Częstotliwości od 16 do 18 000 Hz, które może odbierać ludzki aparat słuchowy, nazywane są zwykle częstotliwościami dźwięku, na przykład piskiem komara »10 kHz. Ale powietrze, głębiny mórz i wnętrzności ziemi wypełnione są dźwiękami leżącymi poniżej i powyżej tego zakresu - infra i ultradźwięki. W przyrodzie ultradźwięki występują jako składnik wielu naturalnych dźwięków: w szumie wiatru, wodospadów, deszczu, kamykach morskich toczonych przez fale oraz w wyładowaniach atmosferycznych. Wiele ssaków, takich jak koty i psy, ma zdolność odbierania ultradźwięków o częstotliwości do 100 kHz, a zdolności lokalizacyjne nietoperzy, owadów nocnych i zwierząt morskich są dobrze znane każdemu. Istnienie niesłyszalnych dźwięków odkryto wraz z rozwojem akustyki pod koniec XIX wieku. W tym samym czasie rozpoczęły się pierwsze badania nad ultradźwiękami, ale podstawy jego zastosowania położono dopiero w pierwszej tercji XX wieku.
Dolna granica zakresu ultradźwiękowego nazywana jest drganiami sprężystymi o częstotliwości 18 kHz. Górną granicę ultradźwięków wyznacza natura fal sprężystych, które mogą rozchodzić się tylko pod warunkiem, że długość fali jest znacznie większa od swobodnej drogi cząsteczek (w gazach) lub odległości międzyatomowych (w cieczach i gazach). W gazach górna granica wynosi »106 kHz, w cieczach i ciałach stałych »1010 kHz. Z reguły częstotliwości do 106 kHz nazywane są ultradźwiękami. Wyższe częstotliwości są powszechnie nazywane hiperdźwiękami.
Fale ultradźwiękowe ze swej natury nie różnią się od fal w zakresie słyszalnym i podlegają tym samym prawom fizycznym. Ale ultradźwięki mają specyficzne cechy, które zdecydowały o ich powszechnym zastosowaniu w nauce i technologii. Oto główne:
- Krótka długość fali. W przypadku najniższego zakresu ultradźwiękowego długość fali w większości mediów nie przekracza kilku centymetrów. Krótka długość fali określa charakter promieniowy propagacji fal ultradźwiękowych. W pobliżu emitera ultradźwięki rozchodzą się w postaci wiązek o wielkości podobnej do wielkości emitera. Wiązka ultradźwiękowa, gdy natrafi na niejednorodność ośrodka, zachowuje się jak wiązka światła, ulega odbiciu, załamaniu i rozproszeniu, co umożliwia tworzenie obrazów dźwiękowych w ośrodkach optycznie nieprzezroczystych przy użyciu efektów czysto optycznych (ogniskowanie, dyfrakcja itp.).
- Krótki okres oscylacji, pozwalający na emisję ultradźwięków w postaci impulsów oraz precyzyjną selekcję czasową sygnałów propagujących w ośrodku.
- Możliwość uzyskania wysokich wartości energii drgań przy małej amplitudzie, ponieważ energia drgań jest proporcjonalna do kwadratu częstotliwości. Dzięki temu możliwe jest wytwarzanie wiązek i pól ultradźwiękowych o wysokim poziomie energii, bez konieczności stosowania wielkogabarytowego sprzętu.
- W polu ultradźwiękowym powstają znaczące prądy akustyczne. Dlatego też oddziaływanie ultradźwięków na środowisko rodzi określone skutki: fizyczne, chemiczne, biologiczne i medyczne. Takie jak kawitacja, dźwiękowy efekt kapilarny, dyspersja, emulgacja, odgazowanie, dezynfekcja, miejscowe ogrzewanie i wiele innych.
- Ultradźwięki są niesłyszalne i nie powodują dyskomfortu dla personelu obsługującego.
Historia ultradźwięków. Kto odkrył ultradźwięki?
Dbałość o akustykę wynikała z potrzeb marynarki wojennej czołowych mocarstw – Anglii i Francji, ponieważ akustyczny to jedyny rodzaj sygnału, który może przemieszczać się daleko w wodzie. W 1826 r Francuski naukowiec Colladon wyznaczył prędkość dźwięku w wodzie. Eksperyment Colladona uważany jest za narodziny nowoczesnej hydroakustyki. Podwodny dzwon w Jeziorze Genewskim został uderzony przy jednoczesnym zapaleniu prochu. Colladon zaobserwował błysk prochu z odległości 10 mil. Usłyszał także dźwięk dzwonu za pomocą podwodnej rurki słuchowej. Mierząc odstęp czasu między tymi dwoma zdarzeniami, Colladon obliczył prędkość dźwięku na 1435 m/s. Różnica w porównaniu z nowoczesnymi obliczeniami wynosi tylko 3 m/s.
W 1838 roku w USA po raz pierwszy wykorzystano dźwięk do określenia profilu dna morskiego na potrzeby ułożenia kabla telegraficznego. Źródłem dźwięku, podobnie jak w eksperymencie Colladona, był dzwoniący pod wodą dzwon, a odbiornikiem były duże rurki słuchowe opuszczone za burtę statku. Wyniki eksperymentu były rozczarowujące. Dźwięk dzwonu (podobnie jak w istocie eksplozja nabojów prochowych w wodzie) dał zbyt słabe echo, prawie niesłyszalne wśród innych dźwięków morza. Należało udać się w rejon wyższych częstotliwości, co umożliwiło wytworzenie ukierunkowanych wiązek dźwiękowych.
Pierwszy generator ultradźwiękowy wykonany w 1883 roku przez Anglika Franciszka Galtona. Ultradźwięki powstawały jak gwizdek na krawędzi noża, gdy się w nie dmuchało. Rolę takiej końcówki w gwizdku Galtona pełnił cylinder o ostrych krawędziach. Powietrze lub inny gaz wypływający pod ciśnieniem przez pierścieniową dyszę o średnicy równej krawędzi cylindra przedostał się na krawędź i wystąpiły oscylacje o wysokiej częstotliwości. Dmuchając w gwizdek wodorem, można było uzyskać oscylacje dochodzące do 170 kHz.
W 1880 r Piotra i Jakuba Curie dokonał odkrycia, które miało decydujące znaczenie dla technologii ultradźwiękowej. Bracia Curie zauważyli, że pod wpływem ciśnienia na kryształy kwarcu wygenerował się ładunek elektryczny, który był wprost proporcjonalny do siły przyłożonej do kryształu. Zjawisko to nazwano „piezoelektrycznością” od greckiego słowa oznaczającego „naciskać”. Wykazali także odwrotny efekt piezoelektryczny, który występował, gdy do kryształu przyłożono szybko zmieniający się potencjał elektryczny, powodując jego wibracje. Odtąd technicznie możliwa jest produkcja małych emiterów i odbiorników ultradźwięków.
