Mikä on ultraääni ja miten sitä käytetään teollisuudessa?

Ultraääntä kutsutaan elastisiksi aalloksi (aallot, jotka etenevät nestemäisissä, kiinteissä ja kaasumaisissa väliaineissa elastisten voimien vaikutuksesta), joiden taajuus on ihmisille kuultavan alueen ulkopuolella - noin 20 kHz ja enemmän.

Aluksi ultraääni- ja kuultavissa olevat äänet erotettiin vain ihmiskorvan havaitsemisen tai ei-havaitsemisen perusteella. Eri ihmisten kuulokynnys vaihtelee välillä 7 - 25 kHz, ja on todettu, että ihminen havaitsee ultraäänen taajuudella 30 - 40 kHz luun johtumismekanismin kautta. Siksi ultraäänitaajuuden alaraja hyväksytään perinteisesti.

Ultraäänitaajuuden yläraja ulottuu taajuuksille 1013 — 1014 Hz, ts. taajuuksille, joissa aallonpituus tulee verrattavissa molekyylien välisiin etäisyyksiin kiinteissä ja nesteissä. Kaasuissa tämä raja sijaitsee alla ja sen määrää molekyylin vapaa reitti.

Ultraääniaaltojen hyödylliset toiminnot

Ja vaikka fyysisesti ultraäänellä on sama luonne kuin kuultavalla äänellä, joka eroaa vain ehdollisesti (korkeampi taajuus), juuri korkeamman taajuuden vuoksi ultraääntä voidaan soveltaa useisiin hyödyllisiin suuntiin.

Mitattaessa ultraäänen nopeutta kiinteässä, nestemäisessä tai kaasumaisessa aineessa saadaan siis hyvin pieniä virheitä tarkkailtaessa nopeita prosesseja, määritettäessä ominaislämpöä (kaasua), mitattaessa kiinteiden aineiden elastisia vakioita.

Korkea taajuus matalilla amplitudeilla mahdollistaa suuremman energiavirtojen tiheyden, koska elastisen aallon energia on verrannollinen sen taajuuden neliöön. Lisäksi ultraääniaallot voivat oikein käytettynä tuottaa joukon hyvin erikoisia akustisia efektejä ja ilmiöitä.

Yksi näistä epätavallisista ilmiöistä on akustinen kavitaatio, joka syntyy, kun voimakas ultraääniaalto ohjataan nesteeseen. Nesteessä ultraäänitoiminnan alueella pienet höyry- tai kaasukuplat (submikroskooppinen koko) alkavat kasvaa halkaisijaltaan millimetrin murto-osiksi, sykkien aallon taajuudella ja romahtaen positiivisessa painevaiheessa.

Romahtava kupla tuottaa paikallisesti korkeapainepulssin, joka mitataan tuhansissa ilmakehissä, ja siitä tulee pallomaisten shokkiaaltojen lähde. Tällaisten sykkivien kuplien lähellä syntyneet akustiset mikrovirrat ovat olleet hyödyllisiä emulsioiden, osien jne. valmistuksessa.

Tarkentamalla ultraääntä saadaan äänikuvia akustisissa holografioissa ja ääninäköjärjestelmissä ja äänienergia keskitetään muodostamaan suunnattu säde, jolla on määritellyt ja kontrolloidut suuntausominaisuudet.

Ultraääniaaltoa käyttämällä valon diffraktiohilana on mahdollista muuttaa valon taitekertoimia eri tarkoituksiin, koska tiheys ultraääniaaltossa, kuten elastisessa aallossa, yleensä muuttuu jaksottaisesti.

Lopuksi ultraäänen etenemisnopeuteen liittyvät ominaisuudet. Epäorgaanisissa väliaineissa ultraääni etenee nopeudella, joka riippuu väliaineen elastisuudesta ja tiheydestä.

Mitä tulee orgaaniseen väliaineeseen, tässä nopeuteen vaikuttavat rajat ja niiden luonne, eli vaihenopeus riippuu taajuudesta (dispersio) Ultraääni vaimenee aaltorintaman etäisyydellä lähteestä - front divergoi, ultraääni on hajallaan, imeytyy.

