Vad är ultraljud och hur används det inom industrin?

Ultraljud kallas elastiska vågor (vågor som fortplantar sig i flytande, fasta och gasformiga medier på grund av inverkan av elastiska krafter), vars frekvens ligger utanför det område som är hörbart för människor - från cirka 20 kHz och mer.

Ursprungligen särskiljdes ultraljud och hörbara ljud endast på grundval av uppfattning eller icke-uppfattning av det mänskliga örat. Hörseltröskeln för olika människor varierar från 7 till 25 kHz, och det har konstaterats att en person uppfattar ultraljud med en frekvens på 30 - 40 kHz genom benledningsmekanismen. Därför är den nedre gränsen för ultraljudsfrekvensen konventionellt accepterad.

Den övre gränsen för ultraljudsfrekvensen sträcker sig till frekvenserna 1013 — 1014 Hz, d.v.s. upp till frekvenser där våglängden blir jämförbar med de intermolekylära avstånden i fasta ämnen och vätskor. I gaser ligger denna gräns nedanför och bestäms av molekylens fria väg.

Användbara funktioner för ultraljudsvågor

Och även om fysiskt ultraljud har samma karaktär som hörbart ljud, som endast skiljer sig villkorligt (högre frekvens), är det just på grund av den högre frekvensen som ultraljud är tillämpbart i ett antal användbara riktningar.

Så när man mäter ultraljudshastigheten i en fast, flytande eller gasformig substans, erhålls mycket små fel när man observerar snabba processer, när man bestämmer den specifika värmen (gasen), när man mäter de elastiska konstanterna för fasta ämnen.

Hög frekvens vid låga amplituder gör det möjligt att uppnå ökade tätheter av energiflöden, eftersom energin hos en elastisk våg är proportionell mot kvadraten på dess frekvens. Dessutom kan ultraljudsvågor, använda på rätt sätt, ge en rad mycket speciella akustiska effekter och fenomen.

Ett av dessa ovanliga fenomen är akustisk kavitation, som uppstår när en kraftfull ultraljudsvåg riktas in i en vätska. I en vätska, i området för ultraljudsverkan, börjar små bubblor av ånga eller gas (submikroskopisk storlek) växa till bråkdelar av en millimeter i diameter, pulserande med vågens frekvens och kollapsar i övertrycksfasen.

Den kollapsande bubblan genererar lokalt en högtryckspuls mätt i tusentals atmosfärer, och blir källan till sfäriska stötvågor. Akustiska mikroflöden genererade nära sådana pulserande bubblor har varit användbara för att förbereda emulsioner, rengöra delar, etc.

Genom att fokusera ultraljud erhålls ljudbilder i akustisk holografi och ljudbildsystem, och ljudenergin koncentreras för att bilda en riktad stråle med definierade och kontrollerade riktningsegenskaper.

Genom att använda en ultraljudsvåg som ett diffraktionsgitter för ljus är det möjligt att ändra ljusets brytningsindex för olika ändamål, eftersom densiteten i en ultraljudsvåg, som i en elastisk våg, i allmänhet ändras periodiskt.

Slutligen, egenskaperna relaterade till hastigheten för utbredning av ultraljud. I oorganiska medier fortplantas ultraljud med en hastighet som beror på mediets elasticitet och densitet.

När det gäller organiska medier, här påverkas hastigheten av gränserna och deras natur, det vill säga att fashastigheten beror på frekvensen (dispersion). Ultraljud avtar med avståndet mellan vågfronten från källan — fronten divergerar, ultraljudet är spridd, absorberad.

Mediets inre friktion (skjuvviskositet) leder till den klassiska absorptionen av ultraljud, dessutom är relaxationsabsorptionen för ultraljud överlägsen den klassiska. I gas försvagas ultraljud kraftigare, i fasta ämnen och i vätskor är det mycket svagare. I vatten bryts det till exempel ner 1000 gånger långsammare än i luft. Således är de industriella tillämpningarna av ultraljud nästan helt relaterade till fasta ämnen och vätskor.

Användningen av ultraljud

Användningen av ultraljud utvecklas i följande riktningar:

• ultraljudsteknik, som gör det möjligt att producera irreversibla effekter på ett givet ämne och på förloppet av fysikalisk-kemiska processer med hjälp av ultraljud med en intensitet av enheter av W / cm2 till hundratusentals W / cm2;
• ultraljudskontroll baserad på beroendet av absorptionen och ultraljudets hastighet på tillståndet hos mediet genom vilket det fortplantar sig;
• ultraljudslokaliseringsmetoder, signalfördröjningslinjer, medicinsk diagnostik etc., baserade på förmågan hos ultraljudsvibrationer av högre frekvenser att fortplanta sig i rätlinjiga strålar (strålar), följa den geometriska akustikens lagar och samtidigt fortplanta sig med relativt låg hastighet.