Śmierć Titanica w wyniku zderzenia z górą lodową i konieczność walki z nową bronią - łodziami podwodnymi - wymagała szybkiego rozwoju hydroakustyki ultradźwiękowej. W 1914 roku francuski fizyk Paula Langevina wraz z utalentowanym rosyjskim naukowcem-emigrantem Konstantinem Wasiljewiczem Sziłowskim po raz pierwszy opracowali sonar składający się z emitera ultradźwiękowego i hydrofonu - odbiornika drgań ultradźwiękowych, opartego na efekcie piezoelektrycznym. Sonar Langevin-Silovsky, był pierwszym urządzeniem ultradźwiękowym, stosowany w praktyce. W tym samym czasie rosyjski naukowiec S. Ya Sokolov opracował podstawy ultradźwiękowego wykrywania wad w przemyśle. W 1937 roku niemiecki psychiatra Karl Dussick wraz ze swoim bratem Friedrichem, fizykiem, po raz pierwszy zastosowali ultradźwięki do wykrywania guzów mózgu, jednak uzyskane przez nich wyniki okazały się niewiarygodne. W praktyce medycznej ultradźwięki zaczęto stosować dopiero w latach 50. XX wieku w USA.
Odbiór USG.
Emitery ultradźwięków można podzielić na dwie duże grupy:
1) Oscylacje są wzbudzane przez przeszkody na drodze strumienia gazu lub cieczy lub przez przerwanie strumienia gazu lub cieczy. Stosowane są w ograniczonym zakresie, głównie w celu uzyskania silnych ultradźwięków w środowisku gazowym.
2) Oscylacje są wzbudzane poprzez przemianę w mechaniczne oscylacje prądu lub napięcia. Większość urządzeń ultradźwiękowych wykorzystuje emitery z tej grupy: przetworniki piezoelektryczne i magnetostrykcyjne.
Oprócz przetworników wykorzystujących efekt piezoelektryczny, stosowane są przetworniki magnetostrykcyjne, które wytwarzają potężną wiązkę ultradźwiękową. Magnetostrykcja to zmiana wielkości ciał pod wpływem zmiany ich stanu magnetycznego. Rdzeń z materiału magnetostrykcyjnego umieszczony w uzwojeniu przewodzącym zmienia swoją długość w zależności od kształtu sygnału prądowego przepływającego przez uzwojenie. Zjawisko to, odkryte w 1842 roku przez Jamesa Joule'a, jest charakterystyczne dla ferromagnetyków i ferrytów. Najczęściej stosowanymi materiałami magnetostrykcyjnymi są stopy na bazie niklu, kobaltu, żelaza i aluminium. Największe natężenie promieniowania ultradźwiękowego można uzyskać dzięki stopowi permendur (49% Co, 2% V, reszta Fe), który stosowany jest w potężnych emiterach ultradźwiękowych. W szczególności te produkowane przez naszą firmę.
Zastosowanie ultradźwięków.
Różnorodne zastosowania ultradźwięków można podzielić na trzy obszary:
- uzyskanie informacji o substancji
- wpływ na substancję
- przetwarzanie i transmisja sygnału
Zależność prędkości propagacji i tłumienia fal akustycznych od właściwości materii i procesów w niej zachodzących wykorzystywana jest w badaniach:
- badanie procesów molekularnych w gazach, cieczach i polimerach
- badanie struktury kryształów i innych ciał stałych
- kontrola reakcji chemicznych, przejść fazowych, polimeryzacji itp.
- oznaczanie stężenia roztworu
- wyznaczanie cech wytrzymałościowych i składu materiałów
- określenie obecności zanieczyszczeń
- wyznaczanie natężenia przepływu cieczy i gazu
Pomiar prędkości dźwięku w ciałach stałych pozwala określić właściwości sprężyste i wytrzymałościowe materiałów konstrukcyjnych. Ta pośrednia metoda określania wytrzymałości jest wygodna ze względu na swoją prostotę i możliwość zastosowania w warunkach rzeczywistych.
Ultradźwiękowe analizatory gazów monitorują gromadzenie się niebezpiecznych zanieczyszczeń. Zależność prędkości ultradźwiękowej od temperatury wykorzystywana jest w bezkontaktowej termometrii gazów i cieczy.
Przepływomierze ultradźwiękowe działające na efekcie Dopplera opierają się na pomiarze prędkości dźwięku w poruszających się cieczach i gazach, także niejednorodnych (emulsje, zawiesiny, pulpy). Podobny sprzęt służy do określania prędkości i natężenia przepływu krwi w badaniach klinicznych.
Duża grupa metod pomiarowych opiera się na odbiciu i rozproszeniu fal ultradźwiękowych na granicach ośrodków. Metody te pozwalają na dokładne określenie lokalizacji ciał obcych w środowisku i znajdują zastosowanie w takich obszarach jak:
- sonar
- badania nieniszczące i wykrywanie wad
- diagnostyka medyczna
- określanie poziomu cieczy i ciał stałych w zamkniętych pojemnikach
- określenie rozmiarów produktów
- wizualizacja pól dźwiękowych - wizja dźwiękowa i holografia akustyczna
Odbicie, załamanie i zdolność skupiania ultradźwięków znajdują zastosowanie w ultradźwiękowej detekcji wad, w ultradźwiękowych mikroskopach akustycznych, w diagnostyce medycznej i badaniu makroniejednorodności substancji. O obecności niejednorodności i ich współrzędnych decydują sygnały odbite lub struktura cienia.
Metody pomiarowe oparte na zależności parametrów rezonansowego układu drgającego od właściwości obciążającego go ośrodka (impedancja) służą do ciągłego pomiaru lepkości i gęstości cieczy oraz do pomiaru grubości części, do których można uzyskać jedynie dostęp z jednej strony. Ta sama zasada leży u podstaw ultradźwiękowych testerów twardości, wskaźników poziomu i przełączników poziomu. Zalety metod badań ultradźwiękowych: krótki czas pomiaru, możliwość kontroli środowisk wybuchowych, agresywnych i toksycznych, brak wpływu przyrządu na kontrolowane środowisko i procesy.
Wpływ ultradźwięków na substancję.
Wpływ ultradźwięków na substancję, powodujący w niej nieodwracalne zmiany, jest szeroko stosowany w przemyśle. Jednocześnie mechanizmy działania ultradźwięków są różne dla różnych środowisk. W gazach głównym czynnikiem roboczym są prądy akustyczne, które przyspieszają procesy wymiany ciepła i masy. Co więcej, wydajność mieszania ultradźwiękowego jest znacznie wyższa niż w przypadku konwencjonalnego mieszania hydrodynamicznego, ponieważ warstwa graniczna ma mniejszą grubość i w rezultacie większy gradient temperatury lub stężenia. Efekt ten wykorzystywany jest w procesach takich jak:
- suszenie ultradźwiękowe
- spalanie w polu ultradźwiękowym
- koagulacja aerozolowa
W ultradźwiękowej obróbce cieczy głównym czynnikiem operacyjnym jest kawitacja . Następujące procesy technologiczne opierają się na efekcie kawitacji:
- czyszczenie ultradźwiękowe
- metalizacja i lutowanie
- efekt dźwiękowo-kapilarny - przenikanie cieczy do najmniejszych porów i pęknięć. Służy do impregnacji materiałów porowatych i występuje podczas dowolnej obróbki ultradźwiękowej ciał stałych w cieczach.
