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Il ventunesimo secolo è il secolo dell'atomo, la conquista dello spazio, l'elettronica radio e gli ultrasuoni. La scienza degli ultrasuoni è relativamente giovane. Il primo lavori di laboratorio sullo studio degli ultrasuoni sono stati condotti da uno scienziato russo - P.N. Lebedev alla fine del XIX secolo, e poi J.-D. Colladon, J. e P. Curie, F. Galton.

Nel mondo moderno, gli ultrasuoni svolgono un ruolo crescente nella ricerca scientifica. Sono stati condotti con successo studi teorici e sperimentali nel campo della cavitazione ultrasonica e dei flussi acustici, che hanno permesso di sviluppare nuovi processi tecnologici che si verificano quando esposti agli ultrasuoni nella fase liquida. Attualmente si sta formando una nuova direzione della chimica: la chimica ultrasonica, che consente di accelerare molti processi tecnologici chimici. La ricerca scientifica ha contribuito alla nascita di un nuovo ramo dell'acustica: l'acustica molecolare, che studia l'interazione molecolare delle onde sonore con la materia. Sono emersi nuovi campi di applicazione degli ultrasuoni. Insieme alla ricerca teorica e sperimentale nel campo degli ultrasuoni, sono stati effettuati molti lavori pratici.

Quando ho visitato l'ospedale, ho visto dispositivi che funzionano in base agli ultrasuoni. Tali dispositivi consentono di rilevare varie omogeneità o disomogeneità di sostanze nei tessuti umani, tumori cerebrali e altre formazioni, condizioni patologiche del cervello, consentono di controllare il ritmo del cuore. Mi chiedevo come funzionassero questi dispositivi con l'aiuto degli ultrasuoni e, in generale, cos'è l'ecografia. Nel corso di fisica della scuola, non si dice nulla sull'ecografia e le sue proprietà, e ho deciso di studiare da solo i fenomeni ultrasonici.

Obbiettivo: studia gli ultrasuoni, studia sperimentalmente le sue proprietà, esplora le possibilità di usare gli ultrasuoni nella tecnologia.

Compiti:

teoricamente considerare le ragioni della formazione degli ultrasuoni;

ottenere una fontana ad ultrasuoni;

studiare le proprietà delle onde ultrasoniche in acqua;

studiare la dipendenza dell'altezza della fontana dalla concentrazione del soluto per diverse soluzioni (viscose e non viscose);

studiare le moderne applicazioni degli ultrasuoni nella tecnologia.

Ipotesi:le onde ultrasoniche hanno le stesse proprietà delle onde sonore (riflessione, rifrazione, interferenza), ma a causa della maggiore capacità di penetrazione nella sostanza, l'ecografia ha più possibilità di applicazione nella tecnologia; all'aumentare della concentrazione della soluzione (densità del liquido), l'altezza della fontana ad ultrasuoni diminuisce.

Metodi di ricerca:

Analisi e selezione di informazioni teoriche; ipotesi di ricerca; sperimentare; controllo di un'ipotesi.

II. - Parte teorica.

1. La storia dell'emergenza degli ultrasuoni.

L'attenzione all'acustica è stata causata dai bisogni delle marine delle potenze principali - Inghilterra e Francia, da allora L'acustica è l'unico tipo di segnale che può viaggiare lontano nell'acqua. Nel 1826, gli scienziati francesi J.-D. Colladon e C.-F. L'assalto è stato determinato dalla velocità del suono nell'acqua. Il loro esperimento è considerato la nascita della moderna idroacustica. Il colpo alla campana sottomarina sul Lago Lemano fu accompagnato dall'accensione simultanea di polvere da sparo. Il lampo della polvere da sparo è stato osservato dagli scienziati a una distanza di 10 miglia. Il suono della campana fu udito anche attraverso il tubo uditivo sottomarino. Misurando l'intervallo di tempo tra questi due eventi, è stata calcolata la velocità del suono - 1435 m / s. La differenza con i calcoli moderni è di soli 3 m / s.

Nel 1838, negli Stati Uniti, il suono fu usato per la prima volta per determinare il profilo del fondo marino allo scopo di posare un cavo telegrafico. La fonte del suono, come nell'esperimento di Colladon, era una campana che suonava sott'acqua e il ricevitore era grande tubi uditiviscendendo a bordo della nave. I risultati dell'esperimento furono deludenti. Il suono della campana (così come la detonazione delle cartucce di polvere da sparo nell'acqua) diede un'eco troppo debole, quasi impercettibile tra gli altri suoni del mare. Era necessario andare nella regione delle frequenze più alte, consentendo la creazione di raggi sonori diretti, ovvero passare agli ultrasuoni.

Il primo generatore di ultrasuoni fu realizzato nel 1883 dall'inglese Francis Galton. L'ecografia è stata creata come un fischio sulla punta di un coltello quando viene soffiata. Il ruolo di un tale punto nel fischio di Galton era interpretato da un cilindro con spigoli vivi. L'aria o altro gas che fuoriesce sotto pressione attraverso un ugello anulare con un diametro uguale al bordo del cilindro correva verso il bordo e si sono verificate oscillazioni ad alta frequenza. Soffiando il fischio con l'idrogeno, è stato possibile ottenere vibrazioni fino a 170 kHz.

Nel 1880, Pierre e Jacques Curie fecero una scoperta decisiva per la tecnologia degli ultrasuoni. I fratelli Curie hanno notato che quando si applica pressione ai cristalli di quarzo, si genera una carica elettrica direttamente proporzionale alla forza applicata al cristallo. Questo fenomeno è stato chiamato "piezoelettricità" dalla parola greca che significa "spingere". Inoltre, hanno dimostrato l'effetto piezoelettrico opposto, che si è manifestato quando un potenziale elettrico in rapida evoluzione è stato applicato al cristallo, facendolo vibrare. Questa vibrazione si è verificata a una frequenza ultrasonica. Da ora in poi, è apparsa la possibilità tecnica di produrre emettitori e ricevitori ad ultrasuoni di piccole dimensioni.

Il fenomeno dell'elettrostrizione (effetto piezoelettrico inverso) è causato dall'orientamento e dal denso impaccamento di alcune molecole d'acqua attorno ai gruppi ionici di aminoacidi ed è accompagnato da una diminuzione della capacità termica e della compressibilità delle soluzioni di ioni bipolari. Il fenomeno dell'elettrostrizione consiste nella deformazione di un dato corpo in un campo elettrico. A causa del fenomeno dell'elettrostrizione, all'interno del dielettrico sorgono forze meccaniche. Sebbene i fenomeni di elettrostrizione siano osservati in molti dielettrici, sono debolmente espressi nella maggior parte dei cristalli. In alcuni cristalli, ad esempio sale di Rochelle e titanato di bario, il fenomeno dell'elettrostrizione è molto intenso.

III. - La parte pratica.

Creazione di fontane ad ultrasuoni.

