Где помимо медицины используется ультразвук. Ультразвук

Механические волны с частотой колебания, большей 20 000 Гц, не воспринимаются человеком как звук. Из называют ультразвуковыми волнами или ультразвуком . Ультразвук сильно поглощается газами и во много раз слабее - твердыми веществами и жидкостями. Поэтому ультразвуковые волны могут распространяться на значительные расстояния только в твердых телах и жидкостях.

Так как энергия, которую переносят волны, пропорциональна плотности среды и квадрату частоты, то ультразвук может переносить энергию, намного большую, чем звуковые волны. Еще одно важное свойство ультразвука заключается в том, что сравнительно просто осуществляется его направленное излучение. Все это позволяет широко использовать ультразвук в технике.

Описанные свойства ультразвука используются в эхолоте - приборе для определения глубины моря (рис. 25,11). Корабль снабжают источником и приемником ультразвука определенной частоты. Источник отправляет кратковременные ультразвуковые импульсы, а приемник улавливает отраженные импульсы. Зная время между отправлением и приемом импульсов и скорость распространения ультразвука в воде, с помощью формулы l = vt/2 определяют глубину моря. Аналогично действует ультразвуковой локатор, которым пользуются для определения расстояния до препятствия на пути корабля в горизонтальном направлении . При отсутствии таких препятствий ультразвуковые импульсы не возвращаются к кораблю.

Интересно, что некоторые животные, например, летучие мыши, имеют органы, действующие по принципу ультразвукового локатора, что позволяет им хорошо ориентироваться в темноте. Совершенный ультразвуковой локатор имеют дельфины.

При прохождении ультразвука через жидкость частицы жидкости приобретают большие ускорения и сильно воздействуют на различные тела, помещенные в жидкость. Это используют для ускорения самых различных технологических процессов (например, приготовления растворов, отмывки деталей, дубления кож и т. д.).

При интенсивных ультразвуковых колебаниях в жидкости ее частицы приобретают такие большие ускорения, что в жидкости образуются на короткое время разрывы (пустоты ), которые резко захлопываются, создавая множество маленьких ударов, т. е. происходит кавитация. В таких условиях жидкость оказывает сильное дробящее действие, что используется для приготовления суспензий, состоящих из распыленных частиц твердого тела в жидкости, и эмульсий - взвесей мелких капелек одной жидкости в другой.

Ультразвук применяется для обнаружения дефектов в металлических деталях. В современной технике применение ультразвука столь обширно, что трудно даже перечислить все области его использования.

Заметим, что механические волны с частотой колебаний меньше 16 Гц называют инфразвуковыми волна ми или инфразвуком. Они также не вызывают звуковых ощущений. Инфразвуковые волны возникают на море во время ураганов и землетрясений. Скорость распространения инфразвука в воде гораздо больше, чем скорость перемещения урагана или гигантских волн цунами, образующихся при землетрясении. Это позволяет некоторым морским животным, обладающим способностью воспринимать инфразвуковые волны, получать таким путем сигналы о приближающейся опасности.

Ультразвуком называют упругие волны (волны, распространяющиеся в жидких, твёрдых и газообразных средах за счёт действия упругих сил), частота которых лежит за пределами слышимого для человека диапазона - приблизительно от 20 кГц и выше.

Полезные особенности ультразвуковых волн

И хотя физически ультразвук имеет ту же природу, что и слышимый звук, отличаясь лишь условно (более высокой частотой), именно благодаря более высокой частоте ультразвук оказывается применим по ряду полезных направлений. Так, при измерении скорости ультразвука в твердом, жидком или газообразном веществе, получают очень незначительные погрешности при мониторинге быстропротекающих процессов, при определении удельной теплоемкости (газа), при измерении упругих постоянных твердых тел.

Высокая частота при малых амплитудах дает возможность достигать повышенных плотностей потоков энергии, ибо энергия упругой волны пропорциональна квадрату ее частоты. Кроме того ультразвуковые волны, используемые правильным образом позволяют получить ряд совершенно особенных акустических эффектов и явлений.