- krystalizacja
- intensyfikacja procesów elektrochemicznych
- otrzymywanie aerozoli
- niszczenie mikroorganizmów i sterylizacja ultradźwiękowa narzędzi
Prądy akustyczne- jeden z głównych mechanizmów oddziaływania ultradźwięków na materię. Jest to spowodowane absorpcją energii ultradźwiękowej w substancji i warstwie granicznej. Przepływy akustyczne różnią się od przepływów hydrodynamicznych małą grubością warstwy przyściennej i możliwością jej ścieńczenia wraz ze wzrostem częstotliwości oscylacji. Prowadzi to do zmniejszenia grubości warstwy granicznej temperatury lub stężenia i wzrostu gradientów temperatury lub stężenia, które determinują szybkość wymiany ciepła lub masy. Pomaga to przyspieszyć procesy spalania, suszenia, mieszania, destylacji, dyfuzji, ekstrakcji, impregnacji, sorpcji, krystalizacji, rozpuszczania, odgazowania cieczy i stopów. W przepływie wysokoenergetycznym wpływ fali akustycznej odbywa się pod wpływem energii samego przepływu, poprzez zmianę jego turbulencji. W tym przypadku energia akustyczna może stanowić jedynie ułamek procenta energii przepływu.
Kiedy fala dźwiękowa o dużym natężeniu przechodzi przez ciecz, tzw kawitacja akustyczna . W intensywnej fali dźwiękowej, w półokresach rozrzedzenia, pojawiają się pęcherzyki kawitacyjne, które gwałtownie zapadają się po przejściu do obszaru wysokiego ciśnienia. W obszarze kawitacji powstają silne zaburzenia hydrodynamiczne w postaci fal mikrouderzeniowych i mikroprzepływów. Ponadto zapadaniu się pęcherzyków towarzyszy silne lokalne ogrzewanie substancji i wydzielanie się gazu. Takie narażenie prowadzi do zniszczenia nawet tak trwałych substancji, jak stal i kwarc. Efekt ten służy do rozpraszania ciał stałych, wytwarzania drobnych emulsji niemieszających się cieczy, wzbudzania i przyspieszania reakcji chemicznych, niszczenia mikroorganizmów i ekstrakcji enzymów z komórek zwierzęcych i roślinnych. Kawitacja warunkuje także takie efekty jak słabe świecenie cieczy pod wpływem ultradźwięków - sonoluminescencja i nienormalnie głęboka penetracja płynu do naczyń włosowatych - efekt sonokapilarny .
Kawitacyjna dyspersja kryształów węglanu wapnia (kamienia) jest podstawą akustycznych urządzeń przeciwdziałających osadzaniu się kamienia. Pod wpływem ultradźwięków cząsteczki w wodzie rozszczepiają się, ich średnia wielkość zmniejsza się z 10 do 1 mikrona, zwiększa się ich liczba i całkowita powierzchnia cząstek. Prowadzi to do przeniesienia procesu tworzenia się kamienia z powierzchni wymiany ciepła bezpośrednio do cieczy. Ultradźwięki wpływają także na powstającą warstwę kamienia, tworząc w niej mikropęknięcia, które przyczyniają się do odrywania się kawałków kamienia od powierzchni wymiany ciepła.
W ultradźwiękowych instalacjach czyszczących za pomocą kawitacji i wytwarzanych przez nią mikroprzepływów usuwane są zarówno zanieczyszczenia trwale związane z powierzchnią, takie jak zgorzelina, zgorzelina, zadziory, jak i zanieczyszczenia miękkie, takie jak tłuste filmy, brud itp. Ten sam efekt wykorzystuje się do intensyfikacji procesów elektrolitycznych.
Pod wpływem ultradźwięków zachodzi tak ciekawy efekt jak koagulacja akustyczna, tj. zbieżność i powiększanie się cząstek zawieszonych w cieczy i gazie. Fizyczny mechanizm tego zjawiska nie jest jeszcze całkowicie jasny. Koagulacja akustyczna stosowana jest do osadzania pyłów, dymów i mgieł przemysłowych przy częstotliwościach niskich dla ultradźwięków, do 20 kHz. Możliwe, że na tym efekcie opierają się korzystne skutki bicia dzwonów kościelnych.
Mechaniczna obróbka ciał stałych za pomocą ultradźwięków opiera się na następujących efektach:
- zmniejszenie tarcia pomiędzy powierzchniami podczas drgań ultradźwiękowych jednej z nich
- zmniejszenie granicy plastyczności lub odkształcenie plastyczne pod wpływem ultradźwięków
- wzmacnianie i redukcja naprężeń własnych w metalach pod wpływem narzędzia o częstotliwości ultradźwiękowej
- W zgrzewaniu ultradźwiękowym wykorzystuje się połączone działanie kompresji statycznej i wibracji ultradźwiękowych
Wyróżnia się cztery rodzaje obróbki z wykorzystaniem ultradźwięków:
- obróbka wymiarowa części wykonanych z materiałów twardych i kruchych
- cięcie materiałów trudnoskrawalnych za pomocą aplikacji ultradźwiękowej na narzędzie tnące
- gratowanie w kąpieli ultradźwiękowej
- szlifowanie materiałów lepkich za pomocą ultradźwiękowego czyszczenia ściernicy
Wpływ ultradźwięków na obiekty biologiczne powoduje różnorodne efekty i reakcje w tkankach organizmu, co jest szeroko stosowane w terapii ultradźwiękowej i chirurgii. Ultradźwięki są katalizatorem przyspieszającym osiągnięcie równowagi, z fizjologicznego punktu widzenia, stanu organizmu, tj. stan zdrowy. Ultradźwięki mają znacznie większy wpływ na chore tkanki niż na zdrowe. Stosowane jest również ultradźwiękowe rozpylanie leków do inhalacji. Chirurgia ultradźwiękowa opiera się na następujących efektach: niszczeniu tkanek przez samo skupione ultradźwięki oraz przyłożenie wibracji ultradźwiękowych do tnącego narzędzia chirurgicznego.
Urządzenia ultradźwiękowe służą do przetwarzania i analogowego przetwarzania sygnałów elektronicznych oraz do sterowania sygnałami świetlnymi w optyce i optoelektronice. W liniach opóźniających stosowane są ultradźwięki o niskiej prędkości. Sterowanie sygnałami optycznymi opiera się na dyfrakcji światła przez ultradźwięki. Jeden z rodzajów takiej dyfrakcji, tzw. dyfrakcja Bragga, zależna jest od długości fali ultradźwięków, co pozwala na wyizolowanie wąskiego przedziału częstotliwości z szerokiego spektrum promieniowania świetlnego, tj. światło filtrujące.
Ultradźwięki są niezwykle interesującą rzeczą i można przypuszczać, że wiele z ich praktycznych zastosowań jest wciąż nieznanych ludzkości. Kochamy i znamy ultradźwięki i chętnie porozmawiamy o wszelkich pomysłach związanych z ich zastosowaniem.
