Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Двадцать первый век - век атома, покорения космоса, радиоэлектроники и ультразвука. Наука об ультразвуке сравнительно молодая. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены русским ученым - П.Н. Лебедевым в конце XIXвека, а затем ультразвуком занимались Ж.-Д. Колладон, Ж. и П. Кюри, Ф. Гальтон.

В современном мире ультразвук играет 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. Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ.

Посещая больницу, я видела приборы, работа которых основывается на ультразвуке. Такие приборы позволяют обнаруживать различные однородности или неоднородности вещества в тканях человека, опухоли мозга и другие образования, патологические состояния мозга, дают возможность контролировать ритмичность работы сердца. Мне стало интересно, как же с помощью ультразвука работают эти установки, и вообще, что такое ультразвук. В школьном курсе физики про ультразвук и его свойства ничего не говорится, и я решила изучить ультразвуковые явления сама.

Цель работы : изучить ультразвук, экспериментально исследовать его свойства, изучить возможности применения ультразвука в технике.

Задачи:

теоретически рассмотреть причины образования ультразвука;

получить ультразвуковой фонтанчик;

исследовать свойства ультразвуковых волн в воде;

исследовать зависимость высоты фонтанчика отконцентрации растворенного вещества для разных растворов (вязкие и невязкие);

изучить современные применения ультразвука в технике.

Гипотеза: ультразвуковые волны обладают теми же свойствами, что и звуковые волны (отражение, преломление, интерференция), но за счет большей проникающей способности в веществе ультразвук имеет больше возможностей применения в технике; при увеличении концентрации раствора (плотности жидкости) высота ультразвукового фонтанчика уменьшается.

Методы исследования:

Анализ и отбор теоретической информации; выдвижение гипотезы исследования; эксперимент; проверка гипотезы.

II. - Теоретическая часть.

1. История возникновения ультразвука.

Внимание к акустике было вызвано потребностями морского флота ведущих держав - Англии и Франции, т.к. акустический - единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году французские учёныеЖ.-Д. Колладон и Ш.-Ф. Штурм определили скорость звука в воде. Их эксперимент считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась учеными на расстоянии 10 миль. Также был слышен звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, была вычислена скорость звука - 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.

В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт корабля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола (как, впрочем, и подрыв в воде пороховых патронов), давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки, то есть переходить на ультразвук.

Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин ФрэнсисГальтон. 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. Эта вибрация происходила с ультразвуковой частотой. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

Явление электрострикции (обратный пьезоэлектрический эффект) обусловлено ориентацией и плотной упаковкой части молекул воды вокруг ионных групп аминокислот и сопровождается уменьшением теплоемкости и сжимаемости растворов биполярных ионов. Явление электрострикциизаключается в деформации данного тела в электрическом поле. Вследствие явления электрострикции внутри диэлектрика возникают механические силы. Хотя явления электрострикции и наблюдаются у многих диэлектриков, но у большинства кристаллов они слабо выражены. У некоторых кристаллов, например у сегнетовой соли и титаната бария, явление электрострикции протекает весьма интенсивно.

III. - Практическая часть.

Создание ультразвуковых фонтанчиков.

Для получения ультразвука в работе использовались 2 разные ультразвуковые установки: 1) школьная ультразвуковая установка УД-1 и 2) Установка ультразвуковая демонстрационная УД-6.

Для получения фонтана взяли линзовый стакан и разместили сверху излучателя так, чтобы между дном стакана и пьезоэлементом не образовались воздушные пузырьки, сильно мешающие опытам. Для этого стакан ставили путем передвижения дном по крышке излучателя до попадания стакана в уступ излучателя. Установив линзовый стакан правильно, начали проводить наблюдения.Налили в линзовый стакан обычной питьевой воды.

Примерно через минуту после подачи генератору питания от сети наблюдали ультразвуковой фонтан (приложение 1, рис. 1), который настраивается ручкой подстройки частоты и регулировочными винтами. Вращая ручку подстройки частоты, получили фонтан такой высоты, что вода начала выбрызгиваться за край стакана (приложение 1, рис. 3, 12). Снова отверткой повернулиподстроечный конденсатор, уменьшили фонтан и продолжали регулировку винтом до нового максимума фонтана (максимальная высота фонтана 13-15см).Одновременно с возникновением фонтана появлялся водяной туман, являющийся результатом кавитационного явления (приложение 1, рис. 2).

Понижение фонтана с разбрызгиванием жидкости объясняется уходом плоскости уровня жидкости в сосуде от фокуса ультразвуковой линзы, вследствие понижения уровня. Для длительного наблюдения фонтана поместили последний в стеклянную трубку, по внутренней стенке которой фонтанирующая жидкость стекает, поэтому ее уровень в сосуде не изменяется. Для этого взяли трубку высотой 50 см с диаметром не более внутреннего диаметра линзового стакана (d=3см). При применении стеклянной трубки в линзовый стакан налили жидкость на 5 мм ниже верхнего края стакана для сохранения уровня жидкости, вследствие разбрызгивания ее на внутреннюю стенку трубки (приложение 1,рис. 4, 5, 6).

Наблюдение свойств ультразвука .