Одно из таких необычных явлений - акустическая кавитация, возникающая при направлении мощной ультразвуковой волны в жидкость. В жидкости, в поле действия ультразвука, крохотные пузырьки пара или газа (субмикроскопического размера) начинают расти до долей миллиметров в диаметре, при этом пульсируя с частотой волны и схлопываясь в положительной фазе давления.

Захлопывающийся пузырек порождает локально высокий импульс давления, измеряемый тысячами атмосфер, становясь источником ударных сферических волн. Акустические микропотоки, образующиеся возле таких пульсирующих пузырьков, возымели полезное применение для получения эмульсий, очистки деталей и т. д.

Фокусируя ультразвук, получают звуковые изображения в акустической голографии и в системах звуковидения, концентрируют звуковую энергию с целью формирования направленных излучений с заданными и управляемыми характеристиками направленности.

Используя ультразвуковую волну в качестве дифракционной решетки для света, можно для тех или иных целей изменять показатели преломления света, поскольку плотность в ультразвуковой волне, как и в упругой волне в принципе, периодически изменяется.

Наконец, особенности, связанные со скоростью распространения ультразвука. В неорганических средах ультразвук распространяется со скоростью, зависящей от упругости и плотности сред.

Что касается сред органических, то здесь на скорость влияют границы и их характер, то есть фазовая скорость зависит от частоты (дисперсия). Ультразвук затухает с удалением фронта волны от источника - фронт расходится, ультразвук рассеивается, поглощается.

Внутреннее трение среды (сдвиговая вязкость) приводит к классическому поглощению ультразвука, кроме того релаксационное поглощение для ультразвука превосходит классическое. В газе ультразвук затухает сильнее, в твердых и в жидких телах - гораздо слабее. В воде, например, затухает в 1000 раз медленнее чем в воздухе. Так, промышленные области применения ультразвука почти целиком связаны с твердыми и жидкими телами.

Ультразвук в эхолокации и гидролокации (пищевая, оборонная, добывающая промышленности)

Первый прообраз гидролокатора был создан для предотвращения столкновений судов со льдинами и айсбергами, русским инженером Шиловским вместе с французским физиком Ланжевеном в далеком 1912 году.

Прибор использовал принцип отражения и приема звуковой волны. Сигнал направлялся в определенную точку, а по задержке ответного сигнала (эхо), зная скорость звука, можно было судить о расстоянии до отразившего звук препятствия.

Шиловский и Ланжевен стали глубоко исследовать гидроакустику, и вскоре создали прибор, способный обнаруживать вражеские подводные лодки в Средиземном море на расстоянии до 2 километров. Все современные гидролокаторы, в том числе военные, - потомки того самого прибора.

Современные эхолоты для исследования рельефа дна состоят из четырех блоков: передатчика, приемника, преобразователя и экрана. Функция передатчика - отправлять вглубь воды ультразвуковые импульсы (50 кГц, 192 кГц или 200 кГц), которые распространяются в воде со скоростью 1,5 км/с, где отражаются от рыб, камней, других предметов и дна, затем эхо достигает приемника, обрабатывается преобразователем и результат отображается на дисплее в удобной для зрительного восприятия форме.

Ультразвук в электронной и электроэнергетической промышленности

Без ультразвука не обходятся многие области современной физики. Физика твердого тела и полупроводников, а также акустоэлектроника, во многом тесно сопряжены с ультразвуковыми методами исследований, - с воздействиями на частоте от 20 кГц и выше. Особенное место занимает здесь акустоэлектроника, где ультразвуковые волны взаимодействуют с электрическими полями и электронами внутри твердых тел.

Объемные ультразвуковые волны используются на линиях задержки и в кварцевых резонаторах с целью стабилизации частоты в современных радиоэлектронных системах обработки и передачи информации. Поверхностные акустические волны занимают особое место в полосовых фильтрах для телевидения, в синтезаторах частот, в устройствах переноса заряда акустической волной, в устройствах памяти и считывания изображений. Наконец, корреляторы и конвольверы - используют в своей работе поперечный акустоэлектрический эффект.