Gdzie wykorzystuje się ultradźwięki – tabela podsumowująca
Nasza firma Koltso-Energo LLC zajmuje się produkcją i montażem akustycznych urządzeń przeciwosadowych „Acoustic-T”. Urządzenia produkowane przez naszą firmę wyróżniają się wyjątkowo wysokim poziomem sygnału ultradźwiękowego, co pozwala na pracę z kotłami bez uzdatniania wody oraz kotłami parowo-wodnymi na wodę artezyjską. Ale zapobieganie tworzeniu się kamienia to bardzo mała część możliwości ultradźwięków. To niesamowite naturalne narzędzie ma ogromne możliwości i chcemy Ci o nich opowiedzieć. Pracownicy naszej firmy od wielu lat pracują w wiodących rosyjskich przedsiębiorstwach zajmujących się akustyką. O ultradźwiękach wiemy dużo. A jeśli nagle pojawi się potrzeba wykorzystania ultradźwięków w Twojej technologii,
Zastosowanie ultradźwięków w przemyśle
Wibracje ultradźwiękowe to elastyczne drgania mechaniczne o częstotliwości powyżej 20 kHz, które nie są odbierane przez ludzkie ucho. Najkrótsze fale ultradźwiękowe mają długość rzędu długości fal światła widzialnego. Fale ultradźwiękowe, podobnie jak fale świetlne, odbijają się od przeszkód, można je skupiać itp.
Gdy drgania ultradźwiękowe rozchodzą się w ośrodku ciekłym, w tym ostatnim następuje naprzemienne ściskanie i rozciąganie z częstotliwością przechodzących drgań; w momencie rozciągania powstają lokalne pęknięcia cieczy i tworzą się wnęki (pęcherzyki), wypełnione parą cieczy i rozpuszczonymi w niej gazami. W momencie ściskania pęcherzyki zapadają się, czemu towarzyszą silne wstrząsy hydrauliczne. Zjawisko to nazywa się kawitacją. Lokalne ciśnienia uderzeniowe często przekraczają 980 MPa.
Źródła ultradźwiękowe stosowane w przemyśle można podzielić na dwie grupy: mechaniczne i elektromechaniczne.
Spośród mechanicznych źródeł ultradźwięków najczęściej stosowane są dynamiczne (syreny) i statyczne (gwizdek). Syreny Posiadają stojan z otworami i wirnik wykonany z perforowanej tarczy. Gdy do obudowy syreny doprowadzana jest para, gaz lub sprężone powietrze, wirnik obraca się, okresowo zamykając i otwierając otwory stojana, powodując wibracje mechaniczne. Syreny są szeroko stosowane na przykład do osadzania mgły kwasu siarkowego i drobnej sadzy podczas ich produkcji.
Najbardziej znanym ze statycznych źródeł ultradźwięków (generatorów) jest gwizdek Hartmanna, w którym drgania dźwiękowe powstają w wyniku uderzenia strumienia gazu poruszającego się z prędkością naddźwiękową od dyszy do rezonatora cylindrycznego.
Spośród źródeł elektromechanicznych najczęściej stosowane są przetworniki magnetostrykcyjne i piezoceramiczne.
Głównym elementem przetwornik magnetostrykcyjny to tzw. silnik wykonany z materiału ferromagnetycznego, który posiada zdolność zmiany swoich wymiarów w polu magnetycznym. Na przykład pręt niklowy umieszczony w polu magnetycznym skraca się, natomiast pręt wykonany ze stopu żelaza i kobaltu (permendur) wydłuża się.
Efekt piezoelektryczny polega na tym, że gdy niektóre kryształy, np. kwarc, są rozciągane i ściskane w określonych kierunkach, na ich powierzchni powstają ładunki elektryczne (bezpośredni efekt piezoelektryczny).
Jeżeli do takiej płytki kwarcowej przyłożymy ładunek elektryczny, zmieni ona swój rozmiar (odwrotny efekt piezoelektryczny). Kiedy na płytkę działa zmienne pole elektryczne, ulega ona kompresji lub rozszerzaniu synchronicznie ze zmianą przyłożonego napięcia. Bezpośredni efekt piezoelektryczny wykorzystywany jest w odbiornikach drgań ultradźwiękowych, gdzie te ostatnie przetwarzane są na prąd przemienny.
Odwrotny efekt piezoelektryczny wykorzystuje się do produkcji ultradźwiękowych emiterów drgań, które przekształcają drgania elektryczne na mechaniczne, głównie o wyższych częstotliwościach w porównaniu do magnetostrykcyjnych.
W ostatnich latach powszechne stały się wibratory wykonane z piezoceramiki, które mają większy efekt piezoelektryczny niż naturalny kwarc.
Jednym z głównych zastosowań technologicznych ultradźwięków jest intensyfikacja wielu procesów technologicznych.
Wibracje ultradźwiękowe wykorzystuje się do przyspieszania procesów takich jak polimeryzacja (np. obróbka ultradźwiękowa emulsji przy produkcji sztucznego kauczuku).
Ultradźwięki znacznie przyspieszają krystalizację różnych substancji z roztworów przesyconych (kwas winowy, fluorek glinu itp.).
Ultradźwięki mogą również przyspieszyć rozpuszczanie ciał stałych w cieczach. Na przykład czas rozpuszczania wiskozy w procesie wytwarzania włókien chemicznych przy użyciu ultradźwięków skraca się z 7 do 3 godzin.
Ultradźwięki pozwalają na przyspieszenie procesów ekstrakcji, np. otrzymania oleju rybnego z wątroby rybiej bez znacznego zwiększania temperatury, co pozwala zachować w nim wszystkie cenne witaminy.
W procesach chemicznych ultradźwięki służą do oczyszczania części (łożysk, styków elektrycznych itp.) i zespołów montażowych z zanieczyszczeń.
Jakość czyszczenia ultradźwiękowego jest nieporównywalna z innymi metodami. Na przykład podczas czyszczenia części w różnych rozpuszczalnikach organicznych na ich powierzchni pozostaje do 80% zanieczyszczeń, przy czyszczeniu wibracyjnym - około 55%, a przy czyszczeniu ultradźwiękowym - nie więcej niż 0,5%.
Metody ultradźwiękowe w większości przypadków zapewniają całkowite oczyszczenie części z zanieczyszczeń technicznych.
Czyszczenie ultradźwiękowe przeprowadza się w rozpuszczalnikach organicznych lub wodnych roztworach detergentów.
W ostatnich latach stały się one bardziej powszechne wodne roztwory detergentów ze względu na ich niepalność i brak toksycznych składników, niski koszt oraz zdolność do zatrzymywania zanieczyszczeń w zawiesinie bez ponownego osadzania ich na czyszczonej powierzchni. Jako wodne roztwory myjące stosuje się roztwory zasad i soli zasadowych z dodatkami środków powierzchniowo czynnych. Podczas czyszczenia w takich roztworach zanieczyszczenia ulegają jednocześnie emulgacji i zmydlaniu.
Czas trwania czyszczenia ultradźwiękowego zależy od rodzaju zabrudzeń i roztworów czyszczących i nie przekracza 10-15 minut.
Lutowanie niektórych metali i stopów, takich jak aluminium, stal nierdzewna itp., jest trudne metodami konwencjonalnymi ze względu na obecność na ich powierzchni mocnej, trudnej do usunięcia warstwy tlenku. Wprowadzenie drgań ultradźwiękowych do roztopionego lutowia prowadzi do zniszczenia warstewki i ułatwia zwilżenie lutowanej powierzchni lub cynowanie lutem, ułatwia i przyspiesza proces lutowania oraz poprawia jakość połączeń lutowanych. Wprowadzenie ultradźwięków podczas lutowania aluminium zmniejsza pracochłonność procesu o 20 - 30%. Ultradźwięki można wykorzystać do konserwacji wyrobów ceramicznych.