Per ottenere gli ultrasuoni, nel lavoro sono stati utilizzati 2 diversi dispositivi ad ultrasuoni: 1) installazione ultrasonica scuola UD-1 e 2) installazione dimostrativa ultrasonica UD-6.

Per ottenere una fontana, è stata presa una coppa dell'obiettivo e posizionata sopra l'emettitore in modo che non si formassero bolle d'aria tra il fondo del vetro e l'elemento piezoelettrico, che interferivano notevolmente con gli esperimenti. Per questo, il vetro è stato posizionato spostando il fondo lungo il coperchio dell'emettitore fino a quando il vetro ha colpito il bordo dell'emettitore. Dopo aver installato correttamente il copriobiettivo, abbiamo iniziato a effettuare osservazioni e versato acqua potabile ordinaria nel copriobiettivo.

Circa un minuto dopo l'alimentazione del generatore dalla rete, è stata osservata una fontana a ultrasuoni (Appendice 1, Fig. 1), che viene regolata con la manopola di regolazione della frequenza e le viti di regolazione. Ruotando la manopola di controllo della frequenza, abbiamo ottenuto una fontana di tale altezza che l'acqua ha iniziato a spruzzare sul bordo del vetro (Appendice 1, Fig. 3, 12). Ancora una volta, con un cacciavite, girato il condensatore del trimmer, ridotto la fontana e continuato a regolare la vite su una nuova fontana massima (altezza massima della fontana 13-15 cm). Contemporaneamente all'aspetto della fontana, è apparsa la nebbia d'acqua, che è il risultato di un fenomeno di cavitazione (Appendice 1, Fig. 2).

L'abbassamento della fontana con spruzzi di liquido è spiegato dall'allontanamento del piano di livello del liquido nel vaso dal fuoco della lente ad ultrasuoni, a causa dell'abbassamento del livello. Per l'osservazione a lungo termine della fontana, quest'ultima è stata collocata in un tubo di vetro, lungo la parete interna di cui il liquido zampillante scorre verso il basso, quindi il suo livello nella nave non cambia. Per questo, abbiamo preso un tubo alto 50 cm con un diametro non superiore al diametro interno del copriobiettivo (d \u003d 3 cm). Quando si utilizza un tubo di vetro, il liquido è stato versato nel vetro dell'obiettivo 5 mm sotto il bordo superiore del vetro per mantenere il livello del liquido a causa degli schizzi sulla parete interna del tubo (Appendice 1, Fig. 4, 5, 6).

Osservazione delle proprietà degli ultrasuoni .

Per ottenere il riflesso delle onde, una cuvetta metallica è stata introdotta nella cuvetta con glicerina e acqua versata dall'alto e posizionata con un angolo di 45 ° rispetto alla superficie dell'acqua. Abbiamo acceso il generatore e ottenuto la formazione di onde stazionarie (Appendice 1, Fig. 10), che si ottengono a seguito del riflesso delle onde dalla piastra introdotta e dalla parete della cellula. In questo esperimento, sono state osservate simultaneamente anche interferenze d'onda (Appendice 1, Fig. 8, 9). Ha condotto esattamente lo stesso esperimento, ma ha versato una forte soluzione di permanganato di potassio con acqua (Appendice 1, Fig. 11), quindi glicerina e acqua sopra. In questo esperimento, hanno anche ottenuto la rifrazione delle onde: quando le onde ultrasoniche sono passate attraverso l'interfaccia tra due liquidi, è stato osservato un cambiamento nella lunghezza dell'onda stazionaria, nella glicerina la sua onda è maggiore rispetto all'acqua e il manganese si è dissolto in essa, il che è spiegato dalla differenza nella velocità di propagazione degli ultrasuoni in questi liquidi. È stato anche ottenuto il fenomeno della coagulazione delle particelle: l'amido è stato aggiunto a una cuvetta con acqua pulita, mescolata accuratamente; Dopo aver acceso il generatore, abbiamo visto come le particelle si accumulano nei nodi delle onde stazionarie e dopo aver spento il generatore, cadono verso il basso, purificando l'acqua, quindi in questi esperimenti sono stati osservati riflesso, rifrazione, interferenza degli ultrasuoni e coagulazione delle particelle.

Osservazione della dipendenza dell'altezza della fontana dalle dimensioni della molecola del soluto e dal tipo di soluzione.

Abbiamo verificato l'ipotesi avanzata sulla dipendenza dell'altezza della fontana ad ultrasuoni dalla densità del liquido (concentrazione della soluzione) e dalle dimensioni della molecola. Per questo, la densità è stata modificata sciogliendo sostanze con diverse dimensioni molecolari (amido, zucchero, albume) in esso.

Per scoprire come l'altezza della fontana dipende dalla densità della soluzione e dalle dimensioni della molecola del soluto, sono stati condotti i seguenti esperimenti. A frequenza costante, tensione e volume del liquido (25 ml), irradiato con acqua ad ultrasuoni, con amido disciolto, zucchero, albume d'uovo. Per ogni sostanza, ho effettuato 4 esperimenti, con ciascuno di essi ridotto di 2 volte la concentrazione di sostanze, ovvero nel secondo esperimento la concentrazione era 2 volte inferiore, nel terzo esperimento - 4 volte inferiore, nel quarto - 8 volte inferiore. Tutte le osservazioni sono state registrate e compilate nella tabella sopra. C'è anche un diagramma nell'appendice, che mostra chiaramente come diminuisce la concentrazione di sostanze (Appendice 2, diagramma 1).

Pertanto, abbiamo ottenuto la dipendenza dell'altezza della fontana dalla concentrazione di sostanze (Appendice 2, diagramma 2), e negli esperimenti con l'albume e l'amido, l'altezza della fontana è aumentata e negli esperimenti con lo zucchero è diminuita.

Questo perché le molecole di amido e proteine \u200b\u200bsono polimeri biologici (gli IUD sono composti ad alto peso molecolare). Quando disciolti in acqua, formano soluzioni colloidali (diametro delle particelle colloidali - 1-100 nm) con elevata viscosità. A causa della presenza di un gran numero di gruppi idrossili (-OH), si formano legami idrogeno nelle molecole di tali sostanze (tra le molecole di acqua e amido, acqua e proteine), che contribuisce a una distribuzione più uniforme delle particelle in soluzione, che influisce negativamente sulla trasmissione delle onde.

Lo zucchero è un dimero (C 12 H 22 O 11) n, la sua dissoluzione porta alla formazione di una vera soluzione (la dimensione delle particelle di soluto è paragonabile alla dimensione delle molecole di solvente), non viscosa, con un'alta capacità penetrante, questa struttura della soluzione contribuisce a un più forte trasferimento di energia delle onde.

Pertanto, per i liquidi viscosi, l'altezza della fontana ad ultrasuoni diminuisce con un aumento della concentrazione della soluzione, e per i liquidi non viscosi, l'altezza della fontana ad ultrasuoni aumenta con un aumento della concentrazione della soluzione.

