальна амплітуда при відстані 20 мм досягається для плоскодонних отворів, розташованих на глибині 6 мм.

Інші сторінки на тему

Зміст статті

УЛЬТРАЗВУК,пружні хвилі високої частоти, яким присвячені спеціальні розділи науки та техніки. Людське вухо сприймає пружні хвилі, що поширюються в середовищі, частотою приблизно до 16 000 коливань в секунду (Гц); коливання з вищою частотою є ультразвук (за межею чутності). Зазвичай ультразвуковим діапазоном вважають смугу частот від 20 000 до кількох мільярдів герц. Хоча про існування ультразвуку вченим було відомо давно, практичне використання його в науці, техніці та промисловості почалося порівняно недавно. Зараз ультразвук широко застосовується у різних фізичних та технологічних методах. За швидкістю поширення звуку серед судять про її фізичні характеристики. Вимірювання швидкості на ультразвукових частотах виготовляються з дуже великою точністю; внаслідок цього з дуже малими похибками визначаються, наприклад, адіабатичні характеристики швидкоплинних процесів, значення питомої теплоємності газів, пружні постійні тверді тіла.

Гідролокація.

Наприкінці Першої світової війни з'явилася одна із перших практичних ультразвукових систем, призначена для виявлення підводних човнів. Пучок ультразвукового випромінювання може бути зроблений гостро спрямованим, і по відбитому від мети сигналу (відлуння-сигналу) можна визначити напрямок на цю мету. Вимірюючи час проходження сигналу до мети та назад, визначають відстань до неї. До теперішнього часу система, що називається гідролокатором, або сонаром, стала невід'ємним засобом мореплавання.

Якщо спрямувати імпульсне ультразвукове випромінювання убік дна і виміряти час між посилом імпульсу та її поверненням, можна визначити відстань між випромінювачем і приймачем, тобто. глибину. Засновані на цьому складні системи автоматичної реєстрації застосовуються для складання карт дна морів та океанів, а також русел річок. Відповідні навігаційні системи атомних підводних човнів дозволяють їм здійснювати безпечні переходи під полярними льодами.

Дефектоскопія.

Зондування ультразвуковими імпульсами застосовується і для досліджень властивостей різних матеріалів та виробів із них. Проникаючи в тверді тіла, такі імпульси відбиваються від своїх кордонів, і навіть від різних сторонніх утворень у товщі досліджуваного середовища, як-от порожнини, тріщини та інших., вказуючи їх розташування. Ультразвук "перевіряє" матеріал, не викликаючи в ньому руйнувань. Такими методами контролю, що не руйнують, перевіряють якість масивних сталевих поковок, алюмінієвих блоків, залізничних рейок, зварних швів машин.

Ультразвуковий витратомір.

Принцип дії такого приладу ґрунтується на ефекті Доплера. Імпульси ультразвуку направляються поперемінно потоком і проти нього. При цьому швидкість проходження сигналу складається зі швидкості поширення ультразвуку в середовищі і швидкості потоку, то ці величини віднімаються. Виникає різницю фаз імпульсів у двох гілках вимірювальної схеми реєструється електронним обладнанням, і в результаті вимірюється швидкість потоку, а за нею і масова швидкість (витрата). Цей вимірювач не вносить змін до потоку рідини і може застосовуватися як до потоку в замкнутому контурі, наприклад, для досліджень кровотоку в аорті або системи охолодження атомного реактора, так і відкритого потоку, наприклад річки.

Хімічна технологія.

Вищеописані методи відносяться до категорії малопотужних, у яких фізичні характеристики середовища не змінюються. Але існують і методи, у яких на середу спрямовують ультразвук великої інтенсивності. При цьому в рідині розвивається потужний кавітаційний процес (утворення безлічі бульбашок, або каверн, які при підвищенні тиску схлопуються), викликаючи суттєві зміни фізичних та хімічних властивостей середовища ( см. Кавітація) . Численні методи ультразвукового на хімічно активні речовини об'єднуються у науково-технічну галузь знань, звану ультразвуковою хімією. У ній досліджуються та стимулюються такі процеси, як гідроліз, окислення, перебудова молекул, полімеризація, деполімеризація, прискорення реакцій.