Радиоэлектроника и ультразвук

Для задержки одного электрического сигнала относительно другого полезны ультразвуковые линии задержки. Электрический импульс преобразуется в импульсное механическое колебание ультразвуковой частоты, которое распространяется многократно медленнее электромагнитного импульса; затем механическое колебание обратно преобразуется в электрический импульс, и получается сигнал, задержанный относительно подаваемого изначально.

Для такого преобразования обычно применяют пьезоэлектрические или магнитострикционные преобразователи, поэтому и линии задержки называются пьезоэлектрическими или магнитострикционными.

В пьезоэлектрической линии задержки электрический сигнал подается на кварцевую пластинку (пьезоэлектрический преобразователь), соединенную жестко с металлическим стрежнем.

К другому концу стержня присоединен второй пьезоэлектрический преобразователь. Входной преобразователь принимает сигнал, создает механические колебания, распространяющиеся по стрежню, и когда колебания достигают через стержень второго преобразователя, вновь получается электрический сигнал.

Скорость распространения колебаний по стержню сильно меньше чем просто у электрического сигнала, поэтому сигнал, прошедший через стержень задерживается относительно подаваемого на величину, связанную с разностью скоростей электромагнитных и ультразвуковых колебаний.

Магнитострикционная линия задержки сдержит входной преобразователь, магниты, звукопровод, выходной преобразователь и поглотители. Входной сигнал подается на первую катушку, в стержневом звукопроводе из магнитострикционного материала начинаются колебания ультразвуковой частоты - механические колебания - магнит создает здесь постоянное подмагничивание в зоне преобразования и начальную магнитную индукцию.

Ультразвук в обрабатывающей промышленности (резка и сварка)

Между источником ультразвука и деталью располагают абразивный материал (кварцевый песок, алмаз, камень и т. д.). Ультразвук действует на частицы абразива, которые в свою очередь с частотой ультразвука ударяют о деталь. Материал детали под воздействием огромного количества крохотных ударов абразивных зерен разрушается, - так происходит обработка.

Резание складывается с движением подачи, при этом продольные колебания резания являются основными. Точность ультразвуковой обработки зависит от зернистости абразива, и достигает 1 мкм. Таким путем делают сложные вырезы, необходимые в изготовлении металлических деталей, шлифовке, гравировке и сверлении.

Если необходимо сварить разнородные металлы (или даже полимеры) или толстую деталь объединить с тонкой пластиной - на помощь опять же приходит ультразвук. Это так называемая . Под действием ультразвука в области сварки металл становится очень пластичным, детали можно очень легко вращать во время соединения под любыми углами. И стоит отключить ультразвук - детали мгновенно соединятся, схватятся.

Особенно примечательно, что сварка происходит при температуре ниже температуры плавления деталей, и соединение их происходит фактически в твердом состоянии. Но так сваривают и стали, и титан, и даже молибден. Тонкие листы свариваются проще всего. Данный метод сварки не предполагает особой подготовки поверхности деталей, это касается и металлов и полимеров.

Ультразвук в металлургии (ультразвуковая дефектоскопия)

Ультразвуковая дефектоскопия является одним из эффективнейших методов контроля качества металлических деталей без разрушения. В однородных средах ультразвук распространяется без быстрых затуханий направленно, и на границе сред ему свойственно отражение. Так металлические детали проверяют на наличие внутри них раковин и трещин (граница сред воздух-металл), выявляют повышенную усталость металла.

Ультразвук способен проникнуть в деталь на глубину до 10 метров, причем размеры выявляемых дефектов имеют порядок 5 мм. Существуют: теневой, импульсный, резонансный, структурного анализа, визуализации, - пять методов ультразвуковой дефектоскопии.

Простейший метод - теневая ультразвуковая дефектоскопия, данный метод строится на ослаблении ультразвуковой волны, когда она наталкивается на дефект при прохождении сквозь деталь, поскольку дефект создает ультразвуковую тень. Работают два преобразователя: первый излучает волну, второй - принимает.

Данный метод малочувствителен, дефект обнаруживается лишь в случае, если его влияние изменяет сигнал минимум на 15%, к тому же нельзя определить глубину, где в детали находится дефект. Более точные результаты дает импульсный ультразвуковой метод, он показывает еще и глубину.