IV. -Applicazioni tecniche degli ultrasuoni.

Le varie applicazioni degli ultrasuoni possono essere suddivise approssimativamente in tre aree:

ottenere informazioni su una sostanza;

effetto sulla sostanza;

elaborazione e trasmissione del segnale.

La dipendenza della velocità di propagazione e attenuazione delle onde acustiche dalle proprietà della materia e dai processi che si verificano in esse viene utilizzata nei seguenti studi:

studio di processi molecolari in gas, liquidi e polimeri;

studio della struttura di cristalli e altri solidi;

controllo nel corso di reazioni chimiche, transizioni di fase, polimerizzazione, ecc .;

determinazione della concentrazione di soluzioni;

determinazione delle caratteristiche di resistenza e composizione dei materiali;

determinazione della presenza di impurità;

determinazione della portata di liquido e gas.

Le informazioni sulla struttura molecolare di una sostanza sono fornite misurando la velocità e il coefficiente di assorbimento del suono in essa contenuto. Ciò consente di misurare la concentrazione di soluzioni e sospensioni in polpe e liquidi, per controllare il corso di estrazione, polimerizzazione, invecchiamento e cinetica delle reazioni chimiche. L'accuratezza nel determinare la composizione delle sostanze e la presenza di impurità dagli ultrasuoni è molto elevata e ammonta a una frazione di percentuale.

La misurazione della velocità del suono nei solidi consente di determinare le caratteristiche elastiche e di resistenza dei materiali strutturali. Un metodo così indiretto per determinare la forza è conveniente per la sua semplicità e la possibilità di usarlo in condizioni reali.

Gli analizzatori di gas ad ultrasuoni monitorano i processi di accumulo di impurità pericolose. La dipendenza della velocità degli ultrasuoni dalla temperatura viene utilizzata per la termometria senza contatto di gas e liquidi.

I misuratori di portata a ultrasuoni che operano sull'effetto Doppler si basano sulla misurazione della velocità del suono nei liquidi e nei gas in movimento, compresi quelli non omogenei (emulsioni, sospensioni, polpe). Apparecchiature simili vengono utilizzate per determinare la velocità e la portata del flusso sanguigno negli studi clinici.

Un ampio gruppo di metodi di misurazione si basa sulla riflessione e sulla dispersione delle onde ultrasoniche ai confini tra i media. Questi metodi consentono di determinare con precisione la posizione di corpi estranei all'ambiente e vengono utilizzati in aree quali:

sonar;

test non distruttivi e rilevazione dei difetti;

diagnostica medica;

determinazione dei livelli di liquidi e corpi sciolti in contenitori chiusi;

determinare la dimensione dei prodotti;

visualizzazione di campi sonori - imaging del suono e olografia acustica.

La riflessione, la rifrazione e la possibilità di focalizzare gli ultrasuoni vengono utilizzate nella rilevazione di difetti ad ultrasuoni, nei microscopi acustici ad ultrasuoni, nella diagnostica medica, per studiare le macroinomogeneità di una sostanza. La presenza di irregolarità e le loro coordinate sono determinate dai segnali riflessi o dalla struttura dell'ombra.

I metodi di misurazione basati sulla dipendenza dei parametri di un sistema oscillatorio risonante dalle proprietà del mezzo che lo carica (impedenza) sono utilizzati per la misurazione continua della viscosità e della densità dei liquidi, per misurare lo spessore delle parti, il cui accesso è possibile solo da un lato. Lo stesso principio è alla base di misuratori di durezza ad ultrasuoni, misuratori di livello, interruttori di livello. Vantaggi dei metodi di controllo ad ultrasuoni: tempi di misurazione brevi, capacità di controllare mezzi esplosivi, aggressivi e tossici, nessun impatto degli utensili sull'ambiente e sui processi controllati.

V. conclusione:

In corso lavoro di ricerca Ho teoricamente esaminato le ragioni della formazione degli ultrasuoni; studiato moderne applicazioni degli ultrasuoni in tecnologia: gli ultrasuoni consentono di scoprire la struttura molecolare di una sostanza, determinare le caratteristiche elastiche e di resistenza dei materiali strutturali, monitorare l'accumulo di impurità pericolose; Viene utilizzato nel rilevamento di difetti ad ultrasuoni, nei microscopi acustici ad ultrasuoni, nella diagnostica medica, per studiare le macroinomogeneità di una sostanza, per misurare continuamente la viscosità e la densità dei liquidi, per misurare lo spessore delle parti a cui è possibile accedere solo da un lato. Sperimentalmente, ho ricevuto una fontana ad ultrasuoni: ho scoperto che l'altezza massima della fontana è di 13-15 cm, (a seconda del livello dell'acqua nel bicchiere, della frequenza degli ultrasuoni, della concentrazione della soluzione, della viscosità della soluzione). Ho sperimentato sperimentalmente le proprietà delle onde ultrasoniche nell'acqua: ho determinato che le proprietà di un'onda ultrasonica sono le stesse di quelle di un'onda sonora, ma tutti i processi, a causa dell'alta frequenza degli ultrasuoni, si verificano con una grande penetrazione nella profondità della sostanza.

Gli esperimenti condotti hanno dimostrato che la fontana ad ultrasuoni può essere utilizzata per studiare le proprietà delle soluzioni, quali concentrazione, densità, trasparenza e la dimensione delle particelle disciolte. Questo metodo di ricerca si distingue per la sua velocità e semplicità di implementazione, l'accuratezza dello studio e la capacità di confrontare facilmente diverse soluzioni. Tali studi sono rilevanti per l'implementazione del monitoraggio ambientale. Ad esempio, quando si studia la composizione della discarica di estrazione mineraria nella città di Olenegorsk a diverse profondità o per il monitoraggio dell'acqua nelle strutture di trattamento.

Pertanto, ho confermato la mia ipotesi che le onde ultrasoniche abbiano le stesse proprietà delle onde sonore (riflessione, rifrazione, interferenza), ma a causa del maggiore potere penetrante nella sostanza, l'ecografia ha più possibilità di applicazione nella tecnologia. L'ipotesi sulla dipendenza dell'altezza della fontana ad ultrasuoni dalla densità del liquido è stata parzialmente confermata: quando cambia la concentrazione del soluto, la densità cambia e l'altezza della fontana cambia, ma la trasmissione dell'energia delle onde ultrasoniche dipende in misura maggiore dalla viscosità della soluzione, quindi, per liquidi diversi (viscoso e non viscoso), la dipendenza dell'altezza della fontana da la concentrazione era diversa.