Istotą ultradźwiękowej obróbki wymiarowej jest wprowadzenie pomiędzy narzędzie połączone z emiterem a przedmiotem obrabianym materiału ściernego, który oddziałuje na obrabianą powierzchnię. Jako ziarna ścierne stosuje się diament, korund, szmergiel, piasek kwarcowy, węglik boru, węglik krzemu itp.
Za pomocą ultradźwięków można przetwarzać zarówno materiały kruche (szkło, ceramika, kwarc, krzem, german itp.), jak i materiały twarde żaroodporne (stale hartowane i azotowane, stopy twarde), stosowane w szczególności do produkcji wyrobów metalowo-metalowych. narzędzia tnące.
Można wykonać leczenie ultradźwiękowe ścierniwo swobodnie ukierunkowane, na przykład do szlifowania dekoracyjnego i usuwania zadziorów z małych części.
Obróbka wymiarowa za pomocą narzędzia zapewnia dużą dokładność, pozwala na wykonanie otworów przelotowych i nieprzelotowych, wycięć, szlifowanie, znakowanie, grawerowanie i inne operacje.
Oprócz zalet metoda ultradźwiękowa ma również wady: stosunkowo małą powierzchnię i głębokość obróbki, duże zużycie energii, niską wydajność procesu i duże zużycie narzędzi.
Obróbka wyładowań elektrycznych
Metody przetwarzania wyładowań elektrycznych mają zastosowanie do wszystkich materiałów przewodzących. Metody te opierają się na zjawisku erozji (zniszczenia) powierzchni elektrod przewodzących na skutek wyładowań, gdy pomiędzy nimi przepływa pulsacyjny prąd elektryczny.
Zniszczenie materiału następuje w wyniku jego lokalnego stopienia i uwolnienia stopionego materiału w postaci mieszaniny para-ciecz.
Wszystkie rodzaje obróbki elektroerozyjnej przeprowadzamy w środowisku ciekłym – nafcie, oleju naftowym, wodzie destylowanej.
Kiedy wyładowanie iskrowe przechodzi przez ciecz, rozpoczyna się szybkie tworzenie się gazu, w wyniku czego ciecz eksploduje, co pomaga usunąć produkty erozji z obszaru roboczego. Dodatkowo płyn roboczy zapobiega utlenianiu powierzchni obrabianego materiału.
Główne rodzaje metod wyładowań elektrycznych to iskra elektryczna i obróbka anodowo-mechaniczna.
Obróbka iskrą elektryczną znajduje szerokie zastosowanie w produkcji narzędzi do produkcji matryc, form odlewniczych i form, a także w podstawowej produkcji do obróbki wymiarowej detali o skomplikowanych profilach, wykonanych z trudnoobrabialnych materiałów przewodzących prąd elektryczny. Za jego pomocą można wykonywać otwory przelotowe i nieprzelotowe o różnych konfiguracjach, zakrzywione szczeliny i rowki, wycinać skomplikowany kontur, znakować części, usuwać zepsute narzędzia z detali itp.
Schemat ideowy instalacji pokazano na rys. 18.57, o. Źródło zasilania - generator 3 impulsy jednobiegunowe ładują kondensator 5 aż do napięcia przebicia w szczelinie pomiędzy elektrodą a narzędziem 2 i obrabianego przedmiotu 1. Podczas awarii energia zgromadzona przez kondensator 5 jest natychmiast uwalniana w postaci wyładowania.
Ze względu na krótki czas wyładowania, przedmiot obrabiany i elektroda robocza praktycznie nie nagrzewają się, choć główna część zgromadzonej energii zamieniana jest na ciepło wykorzystywane do topienia i odparowania obrabianego materiału.
Pod wpływem licznych wyładowań w obrabianym materiale tworzy się wgłębienie będące odciskiem końcówki elektrody-narzędzia. Maszyny do obróbki iskrą elektryczną wyposażone są w programowe urządzenia sterujące, które zapewniają stałą szczelinę pomiędzy przedmiotem obrabianym a narzędziem, ruch wzdłużny narzędzia oraz kontrolę posuwu. Przebieg procesu zależy od częstotliwości powtarzania impulsów, energii wyładowania, właściwości obrabianego materiału, materiału i kształtu narzędzia elektrodowego. Przy optymalnych warunkach przetwarzania ustawionych za pomocą zmiennej rezystancji 4, konfiguracja części jest zapewniona z błędem ± 0,005 mm.
Przetwarzanie elektroda profilowa służy do wykonywania otworów przelotowych i nieprzelotowych o różnych kształtach przekrojów.
Obecnie najpowszechniej stosowaną metodą jest metoda obróbki iskrą elektryczną. drut elektrodowy nieprofilowany. W tym przypadku (ryc. 18.57.6) drut elektrodowy 2 o średnicy 0,02 - 0,5 mm (w zależności od wymaganej dokładności przetwarzania) jest przewijany z określoną prędkością z szpuli podającej 4 do szpuli odbiorczej 1 , odtwarzając dowolny kontur. Podczas wycinania zamkniętego konturu w przedmiocie obrabianym 3 przewidziano otwór technologiczny.
Anodowa obróbka mechaniczna (ryc. 18.57, V) przeprowadzane podczas włączania obrabianego przedmiotu 1 w obwód prądu stałego jako anodę i narzędzie robocze - dysk 2 jako katoda. Do szczeliny doprowadzany jest płyn roboczy (roztwór płynnego szkła podczas obróbki zgrubnej lub roztwór chlorku sodu lub siarczanu sodu podczas obróbki wykańczającej). Podczas obróbki anodowo-mechanicznej metal przedmiotu obrabianego poddawany jest anodowemu (elektrochemicznemu) rozpuszczaniu, a także miejscowemu topieniu pod wpływem wyładowań, jak w przypadku obróbki iskrą elektryczną, oraz mechanicznemu działaniu narzędzia usuwającego warstwę tlenku i roztopiony metal.
Wydajność procesu jest 2 - 3 razy większa niż w przypadku obróbki konwencjonalnej. Metodę tę stosuje się do szlifowania, honowania otworów cylindrycznych, polerowania, cięcia. Anodową obróbkę mechaniczną można połączyć z obróbką ścierną, stosując jako narzędzie przewodzący elektrycznie dysk ścierny lub dodając ścierniwo do cieczy roboczej.
Proces hartowania iskrowego stosowany jest do utwardzania powierzchni różnych metali i stopów, najczęściej urządzeń matrycowych. W odróżnieniu od wymiarowej obróbki iskrą elektryczną, anoda jest tutaj narzędziem elektrodowym, z którego powierzchni materiał przenoszony jest na obrabiany przedmiot – katodę.
Istota metody polega na tym, że gdy narzędzie zbliża się do przedmiotu obrabianego, następuje pomiędzy nimi iskrowe wyładowanie elektryczne, które topi materiał anody. W pierwszym etapie kropla stopionego metalu zostaje podgrzana do wysokiej temperatury, wrze, a metal anodowy w postaci małych cząstek wpada do katody. Po dotarciu do katody stopione cząstki są do niej przyspawane. W kolejnym etapie przez gorącą część katody przechodzi drugi impuls prądowy, któremu towarzyszy mechaniczne uderzenie anody w katodę, podczas którego metal anody zostaje zgrzany z powierzchnią katody, czemu towarzyszą reakcje chemiczne, procesy dyfuzyjne i zjawiska charakterystyczne dla kucia.