C развитием акустики в конце XIX века был обнаружен ультразвук, тогда же начались первые исследования ультразвука, но основы его применения были заложены только в первой трети XX-века.

Ультразвук и его свойства

В природе ультразвук встречается в качестве компонента многих естественных шумов: в шуме ветра, водопада, дождя, морской гальки, перекатываемой прибоем, в грозовых разрядах. Многие млекопитающие, например кошки и собаки, обладают способностью восприятия ультразвука частотой до 100 кГц, а локационные способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем хорошо известны.

Ультразвук - механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.

Основными параметрами волны являются длина волны, частота и период. Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но, у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике. Вот основные из них:

1. Малая длина волны. Для самого низкого ультразвукового диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя ультразвук распространяется в виде пучков по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, ультразвуковой пучок ведёт себя как световой луч, испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет формировать звуковые изображения в оптически непрозрачных средах, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.).
2. Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.

Возможность получения высоких значений энергии колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.

В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения. Поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические эффекты: физические, химические, биологические и медицинские. Такие как кавитация, звукокапиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.

Потребности морского флота ведущих держав - Англии и Франции, для исследования морских глубин, вызвали интерес многих ученых в области акустики, т.к. это единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. Так в 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола, давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.

Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Фрэнсис Гальтон. Ультразвук создавался подобно свисту на острие ножа, если на него дуть. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух или другой газ, выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на кромку, и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.

В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо "пьезоэлектричество" от греческого слова, означающего "нажать". Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

Гибель «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы с новым оружием - подводными лодками требовали быстрого развития ультразвуковой гидроакустики. В 1914 году, французский физик Поль Ланжевен совместно с талантливым русским учёным-эмигрантом - Константином Васильевичем Шиловским впервые разработали гидролокатор, состоящий из излучателя ультразвука и гидрофона - приёмника УЗ колебаний, основанный на пьезоэффекте. Гидролокатор Ланжевена - Шиловского, был первым ультразвуковым устройством , применявшимся на практике. Тогда же российский ученый С.Я.Соколов разработал основы ультразвуковой дефектоскопии в промышленности. В 1937 году немецкий врач-психиатр Карл Дуссик, вместе с братом Фридрихом, физиком, впервые применили ультразвук для обнаружения опухолей головного мозга, но результаты, полученные ими, оказались недостоверными. В медицинской практике ультразвук впервые стал применяться только с 50-х годов XX-го века в США.

Ультразвук………………………………………………………………….4

Ультразвук как упругие волны……………………………………..4

Специфические особенности ультразвука………………………………..5

Источники и приемники ультразвука……………………………………..7

Механические излучатели…………………………………………...7

Электроакустические преобразователи…………………………….9

Приемники ультразвука……………………………………………..11

Применение ультразвука…………………………………………………...11

Ультразвуковая очистка……………………………………………...11

Механическая обработка сверхтвердых и хрупких

материалов……………………………………………………………13

Ультразвуковая сварка……………………………………………….14

Ультразвуковая пайка и лужение……………………………………14

Ускорение производственных процессов………………..…………15

Ультразвуковая дефектоскопия…………………………..…………15

Ультразвук в радиоэлектронике………………………..……………17

Ультразвук в медицине………………………………..……………..18

Литература…………………………………………………..……………….19

ведение.

Двадцать первый век - век атома, покорения космоса, радиоэлектроники и ультразвука. Наука об ультразвуке сравнительно молодая. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены великим русским ученым-физиком П. Н. Лебедевым в конце XIX, а затем ультразвуком занимались многие видные ученые.

Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности по сравнению со звуками слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне сравнительно легко получить направленное излучение; он хорошо поддается фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает интересные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и техники.

В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое направление химии – ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-технологические процессы. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазомерия, акустоэлектроника.

Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ. Разработаны универсальные и специальные ультразвуковые станки, установки, работающие под повышенным статическим давлением, ультразвуковые механизированные установки для очистки деталей, генераторы с повышенной частотой и новой системой охлаждения, преобразователи с равномерно распределенным полем. Созданы и внедрены в производство автоматические ультразвуковые установки, которые включаются в поточные линии, позволяющие значительно повысить производительность труда.