Vi. - Elenco bibliografico:

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Il passaporto Dimostrazione installazione ad ultrasuoni UD-76 3.836.000 PS

Horbenko I.G. Suono, ultrasuoni, infrasuoni. M., "Conoscenza", 1978.160 p. (Scienza e progresso)

Appendice 1

Appendice 2

Diagramma 1

Se in un mezzo continuo - gas, liquidi o solidi, le particelle del mezzo risultano fuoriuscite dalla posizione di equilibrio, le forze elastiche che agiscono su di esse da altre particelle le riportano in posizione di equilibrio. In questo caso, le particelle eseguiranno un movimento oscillatorio. La propagazione delle vibrazioni elastiche in un mezzo continuo è un processo ondoso.
Vengono chiamate vibrazioni con una frequenza da unità di Hertz (Hz) a 20 Hertz infrasuoni, con una frequenza da 20 Hz a 16 ... 20 kHz, si creano oscillazioni suoni udibili. Vibrazioni ultrasoniche corrispondono a frequenze da 16 ... 20 kHz a 10 8 Hz e vengono chiamate oscillazioni con una frequenza superiore a 10 8 Hz ipersuoni . La Figura 1.1 mostra la scala della frequenza logaritmica basata sull'espressione lg 2 f \u003d 1, 2, 3 ..., n, Dove 1, 2, 3 ..., n - numeri di ottava.

Figura 1.1 - Intervalli di vibrazioni elastiche nel materiale

La natura fisica delle vibrazioni elastiche è la stessa nell'intera gamma di frequenze. Per capire la natura delle vibrazioni elastiche, consideriamo le loro proprietà.
Forma d'onda è la forma del fronte d'onda, ad es. una raccolta di punti con la stessa fase. Le oscillazioni del piano creano un'onda sonora piana, se un cilindro funge da emettitore, che si contrae periodicamente e si espande nella direzione del suo raggio, quindi appare un'onda cilindrica. Un emettitore di punti, o una palla pulsante, le cui dimensioni sono piccole rispetto alla lunghezza dell'onda emessa, produce un'onda sferica.

Le onde sonore sono classificate secondo tipo di onde : possono essere longitudinali, trasversali, flettenti, torsionali - a seconda delle condizioni di eccitazione e propagazione. Nei liquidi e nei gas si propagano solo le onde longitudinali; nei solidi possono anche verificarsi onde trasversali e altri tipi di onde elencati. In un'onda longitudinale, la direzione delle oscillazioni delle particelle coincide con la direzione della propagazione dell'onda (Figura 1.2, e), l'onda di taglio si propaga perpendicolarmente alla direzione delle oscillazioni delle particelle (Figura 1.2, b) .

a) il movimento di particelle del mezzo durante la propagazione di un'onda longitudinale; b) il movimento di particelle del mezzo durante la propagazione di un'onda trasversale.

Figura 1.2 - Movimento delle particelle durante la propagazione delle onde

Qualsiasi onda, come un'oscillazione che si propaga nel tempo e nello spazio, può essere caratterizzata da frequenza , lunghezza d'onda e ampiezza (Figura 3). In questo caso, la lunghezza d'onda λ è correlata alla frequenza f attraverso la velocità di propagazione delle onde in un dato materiale c: λ = c / f.

Figura 1.3 - Caratteristiche del processo oscillatorio

1.6 Applicazione pratica delle vibrazioni ultrasoniche a bassa energia

Il campo di applicazione delle vibrazioni ultrasoniche a bassa intensità (convenzionalmente fino a 1 W / cm 2) è molto ampio e considereremo a sua volta diverse applicazioni principali delle vibrazioni ultrasoniche a bassa intensità.
1. Dispositivi ad ultrasuoni per il controllo delle caratteristiche chimiche vari materiali e ambienti. Tutti si basano sulla modifica della velocità delle vibrazioni ultrasoniche nel mezzo e consentono:
- determinare la concentrazione di miscele binarie;
- densità di soluzioni;
- grado di polimerizzazione dei polimeri;
- presenza di impurità, bolle di gas nelle soluzioni;
- determinare il tasso di insorgenza di reazioni chimiche;
- contenuto di grassi di latte, panna, panna acida;
- dispersione in sistemi eterogenei, ecc.
La risoluzione dei moderni dispositivi a ultrasuoni è dello 0,05%, l'accuratezza delle misurazioni della velocità di propagazione su campioni di 1 m di lunghezza è 0,5-1 m / s (la velocità nel metallo è superiore a 5000 m / s). Quasi tutte le misurazioni vengono eseguite confrontandole con uno standard.
2. Dispositivi per il controllo delle caratteristiche fisiche e chimichebasato sulla misurazione dell'attenuazione degli ultrasuoni. Tali dispositivi consentono la misurazione di viscosità, densità, composizione, contenuto di impurità, gas, ecc. Le tecniche utilizzate si basano anche su metodi di benchmarking.
3. Misuratori di portata ad ultrasuoni per liquidi nelle tubazioni. La loro azione si basa anche sulla misurazione della velocità di propagazione delle vibrazioni ultrasoniche lungo il flusso del liquido e a monte. Il confronto tra le due velocità consente di determinare la portata e, con una sezione nota della tubazione, la portata. Un esempio di uno dei flussometri (n. 15183 nel registro statale degli strumenti di misura) è presentato nella figura 1.4.

Figura 1.4 - Misuratore di portata ad ultrasuoni fisso "ACRON"