Väliaineen sisäinen kitka (leikkausviskositeetti) johtaa ultraäänen klassiseen absorptioon, lisäksi ultraäänen relaksaatioabsorptio on klassista parempi. Kaasussa ultraääni heikkenee voimakkaammin, kiinteissä aineissa ja nesteissä paljon heikommin. Esimerkiksi vedessä se hajoaa 1000 kertaa hitaammin kuin ilmassa. Siten ultraäänen teolliset sovellukset liittyvät lähes kokonaan kiinteisiin aineisiin ja nesteisiin.

Ultraäänen käyttö

Ultraäänen käyttö kehittyy seuraaviin suuntiin:

• ultraäänitekniikka, joka mahdollistaa peruuttamattomien vaikutusten tuottamisen tiettyyn aineeseen ja fysikaalis-kemiallisten prosessien kulkuun ultraäänen avulla intensiteetillä W / cm2 - satoja tuhansia W / cm2;
• ultraääniohjaus, joka perustuu ultraäänen absorption ja nopeuden riippuvuuteen sen väliaineen tilasta, jonka läpi se leviää;
• Ultraäänipaikannusmenetelmät, signaalin viivelinjat, lääketieteellinen diagnostiikka jne., jotka perustuvat korkeampien taajuuksien ultraäänivärähtelyjen kykyyn levitä suoraviivaisissa säteissä (säteissä), noudattavat geometrisen akustiikan lakeja ja etenevät samalla suhteellisen alhaisella nopeudella.

Ultraäänellä on erityinen rooli aineen rakenteen ja ominaisuuksien tutkimuksessa, sillä niiden avulla on suhteellisen helppo määrittää materiaaliympäristöjen monipuolisimmat ominaisuudet, kuten elastisuus- ja viskoelastisuusvakiot, termodynaamiset ominaisuudet, Fermi-pintojen muodot, dislokaatiot, kidehilan epätäydellisyydet jne. Ultraäänen tutkimuksen asiaankuuluvaa haaraa kutsutaan molekyyliakustiikaksi.

Ultraääni kaikulokaatiossa ja kaikuluotaimessa (ruoka, puolustus, kaivostoiminta)

Venäläinen insinööri Shilovsky ja ranskalainen fyysikko Langevin loivat ensimmäisen kaikuluotaimen prototyypin estämään alusten törmäykset jäälohkareiden ja jäävuorten kanssa vuonna 1912.

Laite käyttää ääniaaltojen heijastuksen ja vastaanoton periaatetta. Signaali oli suunnattu tiettyyn pisteeseen ja vastesignaalin (kaiun) viiveellä äänen nopeuden tietäen oli mahdollista arvioida etäisyys ääntä heijastavasta esteestä.

Shilovsky ja Langevin aloittivat syvällisen hydroakustiikan tutkimuksen ja loivat pian laitteen, joka pystyi havaitsemaan vihollisen sukellusveneitä Välimerellä jopa 2 kilometrin etäisyydeltä. Kaikki nykyaikaiset kaikuluotaimet, myös sotilaalliset, ovat tämän laitteen jälkeläisiä.

Nykyaikaiset kaikuluotaimet pohjan kohokuvion tutkimiseen koostuvat neljästä lohkosta: lähettimestä, vastaanottimesta, anturista ja näytöstä.Lähettimen tehtävänä on lähettää syvälle veteen ultraäänipulsseja (50 kHz, 192 kHz tai 200 kHz), jotka etenevät veden läpi nopeudella 1,5 km/s, missä ne heijastuvat kaloista, kivistä ja muista esineistä. ja alla, kun tämä kaiku saavuttaa vastaanottimen, muunnin käsitellään ja tulos näytetään näytöllä visuaalista havaitsemista varten sopivassa muodossa.

Ultraääni elektroniikka- ja sähköteollisuudessa

Monet nykyajan fysiikan alueet eivät tule toimeen ilman ultraääntä. Kiinteiden aineiden ja puolijohteiden fysiikka sekä akustoelektroniikka liittyvät monin tavoin läheisesti ultraäänitutkimusmenetelmiin – vaikutuksilla taajuudella 20 kHz tai sitä korkeammalla. Erityinen paikka täällä on akustoelektroniikalla, jossa ultraääniaallot ovat vuorovaikutuksessa kiinteiden kappaleiden sisällä olevien sähkökenttien ja elektronien kanssa.