льтразвук.

Ультразвук (УЗ) – упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 – 20 кГц. Нижняя граница области УЗ-вых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной, так как верхняя граница слухового восприятия у каждого человека своя. Верхняя граница УЗ-вых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. В газах при нормальном давлении верхняя граница частот УЗ составляет » 10 9 Гц, в жидкостях и твердых телах граничная частота достигает 10 12 -10 13 Гц. В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает различными специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область УЗ-вых частот подразделяют на три области:

· низкие УЗ-вые частоты (1,5×10 4 – 10 5 Гц);

· средние (10 5 – 10 7 Гц);

· высокие (10 7 – 10 9 Гц).

Упругие волны с частотами 10 9 – 10 13 Гц принято называть гиперзвуком.

Ультразвук как упругие волны.

УЗ-вые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона. В газах и жидкостях распространяются только продольные волны, а в твердых телах – продольные и сдвигов ые.

Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общими для акустических волн любого диапазона частот. К основным законам распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды. Существенную роль при этом играет соотношение между длиной волны звука l и геометрическим размером D – размером источника звука или препятствия на пути волны, размером неоднородностей среды. При D>>l распространение звука вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрической акустики (можно пользоваться законами отражения и преломления). Степень отклонения от геометрической картины распространения и необходимость учета дифракционных явлений определяются параметром

, где r – расстояние от точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию.

Скорость распространения УЗ-вых волн в неограниченной среде определяется характеристиками упругости и плотностью среды. В ограниченных средах на скорость распространения волн влияет наличие и характер границ, что приводит к частотной зависимости скорости (дисперсия скорости звука). Уменьшение амплитуды и интенсивности УЗ-вой волны по мере ее распространения в заданном направлении, то есть затухание звука, вызывается, как и для волн любой частоты, расхождением фронта волны с удалением от источника, рассеянием и поглощением звука. На всех частотах как слышимого, так и неслышимых диапазонов имеет место так называемое «классическое» поглощение, вызванное сдвиговой вязкостью (внутренним трением) среды. Кроме того, существует дополнительное (релаксационное) поглощение, часто существенно превосходящее «классическое» поглощение.

При значительной интенсивности звуковых волн появляются нелинейные эффекты:

· нарушается принцип суперпозиции и возникает взаимодействие волн, приводящее к появлению тонов;

· изменяется форма волны, ее спектр обогащается высшими гармониками и соответственно растет поглощение;

· при достижении некоторого порогового значения интенсивности УЗ в жидкости возникает кавитация (см. ниже).

Критерием применимости законов линейной акустики и возможности пренебрежения нелинейными эффектами является: М << 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Параметр М называется «число Маха».

пецифические особенности ультразвука

Хотя физическая природа УЗ и определяющие его распространение основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей. Эти особенности обусловлены относительно высокими частотами УЗ.

Малость длины волны определяет лучевой характер распространения УЗ-вых волн. Вблизи излучателя волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные препятствия такой пучок (УЗ луч) испытывает отражение и преломление. При попадании луча на малые препятствия возникает рассеянная волна, что позволяет обнаруживать в среде малые неоднородности (порядка десятых и сотых долей мм.). Отражение и рассеяние УЗ на неоднородностях среды позволяют формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов, используя звуковые фокусирующие системы, подобно тому, как это делается с помощью световых лучей.

Фокусировка УЗ позволяет не только получать звуковые изображения (системы звуковидения и акустической голографии), но и концентрировать звуковую энергию. С помощью УЗ-вых фокусирующих систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими.

Периодическое изменение показателя преломления световых волн, связанное с изменением плотности в УЗ-волне, вызывает дифракцию света на ультразвуке , наблюдаемую на частотах УЗ мегагерцевого-гигагерцевого диапазона. УЗ волну при этом можно рассматривать как дифракционную решетку.