Ультразвукова паяння.

Кавітація, обумовлена ​​потужними ультразвуковими хвилями в металевих розплавах і руйнує алюмінієву окисну плівку, дозволяє проводити його паяння олов'яним припоєм без флюсу. Вироби зі спаяних ультразвуком металів стали звичайними промисловими товарами.

Ультразвукова механічна обробка.

Енергія ультразвуку успішно використовується під час машинної обробки деталей. Наконечник з маловуглецевої сталі, виконаний відповідно до форми поперечного перерізу бажаного отвору (або порожнини), кріпиться твердим припоєм до кінця усіченого металевого конуса, який впливає ультразвуковий генератор (при цьому амплітуда вібрацій становить до 0,025 мм). У зазор між сталевим наконечником та оброблюваною деталлю подається рідка суспензія абразиву (карбіду бору). Оскільки в такому методі ріжучим елементом виступає абразив, а не сталевий різець, він дозволяє обробляти дуже тверді та тендітні матеріали - скло, кераміку, алніко (Fe-Ni-Co-Al-сплав), карбід вольфраму, загартовану сталь; крім того, ультразвуком можна обробляти отвори та порожнини складної форми, так як відносний рух деталі та ріжучого інструменту може бути не тільки обертальним.

Ультразвукове очищення.

Важливою технологічною проблемою є очищення поверхні металу чи скла від найдрібніших сторонніх частинок, жирових плівок та інших видів забруднення. Там, де занадто трудомістке ручне очищення або необхідний особливий ступінь чистоти поверхні, застосовується ультразвук. У кавітуючу омиваючу рідину вводиться потужне ультразвукове випромінювання (що створює змінні прискорення з частотою до 10 6 Гц), і кавітаційні бульбашки, що схлопуються, зривають з оброблюваної поверхні небажані частинки. У промисловості використовується багато різного ультразвукового обладнання для очищення поверхонь кварцових кристалів та оптичного скла, малих прецизійних шарикопідшипників, зняття задирок з малогабаритних деталей; застосовується воно і конвеєрних лініях.

Застосування в біології та медицині.

Те, що ультразвук активно впливає на біологічні об'єкти (наприклад, вбиває бактерії), відомо вже понад 70 років. Ультразвукові стерилізатори хірургічних інструментів застосовуються у лікарнях та клініках. Електронна апаратура зі скануючим ультразвуковим променем служить цілям виявлення пухлин у мозку та постановки діагнозу, використовується в нейрохірургії для інактивації окремих ділянок головного мозку потужним сфокусованим високочастотним (порядку 1000 кГц) пучком. Але найбільш широко ультразвук застосовується в терапії – при лікуванні люмбаго, міалгії та контузій, хоча досі серед медиків немає єдиної думки щодо конкретного механізму впливу ультразвуку на хворі органи. Високочастотні коливання викликають внутрішній розігрів тканин, що супроводжується, можливо, мікромасажем.

Генерація ультразвукових хвиль.

Ультразвук можна отримати від механічних, електромагнітних та теплових джерел. Механічними випромінювачами зазвичай служать різного роду сирени уривчастої дії. У повітря вони випромінюють коливання потужністю до кількох кіловат на частотах до 40 кГц. Ультразвукові хвилі в рідинах та твердих тілах зазвичай збуджують електроакустичними, магнітострикційними та п'єзоелектричними перетворювачами.

Магнітострикційні перетворювачі.