Volumetrisia ultraääniaaltoja käytetään viivelinjoissa ja kvartsiresonaattoreissa taajuuden vakauttamiseksi nykyaikaisissa elektronisissa tiedonkäsittely- ja tiedonsiirtojärjestelmissä. Pinta-akustisilla aalloilla on erityinen paikka television kaistanpäästösuodattimissa, taajuussyntetisaattoreissa, akustisten aaltojen siirtolaitteissa, muistissa ja kuvanlukulaitteissa. Lopuksi korrelaattorit ja konvolverit käyttävät poikittaista akustosähköistä vaikutusta toiminnassaan.

Radioelektroniikka ja ultraääni

Ultraääniviivelinjat ovat hyödyllisiä viivästyttäessä yhtä sähköistä signaalia suhteessa toiseen.Sähköpulssi muunnetaan pulssimaiseksi mekaaniseksi värähtelyksi ultraäänitaajuudella, joka etenee monta kertaa hitaammin kuin sähkömagneettinen pulssi; mekaaninen värähtely muunnetaan sitten takaisin sähköpulssiksi ja tuotetaan signaali, joka on viivästynyt suhteessa alkuperäiseen tuloon.

Tällaista muuntamista varten käytetään yleensä pietsosähköisiä tai magnetostriktiivisia muuntimia, minkä vuoksi viivelinjoja kutsutaan myös pietsosähköisiksi tai magnetostriktiivisiksi.

Pietsosähköisessä viivelinjassa sähköinen signaali syötetään kvartsilevyyn (pietsosähköiseen muuntimeen), joka on liitetty jäykästi metallitankoon.

Toinen pietsosähköinen muunnin on kytketty tangon toiseen päähän. Tulomuunnin vastaanottaa signaalin, synnyttää mekaanisia värähtelyjä, jotka etenevät sauvaa pitkin, ja kun värähtelyt saavuttavat tangon kautta toisen muuntimen, syntyy jälleen sähköinen signaali.

Värähtelyn etenemisnopeus sauvaa pitkin on paljon pienempi kuin sähköisen signaalin, joten sauvan läpi kulkeva signaali viivästyy suhteessa tuloon sähkömagneettisten ja ultraäänivärähtelyjen nopeuksien eroon liittyvän määrän.

Magnetostriktiivinen viivelinja sisältää tuloanturin, magneetit, äänijohdon, lähtöanturin ja vaimentimet. Tulosignaali syötetään ensimmäiseen kelaan, ultraäänitaajuusvärähtelyt - mekaaniset värähtelyt - alkavat magnetostriktiivisesta materiaalista tehdyn tangon akustisessa johtimessa - magneetti luo tässä pysyvän magnetisoinnin muunnosvyöhykkeellä ja alkumagneettisen induktion.

Tangossa värähtelyt etenevät nopeudella 5000 m / s, esimerkiksi 40 cm:n sauvan pituudella viive on 80 μs. Tangon molemmissa päissä olevat vaimentimet estävät ei-toivotut signaaliheijastukset. Magnetostriktiiviset häiriöt aiheuttavat muutoksen induktiossa toisen käämin (lähtömuuntimen) EMF:ssä.

Ultraääni teollisuudessa (leikkaus ja hitsaus)

Hiomamateriaali (kvartsihiekka, timantti, kivi jne.) asetetaan ultraäänilähteen ja työkappaleen väliin. Ultraääni vaikuttaa hankaaviin hiukkasiin, jotka puolestaan ​​osuvat ultraäänen taajuudella olevaan osaan. Työkappaleen materiaali tuhoutuu valtavan määrän pienten iskujen vaikutuksesta hiomarakeista - näin käsittely suoritetaan.

Leikkaus lisätään syöttöliikkeen kanssa, kun taas pitkittäisleikkausvärähtelyt ovat pääasiallisia. Ultraäänikäsittelyn tarkkuus riippuu hioma-aineen rakeiden koosta ja saavuttaa 1 mikronin. Tällä tavalla tehdään monimutkaisia ​​leikkauksia, joita tarvitaan metalliosien valmistuksessa, hionnassa, kaiverruksessa ja porauksessa.