Tale misuratore di portata misura la portata volumetrica e il volume totale (quantità) di liquidi che scorrono nelle condotte di pressione dei sistemi di approvvigionamento idrico, fognario e di prodotti petroliferi senza collegamento a una condotta operativa. Il principio di funzionamento del flussimetro consiste nel misurare la differenza nel tempo di transito di un'onda ultrasonica lungo il flusso e rispetto al flusso del liquido controllato, ricalcolandolo in una portata istantanea con successiva integrazione.
L'accuratezza del dispositivo è del 2% del limite superiore di misurazione. I limiti superiore e inferiore di misurazione sono impostati dall'operatore. Il misuratore di portata comprende un'unità sensore (costituita da due sensori a ultrasuoni e un dispositivo per il montaggio sul tubo) e un'unità elettronica collegata tramite un cavo RF lungo fino a 50 m (standard 10 m.). I sensori sono installati in una sezione diritta della tubazione sulla superficie esterna, puliti da sporco, vernice e ruggine. La condizione per la corretta installazione dei sensori è la presenza di una sezione diritta del tubo con almeno 10 diametri di tubo prima e 5 diametri dopo i sensori.
4. Interruttori di livello
Il principio di funzionamento si basa sulla posizione del livello di liquidi o materiali sfusi da parte di impulsi ultrasonici che attraversano il mezzo gassoso e sul fenomeno della riflessione di questi impulsi dall'interfaccia del mezzo controllato dal gas. In questo caso, la misura del livello è il tempo di propagazione delle vibrazioni sonore dall'emettitore all'interfaccia controllata tra il supporto e il ritorno al ricevitore. Il risultato della misurazione viene visualizzato su un personal computer, in cui sono memorizzate tutte le misurazioni, con la possibilità successiva di visualizzarle e analizzarle, nonché di collegarsi a un sistema automatizzato di raccolta ed elaborazione dei dati. L'indicatore di livello nel sistema può includere macchine a stati, pompe e altri dispositivi a un livello superiore al valore massimo e inferiore al valore minimo, che consente di automatizzare il processo. Inoltre, per i registratori viene generata un'uscita di corrente (0,5 mA, 0-20 mA).
L'interruttore di livello consente di monitorare la temperatura del fluido nei serbatoi. Il formato principale dei dati di output è la distanza dalla parte superiore del serbatoio alla superficie della sostanza in esso contenuta. Su richiesta del cliente, dopo aver fornito le informazioni necessarie, è possibile modificare il dispositivo per visualizzare l'altezza, la massa o il volume di una sostanza nel serbatoio.
5. Analizzatori di composizione di gas ad ultrasuoni si basano sull'uso della dipendenza della velocità degli ultrasuoni in una miscela di gas dalle velocità in ciascuno dei gas che compongono questa miscela.
6. Dispositivi ad ultrasuoni di sicurezza basato sulla misurazione di vari parametri dei campi ecografici (l'ampiezza delle oscillazioni quando lo spazio tra l'emettitore e il ricevitore è bloccato, la frequenza cambia durante la riflessione da un oggetto in movimento, ecc.).
7. Misuratori di temperatura del gas e allarmi antincendio basati su una variazione della velocità di propagazione con una variazione della temperatura ambiente o dell'aspetto del fumo.
8. Dispositivi ad ultrasuoni di controllo non distruttivo. I test non distruttivi sono uno dei principali metodi tecnologici per garantire la qualità dei materiali e dei prodotti. Nessun prodotto deve essere utilizzato senza verifica. Puoi verificare testando, ma puoi testare 1-10 articoli, ma non puoi controllare il 100% di tutti gli articoli, perché controllare - questo significa rovinare tutti i prodotti. Pertanto, è necessario verificare senza distruggerlo.
Uno dei metodi più economici, semplici e sensibili è il metodo ultrasonico dei test non distruttivi. I principali vantaggi rispetto ad altri metodi di prova non distruttivi sono:

- rilevazione di difetti localizzati in profondità all'interno del materiale, che sono diventati possibili grazie alla migliore capacità di penetrazione. Esame ecografico viene effettuato a una profondità di diversi metri. Vari prodotti sono soggetti a ispezione, ad esempio: barre di acciaio lunghe, stampi rotanti, ecc.;
- elevata sensibilità nel rilevare difetti estremamente piccoli lunghi alcuni millimetri;
- determinazione precisa dell'ubicazione dei difetti interni, valutazione della loro dimensione, caratteristiche di direzione, forma e natura;
- sufficiente accesso a un solo lato del prodotto;
- controllo di processo con mezzi elettronici, che fornisce un'identificazione quasi istantanea dei difetti;
- scansione volumetrica, che consente di esaminare il volume del materiale;
- nessun requisito per precauzioni sanitarie;
- portabilità dell'attrezzatura.

1.7 Applicazione pratica di vibrazioni ultrasoniche ad alta intensità

Oggi, i principali processi implementati e intensificati dalle vibrazioni ultrasoniche ad alta energia sono generalmente divisi in tre sottogruppi principali, a seconda del tipo di ambiente in cui sono implementati (Figura 1.5).

Figura 1.5 - Applicazione di vibrazioni ultrasoniche ad alta energia

A seconda del tipo di ambiente, i processi sono convenzionalmente suddivisi in processi in materiali liquidi, solidi e termoplastici e ambienti gassosi (aria). Nelle sezioni seguenti, verranno esaminati più dettagliatamente i processi e i dispositivi per intensificare i processi in materiali liquidi, solidi e termoplastici, mezzi gassosi.
Successivamente, consideriamo esempi delle principali tecnologie implementate utilizzando vibrazioni ultrasoniche ad alta energia.
1. Elaborazione dimensionale.