Ultraljud spelar en speciell roll i studiet av ett ämnes struktur och egenskaper, eftersom det med deras hjälp är relativt lätt att bestämma de mest olika egenskaperna hos materialmiljöer, såsom elastiska och viskoelastiska konstanter, termodynamiska egenskaper, former av Fermi-ytor, dislokationer, kristallgitterdefekter, etc. Den relevanta grenen av studien av ultraljud kallas molekylär akustik.

Ultraljud vid ekolokalisering och ekolod (mat, försvar, gruvdrift)

Den första prototypen av ekolod skapades för att förhindra fartygskollisioner med isblock och isberg av den ryske ingenjören Shilovsky tillsammans med den franske fysikern Langevin 1912.

Enheten använder principen för ljudvågsreflektion och mottagning. Signalen var riktad mot en viss punkt, och genom fördröjningen av svarssignalen (eko), med kännedom om ljudets hastighet, var det möjligt att uppskatta avståndet till hindret som reflekterade ljudet.

Shilovsky och Langevin började en djupgående studie av hydroakustik och skapade snart en anordning som kunde upptäcka fiendens ubåtar i Medelhavet på ett avstånd av upp till 2 kilometer. Alla moderna ekolod, inklusive militära, är ättlingar till denna enhet.

Moderna ekolod för att studera bottenreliefen består av fyra block: en sändare, en mottagare, en givare och en skärm.Sändarens funktion är att skicka ultraljudspulser (50 kHz, 192 kHz eller 200 kHz) djupt ner i vattnet, som fortplantar sig genom vattnet med en hastighet av 1,5 km/s, där de reflekteras av fiskar, stenar, andra föremål och nedan, efter att detta eko når mottagaren, bearbetas en omvandlare och resultatet visas på displayen i en form som är bekväm för visuell uppfattning.

Ultraljud inom den elektroniska och elektriska industrin

Många områden inom modern fysik klarar sig inte utan ultraljud. Fasta ämnens och halvledares fysik, såväl som akustoelelektronik, är på många sätt nära besläktade med ultraljudsforskningsmetoder — med effekter vid en frekvens på 20 kHz och högre. En speciell plats här upptas av akustoelelektronik, där ultraljudsvågor interagerar med elektriska fält och elektroner inuti fasta kroppar.

Volumetriska ultraljudsvågor används i fördröjningslinjer och i kvartsresonatorer för att stabilisera frekvensen i moderna elektroniska system för bearbetning och överföring av information. Akustiska ytvågor intar en speciell plats i bandpassfilter för TV, i frekvenssyntes, i enheter för sändning av akustiska vågor, i minnes- och bildläsningsenheter. Slutligen använder korrelatorer och konvolverar den tvärgående akustoelelektriska effekten i sin funktion.

Radioelektronik och ultraljud

Ultraljudsfördröjningslinjer är användbara för att fördröja en elektrisk signal i förhållande till en annan.En elektrisk puls omvandlas till en pulsad mekanisk vibration med en ultraljudsfrekvens, som utbreder sig många gånger långsammare än en elektromagnetisk puls; den mekaniska vibrationen omvandlas sedan tillbaka till en elektrisk puls och en signal alstras som är fördröjd i förhållande till den ursprungliga ingången.

För sådan omvandling används vanligtvis piezoelektriska eller magnetostriktiva givare, varför fördröjningslinjer också kallas piezoelektriska eller magnetostriktiva.

I en piezoelektrisk fördröjningsledning appliceras en elektrisk signal på en kvartsplatta (piezoelektrisk givare) som är stelt ansluten till en metallstav.

En andra piezoelektrisk givare är ansluten till den andra änden av stången. Ingångsgivaren tar emot signalen, genererar mekaniska vibrationer som fortplantar sig längs staven, och när vibrationerna når den andra givaren genom staven produceras en elektrisk signal igen.

Hastigheten för utbredning av vibrationer längs staven är mycket mindre än den för en elektrisk signal, därför är signalen som passerar genom staven fördröjd i förhållande till ingången med en mängd som är relaterad till skillnaden i hastigheterna för elektromagnetiska och ultraljudsvibrationer.

Den magnetostriktiva fördröjningslinjen kommer att innehålla ingångsgivaren, magneter, ljudtråd, utgångsgivare och absorbatorer. Ingångssignalen tillförs den första spolen, ultraljudsfrekvenssvängningar - mekaniska svängningar - startar i stavens akustiska ledare gjord av magnetostriktivt material - magneten skapar här permanent magnetisering i transformationszonen och initial magnetisk induktion.

I staven utbreder sig vibrationer med en hastighet av 5000 m/s, till exempel för en stavlängd på 40 cm blir fördröjningen 80 μs. Dämpare i båda ändarna av stången förhindrar oönskade signalreflektioner. Magnetostriktiva störningar kommer att orsaka en förändring av induktionen i den andra lindningen (utgångsomvandlaren) EMF.