Jako materiał anodowy do hartowania narzędzi skrawających (frezy, frezy, wiertła, noże itp.) stosuje się stopy twarde różnych gatunków, żelazochrom i grafit. Zużycie tych materiałów jest niewielkie.
Ultradźwięk
Ultradźwięk- drgania sprężyste o częstotliwości przekraczającej granicę słyszalności dla człowieka. Zwykle za zakres ultradźwiękowy uważa się częstotliwości powyżej 18 000 herców.
Choć o istnieniu ultradźwięków wiadomo już od dawna, to ich praktyczne zastosowanie jest stosunkowo młode. Obecnie ultradźwięki są szeroko stosowane w różnych metodach fizycznych i technologicznych. Zatem prędkość rozchodzenia się dźwięku w ośrodku służy do oceny jego właściwości fizycznych. Pomiary prędkości przy częstotliwościach ultradźwiękowych pozwalają z bardzo małymi błędami określić m.in. charakterystykę adiabatyczną szybkich procesów, ciepło właściwe gazów czy stałe sprężystości ciał stałych.
Źródła ultradźwięków
Częstotliwość drgań ultradźwiękowych stosowanych w przemyśle i biologii mieści się w przedziale kilku MHz. Drgania takie powstają najczęściej przy użyciu przetworników piezoceramicznych wykonanych z tytanitu baru. W przypadkach, gdzie najważniejsza jest moc drgań ultradźwiękowych, najczęściej stosuje się mechaniczne źródła ultradźwięków. Początkowo wszystkie fale ultradźwiękowe odbierane były mechanicznie (kamertony, gwizdki, syreny).
W przyrodzie ultradźwięki występują zarówno jako składniki wielu naturalnych dźwięków (w szumie wiatru, wodospadu, deszczu, w szumie kamieni toczonych przez fale morskie, w dźwiękach towarzyszących wyładowaniom burzowym itp.), jak i wśród dźwięków. świata zwierząt. Niektóre zwierzęta wykorzystują fale ultradźwiękowe do wykrywania przeszkód i nawigacji w przestrzeni.
Emitery ultradźwięków można podzielić na dwie duże grupy. Pierwsza obejmuje emitery-generatory; drgania w nich są wzbudzane z powodu obecności przeszkód na drodze stałego przepływu - strumienia gazu lub cieczy. Drugą grupą emiterów są przetworniki elektroakustyczne; przetwarzają dane już wahania napięcia lub prądu elektrycznego na drgania mechaniczne ciała stałego, które emituje do otoczenia fale akustyczne.
Gwizdek Galtona
Pierwszy gwizdek ultradźwiękowy został wykonany w 1883 roku przez Anglika Galtona. Ultradźwięki powstają w tym przypadku podobnie do wysokiego dźwięku wydobywającego się z krawędzi noża, gdy uderza w niego strumień powietrza. Rolę takiej końcówki w gwizdku Galtona pełni „warga” w małej cylindrycznej wnęce rezonansowej. Gaz przepychany pod wysokim ciśnieniem przez wydrążony cylinder uderza w tę „wargę”; powstają oscylacje, których częstotliwość (około 170 kHz) jest określona przez wielkość dyszy i wargi. Moc gwizdka Galtona jest niska. Służy głównie do wydawania poleceń podczas szkolenia psów i kotów.
Płynny gwizdek ultradźwiękowy
Większość gwizdków ultradźwiękowych można przystosować do pracy w środowisku płynnym. W porównaniu do elektrycznych źródeł ultradźwięków, płynne gwizdki ultradźwiękowe mają małą moc, ale czasami, na przykład w przypadku homogenizacji ultradźwiękowej, mają znaczną przewagę. Ponieważ fale ultradźwiękowe powstają bezpośrednio w ośrodku ciekłym, nie ma strat energii fal ultradźwiękowych podczas przechodzenia z jednego ośrodka do drugiego. Być może najbardziej udanym projektem jest płynny gwizdek ultradźwiękowy wykonany przez angielskich naukowców Cottela i Goodmana na początku lat 50. XX wieku. W nim strumień cieczy pod wysokim ciśnieniem opuszcza dyszę eliptyczną i kierowany jest na stalową płytę. Różne modyfikacje tego projektu stały się dość powszechne w celu uzyskania jednorodnych mediów. Ze względu na prostotę i stabilność konstrukcji (zniszczeniu ulega jedynie płyta oscylacyjna), systemy takie są trwałe i niedrogie.
Syrena
Innym rodzajem mechanicznego źródła ultradźwięków jest syrena. Ma stosunkowo dużą moc i jest stosowany w pojazdach policji i straży pożarnej. Wszystkie sygnalizatory obrotowe składają się z komory zamkniętej od góry dyskiem (stojanem), w którym wykonana jest duża liczba otworów. Taka sama liczba otworów znajduje się na tarczy obracającej się wewnątrz komory – wirniku. Gdy wirnik się obraca, położenie w nim otworów okresowo pokrywa się z położeniem otworów na stojanie. Do komory w sposób ciągły dostarczane jest sprężone powietrze, które z niej uchodzi w tych krótkich momentach, gdy otwory na wirniku i stojanie pokrywają się.
Głównym zadaniem w produkcji syren jest, po pierwsze, wykonanie jak największej liczby otworów w wirniku, a po drugie, osiągnięcie dużej prędkości obrotowej. Jednak w praktyce spełnienie obu tych wymagań jest bardzo trudne.
Ultradźwięki w przyrodzie
Zastosowania ultradźwiękowe
Diagnostyczne zastosowania ultradźwięków w medycynie (ultradźwięki)
Ze względu na dobrą propagację ultradźwięków w tkankach miękkich człowieka, ich względną nieszkodliwość w porównaniu do promieni rentgenowskich oraz łatwość stosowania w porównaniu z rezonansem magnetycznym, ultradźwięki znajdują szerokie zastosowanie w obrazowaniu stanu narządów wewnętrznych człowieka, zwłaszcza jamy brzusznej i miednicy. .
Terapeutyczne zastosowania ultradźwięków w medycynie
Oprócz szerokiego zastosowania w celach diagnostycznych (patrz USG), ultradźwięki są stosowane w medycynie jako środek terapeutyczny.
Ultradźwięki mają następujące skutki:
- przeciwzapalne, chłonne
- przeciwbólowe, przeciwskurczowe
- Kawitacyjne zwiększenie przepuszczalności skóry
Fonoforeza to metoda łączona, podczas której tkanka poddawana jest działaniu ultradźwięków i wprowadzanych za ich pomocą substancji leczniczych (zarówno leków, jak i pochodzenia naturalnego). Przewodnictwo substancji pod wpływem ultradźwięków wynika ze wzrostu przepuszczalności naskórka i gruczołów skórnych, błon komórkowych i ścian naczyń dla substancji o małej masie cząsteczkowej, zwłaszcza jonów mineralnych biszofitu. Wygoda ultrafonoforezy leków i substancji naturalnych:
- substancja lecznicza nie ulega zniszczeniu podczas podawania za pomocą ultradźwięków
- synergizm pomiędzy ultradźwiękami i substancjami leczniczymi
Wskazania do fonoforezy biszofitowej: choroba zwyrodnieniowa stawów, osteochondroza, zapalenie stawów, zapalenie kaletki, zapalenie nadkłykcia, ostroga piętowa, stany po urazach narządu ruchu; Zapalenie nerwu, neuropatie, zapalenie korzonków nerwowych, nerwobóle, uszkodzenia nerwów.