Le vibrazioni ad ultrasuoni vengono utilizzate per elaborare materiali e metalli fragili ed extra duri.
I principali processi tecnologici intensificati dalle vibrazioni ultrasoniche sono la perforazione, la svasatura, la filettatura, la trafilatura, la lucidatura, la rettifica, la perforazione di fori complessi. L'intensificazione di questi processi tecnologici si verifica a causa dell'imposizione di vibrazioni ultrasoniche allo strumento.
2. Pulizia ad ultrasuoni.
Oggi, ci sono molti modi per pulire le superfici da vari contaminanti. La pulizia ad ultrasuoni è più veloce, offre alta qualità e lava le aree difficili da raggiungere. Ciò garantisce la sostituzione di solventi altamente tossici, infiammabili e costosi con acqua semplice.
Utilizzando vibrazioni ultrasoniche ad alta frequenza, i carburatori e gli iniettori per auto vengono puliti in pochi minuti.
La ragione dell'accelerazione della pulizia nella cavitazione, un fenomeno speciale in cui si formano minuscole bolle di gas in un liquido. Queste bolle scoppiano (esplodono) e creano potenti correnti d'acqua che lavano via tutto lo sporco. Oggi su questo principio esistono lavatrici e piccoli impianti di lavaggio. Le caratteristiche dell'attuazione del processo di cavitazione e le sue potenziali capacità saranno prese in considerazione separatamente. UZ pulisce i metalli dalle paste per lucidare, i prodotti laminati dalla bilancia, le pietre preziose dai luoghi di lucidatura. Pulizia di lastre da stampa, lavaggio di tessuti, lavaggio di fiale. Pulizia di condotte complesse. Oltre alla pulizia, l'ecografia è in grado di rimuovere piccole sbavature, lucidatura.
L'esposizione ad ultrasuoni nei mezzi liquidi distrugge i microrganismi ed è quindi ampiamente usata in medicina e microbiologia.
È anche possibile un'altra implementazione della pulizia ad ultrasuoni.
- purificazione del fumo da particelle solide presenti nell'aria. Per questo, viene utilizzata anche l'esposizione ad ultrasuoni alla nebbia e al fumo. Le particelle nel campo degli ultrasuoni iniziano a muoversi attivamente, si scontrano e si uniscono e si depositano sulle pareti. Questo fenomeno si chiama coagulazione ad ultrasuoni e viene utilizzato per combattere la nebbia su aeroporti, strade e porti marittimi.
3. Saldatura ad ultrasuoni.
Attualmente, utilizzando vibrazioni ultrasoniche ad alta intensità, vengono saldati materiali termoplastici polimerici. La saldatura di tubi in polietilene, scatole, lattine offre un'eccellente tenuta. A differenza di altri metodi, la plastica contaminata, i tubi liquidi, ecc. Possono essere cotti con gli ultrasuoni. In questo caso, il contenuto è sterilizzato.
La saldatura a ultrasuoni viene utilizzata per saldare la lamina o il filo più sottile su una parte metallica. Inoltre, la saldatura ad ultrasuoni è una saldatura a freddo, poiché la giuntura si forma a una temperatura inferiore alla temperatura di fusione. Pertanto, alluminio, tantalio, zirconio, niobio, molibdeno, ecc. Sono uniti mediante saldatura.
Attualmente, la saldatura ad ultrasuoni ha trovato la migliore applicazione per i processi di confezionamento ad alta velocità e la produzione di materiali di imballaggio polimerici.
4. Saldatura e stagnatura
Le vibrazioni ultrasoniche ad alta frequenza vengono utilizzate per saldare l'alluminio. Con l'aiuto degli ultrasuoni, puoi stagnare e quindi saldare la ceramica, il vetro, che in precedenza era impossibile. Ferriti, saldatura di cristalli di semiconduttori a custodie dorate sono oggi realizzati utilizzando la tecnologia ad ultrasuoni.
5. Ultrasuoni nella chimica moderna
Attualmente, come segue da fonti letterarie, si forma una nuova direzione in chimica: chimica degli ultrasuoni. Studiando le trasformazioni chimiche che si verificano sotto l'influenza degli ultrasuoni, gli scienziati hanno scoperto che gli ultrasuoni non solo accelerano l'ossidazione, ma in alcuni casi forniscono un effetto riducente. Pertanto, il ferro viene ridotto da ossidi e sali.
Sono stati ottenuti buoni risultati positivi sull'intensificazione degli ultrasuoni dei seguenti processi chimico-tecnologici:
- elettrodeposizione, polimerizzazione, depolimerizzazione, ossidazione, riduzione, dispersione, emulsificazione, coagulazione dell'aerosol, omogeneizzazione, impregnazione, dissoluzione, spruzzatura, essiccazione, combustione, abbronzatura, ecc.
Elettrodeposizione: il metallo depositato acquisisce una struttura cristallina fine, la porosità diminuisce. Pertanto, viene eseguita la placcatura in rame, la stagnatura e l'argentatura. Il processo è più veloce e la qualità del rivestimento è superiore rispetto alle tecnologie convenzionali.
Preparazione di emulsioni: acqua e grasso, acqua e oli essenziali, acqua e mercurio. La barriera di immiscibilità è superata grazie agli ultrasuoni.
Polimerizzazione (combinando molecole in una): il grado di polimerizzazione è controllato dalla frequenza degli ultrasuoni.
Dispersione: ottenere pigmenti ultrafini per ottenere coloranti.
Essiccazione - sostanze biologicamente attive senza riscaldamento. Nell'industria alimentare, farmacologica.
Spruzzare liquidi e sciogliersi. Intensificazione dei processi negli essiccatori a spruzzo. Ottenere polvere di metallo da sciogliere. Questi dispositivi a spruzzo eliminano le parti rotanti e sfreganti.
Gli ultrasuoni migliorano l'efficienza di combustione di 20 volte i combustibili liquidi e solidi.
Impregnazione. Il liquido passa centinaia di volte più velocemente attraverso i capillari del materiale impregnato. Utilizzato nella produzione di materiale di copertura, traversine, lastre di cemento, textolite, getinax, impregnazione del legno con resine modificate
6. Ultrasuoni nella metallurgia.
- È noto che i metalli durante la fusione assorbono i gas di alluminio e le sue leghe. L'80% di tutti i gas nel metallo fuso rappresenta H2. Ciò porta a un deterioramento della qualità del metallo. I gas possono essere rimossi con l'aiuto degli ultrasuoni, che hanno permesso nel nostro paese di creare uno speciale ciclo tecnologico e di utilizzarlo ampiamente nella produzione di metalli.
- Gli ultrasuoni aiutano a indurire i metalli
- Nella metallurgia delle polveri, gli ultrasuoni favoriscono l'adesione delle particelle del materiale prodotto. Ciò elimina la necessità di compattazione ad alta pressione.
7. UZ nel mining.
L'uso degli ultrasuoni consente di implementare le seguenti tecnologie:
- Rimozione della paraffina dalle pareti dei pozzi di petrolio;
- Eliminazione delle esplosioni di metano nelle miniere a causa della sua dispersione;
- Medicazione ad ultrasuoni dei minerali (metodo di galleggiamento mediante ultrasuoni).
8. KM in agricoltura.
Le vibrazioni ultrasoniche influenzano favorevolmente semi e granaglie prima della semina. Pertanto, la lavorazione dei semi di pomodoro prima della semina fornisce un aumento del numero di frutti, riduce i tempi di maturazione e un aumento del numero di vitamine.
La lavorazione di semi ultrasonici di melone e mais porta ad un aumento della produttività del 40%.
Durante la lavorazione di semi ad ultrasuoni, è possibile garantire la disinfezione e introdurre gli oligoelementi necessari dal liquido
9. Industria alimentare.
In pratica, le seguenti tecnologie sono già state implementate oggi:
- Lavorazione del latte per la sterilizzazione per omogeneizzazione;
- Lavorazione per aumentare la shelf life e la qualità del latte in forma congelata
- Ottenere latte in polvere di alta qualità;
- Ottenere emulsioni per la cottura;
- La lavorazione del lievito del 15% aumenta il potere fermentativo;
- Ottenere sostanze aromatiche, purè di patate, estrarre grasso dal fegato;
- Isolamento del tartaro;
- Estrazione di materie prime vegetali e animali;
- Produzione di profumi (6 ... 8 ore invece di un anno).
10. Ultrasuoni in biologia.
- Grandi dosi di ultrasuoni uccidono i microrganismi (stafilococchi, streptococchi, virus);
- Le basse intensità di esposizione ad ultrasuoni promuovono la crescita di colonie di microrganismi;
11. Influenza sulla persona.
L'esposizione ad ultrasuoni con un'intensità fino a 0,1 ... 0,4 W / cm ha un effetto terapeutico. In America, un effetto con un'intensità fino a 0,8 W / cm è considerato terapeutico.
12. In medicina.
I bisturi ad ultrasuoni, i dispositivi per la liposuzione interna ed esterna, gli strumenti laparoscopici, gli inalatori, i massaggiatori trovano l'applicazione più ampia e consentono di curare varie malattie.
Il corso delle lezioni di seguito è destinato alla conoscenza preliminare di studenti, laureati, ingegneri e tecnologi di vari settori con le basi delle tecnologie ad ultrasuoni e ha lo scopo di fornire conoscenze fondamentali sulla teoria della formazione delle vibrazioni ultrasoniche e sulla pratica dell'uso di vibrazioni ultrasoniche di alta intensità.