Ultraljud inom tillverkningsindustrin (skärning och svetsning)

Ett slipande material (kvartssand, diamant, sten, etc.) placeras mellan ultraljudskällan och arbetsstycket. Ultraljud verkar på slipande partiklar, som i sin tur träffar delen med ultraljudsfrekvensen. Arbetsstyckets material under påverkan av ett stort antal små slag från slipkorn förstörs - så här utförs bearbetning.

Skärning läggs till med matningsrörelsen, medan längsgående skärsvängningar är de huvudsakliga. Noggrannheten för ultraljudsbehandling beror på storleken på slipmedlets korn och når 1 mikron. På detta sätt görs komplexa snitt, som är nödvändiga vid tillverkning av metalldelar, slipning, gravering och borrning.

Om det är nödvändigt att svetsa olika metaller (eller till och med polymerer) eller att kombinera en tjock del med en tunn platta, kommer ultraljud igen till undsättning. Detta är den så kallade kall ultraljudssvetsning… Under inverkan av ultraljud i svetszonen blir metallen mycket plastisk, delarna kan mycket lätt rotera under sammanfogningen i vilken vinkel som helst. Och det är värt att stänga av ultraljudet - delarna kommer omedelbart att ansluta, fånga.

Det är särskilt anmärkningsvärt att svetsningen utförs vid en temperatur under delarnas smältpunkt och att deras anslutning faktiskt sker i fast tillstånd, men stål, titan och till och med molybden svetsas på detta sätt. Tunna plåtar är lättast att svetsa. Denna metod för svetsning innebär ingen speciell förberedelse av delarnas yta, detta gäller även metaller och polymerer.

Ultraljudstestning används för att upptäcka platta defekter i metallen under svetsning (sprickor, brist på penetration, brist på vidhäftning). Denna metod är mycket effektiv för finkorniga stål.

Ultraljud i metallurgi (ultraljudsdetektering av fel)

Ultraljudsdetektering av defekter — detektering av defekter baserat på ändring av utbredningsförhållandena för elastiska, främst ultraljudsvibrationer.

Ultraljudsfeldetektering är en av de mest effektiva metoderna för oförstörande kvalitetskontroll av metalldelar.

I ett homogent medium utbreder sig ultraljud i en riktning utan snabb dämpning, och reflektion är karakteristisk för det vid mediets gräns. Så metalldelar kontrolleras för hålrum och sprickor inuti dem (luft till metall gränssnitt) och ökad metalltrötthet upptäcks.

Ultraljud kan penetrera en del på ett djup av 10 meter, och storleken på de upptäckta defekterna är i storleksordningen 5 mm. Det finns: skugga, puls, resonans, strukturanalys, visualisering, — fem metoder för att upptäcka fel med ultraljud.

Den enklaste metoden är ultraljudsskuggdefektdetektering, denna metod är baserad på dämpningen av en ultraljudsvåg när den stöter på en defekt när den passerar genom en del, eftersom defekten skapar en ultraljudskugga.Två omvandlare fungerar: den första avger en våg, den andra tar emot den.

Denna metod är okänslig, en defekt upptäcks endast om dess påverkan ändrar signalen med minst 15%, dessutom är det omöjligt att bestämma djupet där defekten är belägen i delen. Mer exakta resultat erhålls med pulserad ultraljudsmetod, den visar också djupet.

För att avge och ta emot elastiska vibrationer används piezoelektriska givare, och inom området för ljud och låga ultraljudsfrekvenser — magnetostriktiva givare.

Följande metoder används för att överföra elastiska vibrationer från givaren till den kontrollerade produkten och vice versa:

• kontaktlös;
• torr kontakt (främst för låga frekvenser);
• kontakt med ett smörjmedel (före testet appliceras ett lager av olja eller vatten med en tjocklek som är mycket mindre än den elastiska våglängden på produktens rent bearbetade yta);
• strålkontakt (genom en ström av vätska som strömmar i ett litet gap mellan det piezoelektriska elementet och produktens yta);
• nedsänkning (den kontrollerade produkten sänks ned i ett bad och kontakt görs genom ett lager av vätska, vars tjocklek måste vara minst 1/4 av produktens tjocklek).

Fördelen med nedsänkning, bläckstråle och beröringsfria metoder är bristen på slitage på sökhuvudena och möjligheten att använda högre skanningshastigheter, samt möjligheten till automatisering av hanteringen.

Se även:

Ultraljudsskärning av metaller

Installationer för ultraljudsrengöring av delar

Ultraljudssensorer för automationssystem

Sensorer och mätanordningar för bestämning av ämnens sammansättning och egenskaper