Nakłada się żel biszofitowy i przeprowadza się mikromasaż obszaru zabiegowego za pomocą powierzchni roboczej emitera. Technika jest labilna, typowa dla ultrafonoforezy (przy UVF stawów i kręgosłupa natężenie w odcinku szyjnym wynosi 0,2-0,4 W/cm2, w odcinku piersiowym i lędźwiowym 0,4-0,6 W/cm2).
Cięcie metalu za pomocą ultradźwięków
Na konwencjonalnych maszynach do cięcia metalu nie można wywiercić wąskiego otworu o złożonym kształcie, na przykład w postaci pięcioramiennej gwiazdy, w części metalowej. Jest to możliwe przy pomocy ultradźwięków, wibrator magnetostrykcyjny może wywiercić otwór o dowolnym kształcie. Dłuto ultradźwiękowe całkowicie zastępuje frezarkę. Ponadto takie dłuto jest znacznie prostsze niż frezarka, a obróbka za jego pomocą części metalowych jest tańsza i szybsza niż frezarką.
Ultradźwięki można nawet wykorzystać do wykonywania nacięć śrubowych w częściach metalowych, szkle, rubinie i diamencie. Zazwyczaj gwint jest najpierw wykonany z miękkiego metalu, a następnie część jest hartowana. Na maszynie ultradźwiękowej gwinty można wykonać w już hartowanym metalu oraz w najtwardszych stopach. Podobnie jest ze znaczkami. Zwykle stempel jest utwardzany po dokładnym wykończeniu. Na maszynie ultradźwiękowej najbardziej złożoną obróbkę przeprowadza się za pomocą materiału ściernego (szmergiel, proszek korundowy) w polu fali ultradźwiękowej. Ciągle oscylując w polu ultradźwiękowym, cząstki stałego proszku wcinają się w obrabiany stop i wycinają otwór o tym samym kształcie co dłuto.
Przygotowanie mieszanin za pomocą ultradźwięków
Ultradźwięki są szeroko stosowane do przygotowania jednorodnych mieszanin (homogenizacja). Już w 1927 roku amerykańscy naukowcy Leamus i Wood odkryli, że jeśli do jednej zlewki wleje się dwie niemieszające się ciecze (na przykład olej i wodę) i podda działaniu ultradźwięków, w zlewce tworzy się emulsja, czyli drobna zawiesina oleju w woda. Emulsje takie odgrywają ważną rolę w przemyśle: lakiery, farby, produkty farmaceutyczne, kosmetyki.
Zastosowanie ultradźwięków w biologii
Zdolność ultradźwięków do rozrywania błon komórkowych znalazła zastosowanie w badaniach biologicznych, np. gdy konieczne jest oddzielenie komórki od enzymów. Ultradźwięki wykorzystuje się także do niszczenia struktur wewnątrzkomórkowych, takich jak mitochondria i chloroplasty, w celu badania związku pomiędzy ich strukturą i funkcją. Inne zastosowanie ultradźwięków w biologii wiąże się z jego zdolnością do wywoływania mutacji. Badania przeprowadzone w Oksfordzie wykazały, że nawet ultradźwięki o niskiej intensywności mogą uszkodzić cząsteczkę DNA. Sztuczne, ukierunkowane tworzenie mutacji odgrywa ważną rolę w hodowli roślin. Główną przewagą ultradźwięków nad innymi mutagenami (promieniami rentgenowskimi, ultrafioletowymi) jest to, że niezwykle łatwo się z nimi pracuje.
Zastosowanie ultradźwięków do czyszczenia
Zastosowanie ultradźwięków do czyszczenia mechanicznego opiera się na występowaniu różnych zjawisk nieliniowych w cieczy znajdującej się pod jej wpływem. Należą do nich kawitacja, przepływy akustyczne i ciśnienie akustyczne. Główną rolę odgrywa kawitacja. Jego pęcherzyki powstające i zapadające się w pobliżu zanieczyszczeń niszczą je. Efekt ten jest znany jako erozja kawitacyjna. Wykorzystywane do tych celów ultradźwięki mają niskie częstotliwości i zwiększoną moc.
W warunkach laboratoryjnych i produkcyjnych kąpiele ultradźwiękowe wypełnione rozpuszczalnikiem (wodą, alkoholem itp.) służą do mycia drobnych części i naczyń. Czasami za ich pomocą nawet warzywa korzeniowe (ziemniaki, marchew, buraki itp.) są zmywane z cząstek gleby.
Zastosowanie ultradźwięków w pomiarze przepływu
Od lat 60-tych ubiegłego wieku w przemyśle stosuje się przepływomierze ultradźwiękowe do kontroli przepływu i rozliczania wody i chłodziwa.
Zastosowanie ultradźwięków w wykrywaniu wad
Ultradźwięki dobrze rozchodzą się w niektórych materiałach, co pozwala na wykorzystanie ich do ultradźwiękowego wykrywania wad wyrobów wykonanych z tych materiałów. W ostatnim czasie rozwija się kierunek mikroskopii ultradźwiękowej, która umożliwia badanie warstwy przypowierzchniowej materiału z dobrą rozdzielczością.
Spawanie ultradźwiękowe
Zgrzewanie ultradźwiękowe to zgrzewanie ciśnieniowe przeprowadzane pod wpływem drgań ultradźwiękowych. Ten rodzaj spawania stosuje się do łączenia części trudno nagrzewających się lub przy łączeniu różnych metali lub metali z mocnymi warstwami tlenkowymi (aluminium, stal nierdzewna, rdzenie magnetyczne wykonane z permalloju itp.). Do produkcji układów scalonych wykorzystuje się zgrzewanie ultradźwiękowe.
Zastosowanie ultradźwięków w galwanotechnice
Ultradźwięki służą do intensyfikacji procesów galwanicznych i poprawy jakości powłok wytwarzanych metodami elektrochemicznymi.
Fale mechaniczne o częstotliwości drgań większej niż 20 000 Hz nie są odbierane przez człowieka jako dźwięk. Wezwania fale ultradźwiękowe lub ultradźwięki. Ultradźwięki są silnie absorbowane przez gazy, a znacznie słabiej przez ciała stałe i ciecze. Dlatego fale ultradźwiękowe mogą rozprzestrzeniać się na znaczne odległości tylko w ciałach stałych i cieczach.
Ponieważ energia przenoszona przez fale jest proporcjonalna do gęstości ośrodka i kwadratu częstotliwości, ultradźwięki mogą przenosić znacznie więcej energii niż fale dźwiękowe. Inną ważną właściwością ultradźwięków jest to, że ich ukierunkowane promieniowanie jest stosunkowo proste. Wszystko to pozwala na szerokie zastosowanie ultradźwięków w technologii.