VIBRAZIONI ULTRASUONI, le vibrazioni che hanno una frequenza così alta che i suoni da loro non vengono percepite dall'orecchio. Le frequenze delle vibrazioni ultrasoniche iniziano da 15000-20000 Hz. L'esistenza delle vibrazioni ultrasoniche era nota da molto tempo, e dopo l'apparizione del fischio di Galton nel 1883, che emise suoni impercettibili, la loro dimostrazione entrò nella pratica dell'insegnamento. Tuttavia, fino a poco tempo fa, le vibrazioni ultrasoniche non avevano alcun significato pratico, poiché non c'erano fonti sufficientemente potenti di vibrazioni ultrasoniche. Il rilancio della ricerca sulle vibrazioni ultrasoniche iniziò nel 1917-19, quando Langevin a Parigi riuscì a utilizzare il quarzo per ottenere potenti onde ultrasoniche in acqua. In particolare, la ricerca sulle vibrazioni ultrasoniche è ripresa dopo il lavoro di Cady, iniziato nel 1922; questo risveglio continua in questo momento.

Metodi per ottenere vibrazioni ultrasoniche molto diversificato; quasi tutti i metodi per ottenere vibrazioni sono adatti anche a vibrazioni ultrasoniche. Suoni non troppo potenti si ottengono più facilmente con un fischio di Galton (Fig. 1), che rappresenta un risonatore d'aria, la cui frequenza naturale può variare da 10.000 a 30.000 Hz e contro l'apertura della quale viene diretto un flusso d'aria. La potenza di un tale fischio è bassa e, in tutti i metodi descritti di seguito, la fonte di energia a frequenza ultrasonica è una corrente elettrica alternata, solitamente ottenuta da circuiti elettrici auto-oscillanti con una lampada elettronica; l'unica eccezione è l'arco di canto, con cui Neklepaev nel 1911 ha ricevuto vibrazioni e onde ultrasoniche con frequenze fino a 3.500.000 Hz, che corrisponde a una lunghezza d'onda di circa 0,1 mm. Le onde sono state ricevute nell'aria e si è scoperto che quest'ultimo le assorbe abbastanza fortemente. La prima potente fonte di vibrazioni ultrasoniche fu il trasmettitore piezoelettrico Langevin, progettato per il lavoro in acqua. La parte principale del trasmettitore Langevin è una piastra al quarzo Q (Fig. 2), tagliata perpendicolarmente all'asse elettrico e dotata di piastre A, A incollate saldamente su di essa. Se viene applicata una corrente alternata, a causa della piastra al quarzo piezoelettrica si espande e si contrae con una frequenza uguale alla frequenza corrente alternata. Con un'adeguata scelta di frequenza, quando le oscillazioni naturali del trasmettitore risuonano con la corrente, diventano molto potenti ed emettono una grande energia ultrasonica.

Nel trasmettitore subacqueo Langevin, solo una piastra A è in contatto con l'acqua, mentre l'altra è racchiusa nella custodia mostrata in FIG. 2 tratteggiato schematicamente. Tali trasmettitori sono generalmente costruiti a frequenze intorno a 30000-40000 Hz.

Wood e Lumis hanno usato per i loro esperimenti lastre con lastre molto sottili, che praticamente non hanno influenzato la frequenza naturale della lastra. Poiché lo spessore totale del trasmettitore era molto più piccolo, la frequenza delle vibrazioni ultrasoniche era molto più alta, cioè circa 5-10 5 Hz. Myasnikov è riuscito a raggiungere le frequenze 10 6-10 7 Hz; i trasmettitori in entrambi i casi furono collocati in un bagno d'olio, dove si propagarono le onde ultrasoniche. Esistono tentativi riusciti di ottenere vibrazioni ultrasoniche di potenza sufficiente e utilizzando vibrazioni magnetostrittive. Gaines riceveva ultrasuoni molto potenti da eccitanti oscillazioni magnetostrittive in un tubo di nichel, la cui parte inferiore, nell'aria, veniva agita da un campo magnetico alternato e la parte superiore, situata nel liquido, emetteva un suono. Una scintilla elettrica produce anche risultati insoddisfacenti. Il metodo Langevin è attualmente il miglior metodo pratico per produrre potenti trasmettitori ultrasonici. Esperimenti per ottenere onde ultrasoniche nell'aria allo stesso modo hanno mostrato che il ritorno di trasmettitori di questo tipo in aria è molto piccolo.

Propagazione di onde ultrasoniche in gas e liquidi in generale, obbedisce alle stesse leggi delle normali onde sonore, ma ci sono anche alcune caratteristiche. Le onde ultrasoniche nell'aria e nei gas sono assorbite in modo molto significativo e più forte è, maggiore è la frequenza delle onde ultrasoniche. Il più corto di essi, indagato da Neklepayev, si indebolisce 100 volte, avendo già superato i 6 mm. Le onde 8 volte più lunghe vengono attenuate della stessa quantità, passando per 40 cm, ecc. Inoltre, si nota una certa dispersione delle onde ultrasoniche. Ad alte potenze dei trasmettitori ad ultrasuoni, oltre alle radiazioni ad ultrasuoni, c'è un "vento", scoperto per la prima volta da Meissner su lastre di quarzo, che si osserva anche nei trasmettitori subacquei. Se, come negli esperimenti di Wood e Lumis, le onde ultrasoniche cadono sul confine di due media (nei loro esperimenti, olio - aria e olio - acqua), la loro superficie di contatto è fortemente distorta a causa del cosiddetto. pressione sonora, si formano intere fontane di piccoli schizzi e negli esperimenti con olio e acqua si forma un'emulsione di olio in acqua; le onde ultrasoniche che viaggiano lungo l'asta di vetro causano una sensazione di bruciatura quando la tocchi, sebbene il termometro mostri solo un leggero aumento della temperatura. Anche la fisiologia e l'azione delle potenti onde ultrasoniche sono significative: cellule e batteri animali e vegetali muoiono nel campo delle onde ultrasoniche, quindi è stato possibile sterilizzare il latte usando questo metodo; nelle vicinanze dei trasmettitori Langevin, i pesci morirono. Forse, con l'ulteriore sviluppo, le onde ultrasoniche acquisiranno valore terapeutico. A causa della lunghezza d'onda estremamente piccola nel campo delle onde ultrasoniche, si osserva la diffrazione delle onde luminose, come nei reticoli di diffrazione (Debye e Sears). Interferometri (Pierce) integrati per onde ultrasoniche, utilizzati per determinare la velocità del suono in gas e liquidi. Una varietà di applicazioni delle vibrazioni ultrasoniche nella tecnologiae quasi tutti si basano sulle proprietà dei risonatori al quarzo. Poiché l'attenuazione delle aste, delle placche e degli anelli al quarzo oscillanti è molto più piccola rispetto ai circuiti elettrici, questi ultimi vengono sostituiti dai primi in tutti i casi in cui è richiesta una risonanza pronunciata. Così guadagnato ampia distribuzione stabilizzatori al quarzo per; la proprietà del quarzo di brillare quando vibra, poiché compaiono cariche elettriche su di esso, viene utilizzata negli indicatori delle onde (Gibet). La frequenza di oscillazione data dagli anelli al quarzo è così costante che Morrison li ha usati per un orologio elettrico che ha superato tutti quelli precedentemente noti nella sua precisione, perché il quarzo è attualmente il miglior standard di frequenza.