Jos on tarpeen hitsata erilaisia ​​metalleja (tai jopa polymeerejä) tai yhdistää paksu osa ohueen levyyn, ultraääni tulee jälleen apuun. Tämä on ns kylmä ultraäänihitsaus… Hitsausvyöhykkeen ultraäänen vaikutuksesta metalli muuttuu erittäin muoviseksi, osat voivat helposti pyöriä liitoksen aikana missä tahansa kulmassa. Ja ultraääni kannattaa sammuttaa - osat kytkeytyvät välittömästi, tarttuvat kiinni.

Erityisen huomionarvoista on, että hitsaus suoritetaan osien sulamispisteen alapuolella ja niiden liittäminen tapahtuu itse asiassa kiinteässä tilassa, mutta tällä tavalla hitsataan teräksiä, titaania ja jopa molybdeeniä. Ohuet levyt on helpoin hitsata. Tämä hitsausmenetelmä ei edellytä osien pinnan erityistä valmistelua, tämä koskee myös metalleja ja polymeerejä.

Ultraäänitestausta käytetään metallin litteiden vikojen havaitsemiseen hitsauksen aikana (halkeamat, tunkeutumisen puute, tarttumattomuus). Tämä menetelmä on erittäin tehokas hienoraeteräksille.

Ultraääni metallurgiassa (ultraäänivirheiden havaitseminen)

Vikojen ultraäänitunnistus — vikojen havaitseminen, joka perustuu elastisten, pääasiassa ultraäänivärähtelyjen etenemisolosuhteiden muutoksiin.

Ultraäänivirheiden havaitseminen on yksi tehokkaimmista menetelmistä metalliosien vaurioittamattomaan laadunvalvontaan.

Homogeenisessa väliaineessa ultraääni etenee suuntaan ilman nopeaa vaimennusta ja sille on ominaista heijastus väliaineen rajalla. Joten metalliosien sisällä tarkistetaan tyhjiä osia ja halkeamia (ilma-metallirajapinta) ja havaitaan lisääntynyt metallin väsyminen.

Ultraääni voi tunkeutua osaan 10 metrin syvyydessä ja havaittujen vikojen koko on luokkaa 5 mm. On olemassa: varjo, pulssi, resonanssi, rakenneanalyysi, visualisointi, — viisi ultraäänivirheiden havaitsemismenetelmää.

Yksinkertaisin menetelmä on ultraäänivarjovian havaitseminen, tämä menetelmä perustuu ultraääniaallon vaimenemiseen, kun se kohtaa vian kulkiessaan osan läpi, koska vika luo ultraäänivarjon.Kaksi muuntajaa toimii: ensimmäinen lähettää aallon, toinen vastaanottaa sen.

Tämä menetelmä on herkkä, vika havaitaan vain, jos sen vaikutus muuttaa signaalia vähintään 15%, lisäksi on mahdotonta määrittää syvyyttä, jossa vika sijaitsee osassa. Tarkempia tuloksia saadaan pulssiultraäänimenetelmällä, se näyttää myös syvyyden.

Elastisia tärinöitä käytetään lähettämään ja vastaanottamaan pietsosähköiset muuntimet, ja ääni- ja matalilla ultraäänitaajuuksilla - magnetostriktiiviset muuntimet.

Seuraavia menetelmiä käytetään elastisten värähtelyjen siirtämiseen muuntimesta ohjattuun tuotteeseen ja päinvastoin:

• kontaktiton;
• kuivakontakti (pääasiassa matalille taajuuksille);
• kosketus voiteluaineen kanssa (ennen testiä tuotteen puhtaasti käsitellylle pinnalle levitetään öljy- tai vesikerros, jonka paksuus on paljon pienempi kuin elastinen aallonpituus);
• suihkukosketus (nestevirran läpi, joka virtaa pienessä raossa pietsosähköisen elementin ja tuotteen pinnan välillä);
• upotus (valvottu tuote upotetaan kylpyyn ja kosketus tapahtuu nestekerroksen läpi, jonka paksuuden on oltava vähintään 1/4 tuotteen paksuudesta).

Upotus-, mustesuihku- ja kosketuksettomien menetelmien etuna on hakupäiden kulumisen puute ja mahdollisuus käyttää suurempia skannausnopeuksia sekä hallinnan automatisointimahdollisuus.

Katso myös:

Metallien ultraäänileikkaus

Asennukset osien ultraäänipuhdistukseen

Ultraäänianturit automaatiojärjestelmiin

Anturit ja mittalaitteet aineiden koostumuksen ja ominaisuuksien määrittämiseen