Важнейшим нелинейным эффектом в УЗ-вом поле является кавитация – возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их схлопывание, слияние друг с другом и т.д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия ), возникает перемешивание жидкости, инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы. Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты, например с ростом частоты УЗ увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с увеличением давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий. Увеличение частоты приводит к повышению порогового значения интенсивности, соответствующей началу кавитации, которое зависит от рода жидкости, ее газосодержания, температуры и т.д.. Для воды при атмосферном давлении оно обычно составляет 0,3¸1,0 Вт/см 2 . Кавитация – сложный комплекс явлений. УЗ-вые волны, распространяющиеся в жидкости, образуют чередующиеся области высоких и низких давлений, создающих зоны высоких сжатий и зоны разрежений. В разреженной зоне гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил межмолекулярного сцепления. В результате резкого изменения гидростатического равновесия жидкость «разрывается», образуя многочисленные мельчайшие пузырьки газов и паров. В следующий момент, когда в жидкости наступает период высокого давления, образовавшиеся ранее пузырьки схлопываются. Процесс схлопывания пузырьков сопровождается образованием ударных волн с очень большим местным мгновенным давлением, достигающим нескольких сотен атмосфер.

, (3)

Для поперечных волн она определяется по формуле

Дисперсия звука - зависимость фазовой скорости монохроматической звуковых волн от их частоты . Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическим свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.

Разновидности ультразвуковых волн

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны .

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны .

Волна Лэмба - упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Визуализация ультразвуковых волн

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

, (5)

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова - вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения , понимая под этим удельную мощность излучателя , т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м 2 . В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик - от пороговых значений ~ 10 -12 Вт/м 2 до сотен кВт/м 2 в фокусе ультразвуковых концентраторов.

Таблица 1 - Свойства некоторых распространенных материалов

Материал	Плотность, кг/м 3	Скорость продольной волны, м/c	Скорость поперечной волны, м/c	, 10 3 кг/(м 2 *с)
Акрил	1180	2670	-	3,15
Воздух	0,1	330	-	0,00033
Алюминий	2700	6320	3130	17,064
Латунь	8100	4430	2120	35,883
Медь	8900	4700	2260	41,830
Стекло	3600	4260	2560	15,336
Никель	8800	5630	2960	49,544
Полиамид (нейлон)	1100	2620	1080	2,882
Сталь (низколегированный сплав)	7850	5940	3250	46,629
Титан	4540	6230	3180	26,284
Вольфрам	19100	5460	2620	104,286
Вода (293К)	1000	1480	-	1,480

Затухание ультразвука

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

Первая из этих причин связана с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и соответственно уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т.е. . Для сферической волны, волновая поверхность которой растёт с расстоянием r от источника как r 2 , амплитуда волны убывает пропорционально , а для цилиндрической волны - пропорционально .

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).

Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле

, (6)

Коэффициент затухания от времени определяется

, (7)

Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае

, (8)

Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике .

, (9)

где A 1 – амплитуда первого сигнала,
A 2 – амплитуда второго сигнала

Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:

Отражение ультразвука от границы раздела сред

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом

, (12)

, (13)

где D – коэффициент прохождения звукового давления

Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т.е. Z 1 >Z 2 , то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ .

Коэффициент пропускания энергии из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны

, (14)

Интерференция и дифракция ультразвуковых волн

Интерференция звука - неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции - сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука - отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука - расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны , степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

, (15)

где D - поперечник объекта (например, поперечник ультразвукового излучателя или препятствия),
r - расстояние точки наблюдения от этого объекта

Излучатели ультразвука

Излучатели ультразвука - устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию энергию какого-либо другого вида.

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи . В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях , магнитострикционных преобразователях , электродинамических излучателях , электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса : они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости .

Характеристики излучателя ультразвука

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр , излучаемая мощность звука , направленность излучения . В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса , границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f 0 преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука - отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью , т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м 2 .

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия , представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Звуковое поле излучателя

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля .

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

, (17)

Однако поскольку D обычно значительно больше , уравнение можно упростить и привести к виду

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, - с активным воздействием на вещество и - с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.