Trasmettitori al quarzo subacquei per le vibrazioni ultrasoniche, non sono ancora ampiamente utilizzate, tuttavia, a causa della loro alta frequenza, hanno due vantaggi rispetto ai trasmettitori subacquei elettromagnetici: hanno, innanzitutto, alta direttività, che consente di focalizzare il raggio di raggi che emana da essi in un angolo solido stretto; in secondo luogo, hanno (con un buon design, che non è stato ancora del tutto raggiunto) una grande efficienza. Prima di tutto, sono stati usati come strumenti per determinare le profondità nel cosiddetto. ecoscandagli. Il raggio sonoro proveniente dal trasmettitore è diretto verso il basso; riflesso da esso, ritorna allo stesso trasmettitore che lo riceve; il registratore registra il tempo di viaggio del suono dal trasmettitore verso il basso e verso il basso, da dove viene calcolata la profondità. I trasmettitori ad ultrasuoni vengono utilizzati, tra le altre cose, per il cablaggio da nave a nave e per i sottomarini, per i quali la comunicazione sonora è quasi l'unica possibile; il trasmettitore ad ultrasuoni è anche il ricevitore. Ci sono stati tentativi di utilizzare raggi ultrasonici per aprire sottomarini e montagne di ghiaccio (Boyle e Reid, 1926), per transilluminare difetti nei metalli (S. Sokolov), ma qui i risultati non sono ancora abbastanza affidabili per mettere in pratica le corrispondenti installazioni.

Ultrasuoni - si tratta di vibrazioni meccaniche elastiche con una frequenza superiore a 18 kHz, che è la soglia superiore dell'udito orecchio umano. A causa dell'aumentata frequenza, le vibrazioni ultrasoniche (vibrazioni ultrasoniche) hanno una serie di caratteristiche specifiche (la possibilità di messa a fuoco e direttività delle radiazioni), che consente di concentrare l'energia acustica su piccole aree della superficie emessa.

Da una fonte di oscillazioni, l'ecografia viene trasmessa nel mezzo sotto forma di onde elastiche e può essere rappresentata sotto forma di un'equazione d'onda per un'onda piana longitudinale:

dove L - spostamento della particella oscillante; t- tempo; x- distanza dalla fonte di vibrazione; a partire dal è la velocità del suono nel mezzo.

La velocità del suono è diversa per ogni mezzo e dipende dalla sua densità ed elasticità. Tipi particolari dell'equazione delle onde consentono di descrivere la propagazione delle onde in molti casi pratici.

Forma d'onda ad ultrasuoni

Le onde ultrasoniche provenienti dalla fonte di vibrazione si propagano in tutte le direzioni. Ci sono altre particelle vicino a ciascuna particella del mezzo, vibrando con esso nella stessa fase. Viene chiamato un insieme di punti con la stessa fase di oscillazione superficie dell'onda.

Viene chiamata la distanza su cui l'onda si propaga in un tempo pari al periodo di oscillazioni delle particelle del mezzo lunghezza d'onda.

dove T - periodo di oscillazione; / - frequenza di vibrazione.

Dalla parte anteriore dell'onda viene chiamato un insieme di punti in cui le fluttuazioni raggiungono un determinato punto nel tempo. In ogni momento, c'è solo un fronte d'onda, e si muove continuamente, mentre le superfici dell'onda rimangono ferme.

A seconda della forma della superficie dell'onda, si distinguono le onde piane, cilindriche e sferiche. Nel caso più semplice, le superfici delle onde sono piane e le onde vengono chiamate piatto, e la fonte della loro eccitazione è l'aereo. Cilindrico le onde vengono chiamate, le cui superfici ondulate sono cilindri concentrici. Le fonti di eccitazione di tali onde appaiono sotto forma di una linea retta o di un cilindro. sferico le onde sono create da punti o fonti sferiche i cui raggi sono molto più piccoli della lunghezza d'onda. Se il raggio supera la lunghezza d'onda, può essere considerato piatto.

Equazione di un'onda piana che si propaga lungo l'asse Xse la sorgente di eccitazione esegue oscillazioni armoniche con una frequenza angolare ω e un'ampiezza A 0, ha la forma

La fase iniziale di un'onda è determinata dalla scelta dell'origine della coordinata x E tempo t.

Quando si analizza il passaggio di una singola onda, l'origine viene solitamente scelta in modo tale e \u003d 0. Quindi l'equazione (3.2) può essere scritta come

L'ultima equazione descrive un'onda mobile che si propaga verso valori crescenti (+) o decrescenti (-). È una delle soluzioni dell'equazione delle onde (3.1) per un'onda piana.

A seconda della direzione di oscillazione delle particelle del mezzo rispetto alla direzione di propagazione delle onde, si distinguono diversi tipi di onde ultrasoniche (Fig. 3.1).

Se le particelle del mezzo vibrano lungo una linea coincidente con la direzione della propagazione delle onde, allora tali onde vengono chiamate longitudinale (fig. 3.1, e). Quando lo spostamento di particelle del mezzo avviene in una direzione perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda, le onde vengono chiamate trasversale (fig. 3.1, b)

Figura. 3.1. Schema di spostamenti vibrazionali di particelle medie per diversi tipi di onde: e - longitudinale; b - trasversale; nel - flessione

Solo le onde longitudinali possono propagarsi in liquidi e gas, poiché durante la compressione si verificano deformazioni elastiche e non si presentano durante il taglio. Entrambe le onde longitudinali e trasversali possono propagarsi nei solidi, poiché i solidi hanno elasticità di forma, ad es. tendono a mantenere la loro forma quando esposti a forze meccaniche. Deformazioni e sollecitazioni elastiche insorgono in esse non solo durante la compressione, ma anche durante il taglio.

Nei piccoli solidi, come barre, piastre, il modello di propagazione delle onde è più complesso. Le onde compaiono in tali corpi, che sono una combinazione di due tipi principali: torsionale, flessione, superficie.

Il tipo di onda in un solido dipende dalla natura dell'eccitazione delle oscillazioni, dalla forma del solido, dalle sue dimensioni in relazione alla lunghezza d'onda e in determinate condizioni possono esistere contemporaneamente diversi tipi di onde. Una rappresentazione schematica di un'onda flessionale è mostrata in Fig. 3.1, c. Come puoi vedere, lo spostamento delle particelle del mezzo avviene sia perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell'onda, sia lungo di esso. Pertanto, un'onda flettente ha caratteristiche comuni sia delle onde longitudinali che trasversali.