Opisane właściwości ultradźwięków znajdują zastosowanie w echosondzie - urządzeniu do określania głębokości morza (ryc. 25.11). Statek wyposażony jest w źródło i odbiornik ultradźwięków o określonej częstotliwości.Źródło wysyła krótkotrwałe impulsy ultradźwiękowe, a odbiornik odbiera odbite impulsy. Znając czas pomiędzy wysłaniem i odebraniem impulsów oraz prędkość rozchodzenia się ultradźwięków w wodzie, głębokość morza wyznacza się ze wzoru l = vt/2. Podobnie działa lokalizator ultradźwiękowy, który służy do określenia odległości do przeszkody na drodze statku w kierunku poziomym.. W przypadku braku takich przeszkód impulsy ultradźwiękowe nie wracają na statek.
Co ciekawe, niektóre zwierzęta, np. nietoperze, mają narządy działające na zasadzie lokalizatora ultradźwiękowego, co pozwala im dobrze poruszać się w ciemności. Delfiny mają doskonałe lokalizatory ultradźwiękowe.
Kiedy ultradźwięki przechodzą przez ciecz, cząstki cieczy uzyskują duże przyspieszenia i silnie oddziałują na różne ciała umieszczone w cieczy. Wykorzystuje się to do przyspieszania różnorodnych procesów technologicznych.(na przykład przygotowywanie roztworów, mycie części, garbowanie skóry itp.).
Przy intensywnych drganiach ultradźwiękowych w cieczy jej cząsteczki uzyskują tak duże przyspieszenia, że w cieczy tworzą się na krótki czas pęknięcia ( pustka), które gwałtownie się zatrzaskują, powodując wiele małych uderzeń, tj. następuje kawitacja. W takich warunkach ciecz wykazuje silne działanie kruszące, które wykorzystuje się do przygotowania zawiesin składających się z zatomizowanych cząstek ciała stałego w cieczy oraz emulsji - zawiesiny małych kropelek jednej cieczy w drugiej.
Ultradźwięki służą do wykrywania wad części metalowych. We współczesnej technologii zastosowanie ultradźwięków jest tak szerokie, że trudno nawet wymienić wszystkie obszary jego zastosowania.
Należy pamiętać, że fale mechaniczne o częstotliwości oscylacji mniejszej niż 16 Hz nazywane są falami infradźwiękowymi lub infradźwiękami. Nie powodują również wrażeń słyszalnych. Fale infradźwiękowe powstają na morzu podczas huraganów i trzęsień ziemi. Prędkość propagacji infradźwięków w wodzie jest znacznie większa niż prędkość huraganu czy gigantycznej fali tsunami generowanej przez trzęsienie ziemi. Dzięki temu niektóre zwierzęta morskie posiadające zdolność odbierania fal infradźwiękowych odbierają w ten sposób sygnały o zbliżającym się niebezpieczeństwie.
Ultradźwięk- elastyczne drgania dźwiękowe o wysokiej częstotliwości. Ucho ludzkie odbiera fale sprężyste rozchodzące się w ośrodku z częstotliwością około 16-20 kHz; Drgania o wyższej częstotliwości to ultradźwięki (powyżej granicy słyszalności). Zazwyczaj za zakres ultradźwiękowy uważa się zakres częstotliwości od 20 000 do miliarda Hz. Wibracje dźwiękowe o wyższej częstotliwości nazywane są hiperdźwiękami. W cieczach i ciałach stałych wibracje dźwiękowe mogą sięgać 1000 GHz [
Choć o istnieniu ultradźwięków naukowcy wiedzieli już od dawna, to stosunkowo niedawno rozpoczęło się ich praktyczne zastosowanie w nauce, technologii i przemyśle. Obecnie ultradźwięki są szeroko stosowane w różnych dziedzinach fizyki, technologii, chemii i medycyny.
Zastosowanie ultradźwięków [Diagnostyczne zastosowanie ultradźwięków w medycynie (ultradźwięki)
Ze względu na dobrą propagację ultradźwięków w tkankach miękkich człowieka, ich względną nieszkodliwość w porównaniu do promieni rentgenowskich oraz łatwość stosowania w porównaniu z rezonansem magnetycznym, ultradźwięki znajdują szerokie zastosowanie w obrazowaniu stanu narządów wewnętrznych człowieka, zwłaszcza jamy brzusznej i miednicy.
Terapeutyczne zastosowania ultradźwięków w medycynie
Oprócz szerokiego zastosowania w celach diagnostycznych (patrz USG), ultradźwięki są stosowane w medycynie jako środek terapeutyczny.
Ultradźwięki mają następujące skutki:
przeciwzapalne, chłonne
przeciwbólowe, przeciwskurczowe
Kawitacyjne zwiększenie przepuszczalności skóry
Fonoforeza to metoda łączona, podczas której tkanka poddawana jest działaniu ultradźwięków i wprowadzanych za ich pomocą substancji leczniczych (zarówno leków, jak i pochodzenia naturalnego). Przewodnictwo substancji pod wpływem ultradźwięków wynika ze wzrostu przepuszczalności naskórka i gruczołów skórnych, błon komórkowych i ścian naczyń dla substancji o małej masie cząsteczkowej, zwłaszcza jonów mineralnych biszofitu. Wygoda ultrafonoforezy leków i substancji naturalnych:
substancja lecznicza nie ulega zniszczeniu podczas podawania za pomocą ultradźwięków
synergizm pomiędzy ultradźwiękami i substancjami leczniczymi
Wskazania do fonoforezy biszofitowej: choroba zwyrodnieniowa stawów, osteochondroza, zapalenie stawów, zapalenie kaletki, zapalenie nadkłykcia, ostroga piętowa, stany po urazach narządu ruchu; Zapalenie nerwu, neuropatie, zapalenie korzonków nerwowych, nerwobóle, uszkodzenia nerwów.
Nakłada się żel biszofitowy i przeprowadza się mikromasaż obszaru zabiegowego za pomocą powierzchni roboczej emitera. Technika jest labilna, typowa dla ultrafonoforezy (przy UVF stawów i kręgosłupa natężenie w odcinku szyjnym wynosi 0,2-0,4 W/cm2, w odcinku piersiowym i lędźwiowym 0,4-0,6 W/cm2).
11. Infradźwięki i ich wpływ na organizm
Infradźwięki(od łac. infra- poniżej, pod) - fale sprężyste, podobne do fal dźwiękowych, ale o częstotliwości niższej niż odbierana przez ludzkie ucho. Za górną granicę zakresu częstotliwości infradźwięków przyjmuje się zwykle 16–25 Hz. Dolna granica zakresu infradźwięków jest umownie definiowana jako 0,001 Hz. W praktyce interesujące mogą być oscylacje w zakresie od dziesiątych, a nawet setnych herca, czyli z okresami kilkudziesięciu sekund. Charakter występowania oscylacji infradźwiękowych jest taki sam jak dźwięku słyszalnego, dlatego infradźwięki podlegają tym samym prawom, i do jego opisu używa się tego samego aparatu matematycznego, co w przypadku zwykłego dźwięku słyszalnego (z wyjątkiem pojęć związanych z poziomem dźwięku). Infradźwięki są słabo pochłaniane przez ośrodek, dlatego mogą rozprzestrzeniać się na znaczne odległości od źródła. Ze względu na bardzo dużą długość fali występuje wyraźna dyfrakcja.Infradźwięki powstające w morzu nazywane są jedną z możliwych przyczyn odnajdywania porzuconych przez załogę statków (patrz Trójkąt Bermudzki, Ghost Ship).