Ці пристрої перетворюють енергію магнітного поля на механічну (звукову або ультразвукову) енергію. Їхня дія заснована на магнітопружному ефекті, тобто. у тому, деякі метали (залізо, нікель, кобальт) та його сплави деформуються в магнітному полі. Яскраво вираженими магнітопружними властивостями володіють і ферити (матеріали, що спекуються із суміші окису заліза з окислами нікелю, міді, кобальту та інших металів). Якщо магнитоупругий стрижень розташувати вздовж змінного магнітного поля, цей стрижень стане поперемінно скорочуватися і подовжуватися, тобто. відчувати механічні коливання із частотою змінного магнітного поля та амплітудою, пропорційною його індукції. Вібрації перетворювача збуджують у твердому або рідкому середовищі, з яким він стикається, хвилі ультразвуку тієї ж частоти. Зазвичай такі перетворювачі працюють на своїй частоті механічних коливань, тому що на ній найефективніше перетворення енергії з однієї форми в іншу. Магнітострикційні перетворювачі з тонкого листового металу працюють найкраще в низькочастотному ультразвуковому діапазоні (від 20 до 50 кГц), на частотах вище 100 кГц вони дуже низький ККД.

П'єзоелектричні перетворювачі

перетворюють електричну енергію на енергію ультразвуку. Дія їх ґрунтується на зворотному п'єзоелектричному ефекті, що виявляється в деформаціях деяких кристалів під дією прикладеного до них електричного поля. Цей ефект добре проявляється у природного або штучно вирощеного монокристалу кварцу або сегнетової солі, а також деяких керамічних матеріалів (наприклад, у титанату барію). Змінне електричне поле частоти бажаного ультразвуку подається через напилені металеві електроди, що розташовуються на протилежних гранях зразка, вирізаного певним чином п'єзоелектрика. При цьому виникають механічні коливання, які і поширюються у вигляді ультразвуку в суміжному рідкому або твердотільному середовищі. П'єзоелектричні перетворювачі у вигляді тонких кристалічних пластин можуть випромінювати потужні ультразвукові хвилі частотою до 1 МГц (в лабораторних умовах отримані частоти до 1000 МГц). Довжина ультразвукової хвилі (назад пропорційна частоті) дуже мала, тому з таких хвиль, як і зі світлових, можна формувати вузьконаправлені пучки. Гідність керамічних п'єзоелектриків полягає в тому, що з них можна відливати, пресувати або отримувати перетворювачі видавлюванням різних розмірів і форм. Такий перетворювач, виконаний у вигляді чаші сферичного контуру, здатний сфокусувати ультразвукове випромінювання в малу пляму дуже великої інтенсивності. Ультразвукові лінзи фокусують звукові хвилі так само, як лупи фокусують світло.

Виявлення та вимірювання на ультразвуку.

Енергія акустичного поля визначається в основному звуковим тиском і швидкістю частинок середовища, в якому звук поширюється. Зазвичай звуковий тиск у газах (повітря) та рідинах (воді) має порядок 10 -3 -10 -6 тиску навколишнього середовища (рівного 1 атм на рівні моря). Тиск ультразвукової хвилі перевищує це значення у тисячі разів і легко виявляється за допомогою мікрофонів у повітрі та гідрофонів у воді. Розроблено спеціальні засоби вимірювань для прийому та отримання кількісних характеристик ультразвукового випромінювання, особливо на високих частотах. Оскільки хвилі стиснення та розрідження в газах та рідинах змінюють показник заломлення середовища, для візуалізації цих процесів створено оптичні методи. При відображенні ультразвуку в замкнутій системі утворюється хвиля, що стоїть, що впливає на випромінювач. У пристроях такого типу, які називають ультразвуковими інтерферометрами, довжина хвилі в середовищі вимірюється з дуже великою точністю, що дозволяє отримувати дані про фізичні характеристики середовища. За допомогою інтенсивного ультразвукового пучка можна оцінити та виміряти тиск ультразвукового випромінювання, аналогічно тому, як це робиться при вимірі світлового тиску. Цей тиск пов'язаний з щільністю енергії ультразвукового поля і дозволяє найпростішим способом визначити інтенсивність ультразвукової хвилі, що поширюється.