Для того чтобы получить отражение волн, в кювету с глицерином и сверху налитой водой внесли плоскую металлическую пластину и расположили ее под углом 45 0 к поверхности воды. Включили генератор и добивались образования стоячих волн (приложение 1,рис. 10), которые получаются в результате отражения волн от внесенной пластинки и стенки кюветы. В этом опыте одновременно наблюдали и интерференцию волн (приложение 1,рис. 8, 9). Провели точно такой же опыт, но вниз налили крепкий раствор марганцовокислого калия с водой (приложение 1,рис. 11), затем глицерин и сверху воду. В этом опыте добились еще и преломления волн: при переходе ультразвуковых волн через границу раздела двух жидкостей наблюдали изменение длины стоячей волны, в глицерине ее волна получается больше, чем в воде и растворенном в ней марганце, что объясняется различием скорости распространения ультразвука в указанных жидкостях.Также получили явление коагуляции частиц: в кювету с чистой водой добавили крахмал, тщательно перемешали; после включения генератора увидели, как частицы собираются в узлах стоячих волн и после выключения генератора падают вниз, очищая воду.Таким образом, в данных опытах пронаблюдали отражение, преломление, интерференцию ультразвука и коагуляцию частиц.

Наблюдение зависимости высоты фонтанчика от размера молекулы растворенного вещества и вида раствора.

Провелипроверку выдвинутой гипотезы о зависимости высоты ультразвукового фонтанчика от плотности жидкости (концентрации раствора) и размера молекулы. Для этого плотность изменяли путем растворения в ней веществ с разным размером молекулы (крахмал, сахар, яичный белок).

Для того чтобы узнать, как высота фонтанчика зависит от плотности раствора и размера молекулы растворенного вещества, провели следующие опыты. При постоянных частоте, напряжении и объеме жидкости (25мл) облучала ультразвуком воду, с растворенными в ней крахмалом, сахаром, яичным белком. Для каждого вещества проводила 4 опыта, при каждом последующем уменьшала концентрацию веществ в 2 раза, т. е. во втором опыте концентрация ниже в 2 раза, в третьем опыте - ниже в 4 раза, в четвертом - ниже в 8 раз. Все наблюдения записала и оформила в таблицу, приведенную выше. Также в приложении приводится диаграмма, в которой наглядно видно, как уменьшается концентрация веществ (приложение 2, диаграмма 1).

Таким образом, получила зависимость высоты фонтанчика от концентрации веществ (приложение 2, диаграмма 2), причем в опытах с яичным белком и крахмалом высота фонтанчика увеличилась, а в опытах с сахаром она уменьшилась.

Это объясняется тем, что молекулы крахмала и белка - это биологические полимеры (ВМС - высокомолекулярные соединения). При растворении в воде они образуют коллоидные растворы (диаметр коллоидной частицы - 1-100 нм) с высокой вязкостью. Из-за наличия большого количества гидроксогрупп (-ОН), в молекулах таких веществ (между молекулами воды и крахмала, воды и белка) образуются водородные связи, что способствует более равномерному распределению частиц в растворе, что отрицательно отражается на передаче волн.

Сахар - димер (С 12 Н 22 О 11)n, его растворение приводит к образованию истинного раствора (размеры частиц растворенного вещества сравнимы с размерами молекул растворителя), невязкого, с высокой проникающей способностью, такая структура раствора способствует более сильной передаче энергии волны.

Таким образом, для вязких жидкостей с увеличением концентрации раствора высота ультразвукового фонтанчика уменьшается, а для невязких жидкостей с увеличением концентрации раствора высота ультразвукового фонтанчика увеличивается.

IV. -Технические применения ультразвука.

Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:

получение информации о веществе;

воздействие на вещество;

обработка и передача сигналов.

Зависимость скорости распространения и затухания акустических волн от свойств вещества и процессов, в них происходящих, используется в следующих исследованиях:

изучение молекулярных процессов в газах, жидкостях и полимерах;

изучение строения кристаллов и других твёрдых тел;

контроль протекания химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и др.;

определение концентрации растворов;

определение прочностных характеристик и состава материалов;

определение наличия примесей;

определение скорости течения жидкости и газа.

Информацию о молекулярной структуре вещества даёт измерение скорости и коэффициента поглощения звука в нём. Это позволяет измерять концентрацию растворов и взвесей в пульпах и жидкостях, контролировать ход экстрагирования, полимеризации, старения, кинетику химических реакций. Точность определения состава веществ и наличия примесей ультразвуком очень высока и составляет доли процента.

Измерение скорости звука в твёрдых телах позволяет определять упругие и прочностные характеристики конструкционных материалов. Такой косвенный метод определения прочности удобен простотой и возможностью использования в реальных условиях.

Ультразвуковые газоанализаторы осуществляют слежение за процессами накопления опасных примесей. Зависимость скорости УЗ от температуры используется для бесконтактной термометрии газов и жидкостей.

На измерении скорости звука в движущихся жидкостях и газах, в том числе неоднородных (эмульсии, суспензии, пульпы), основаны ультразвуковые расходомеры, работающие на эффекте К. Допплера. Аналогичная аппаратура используется для определения скорости и расхода потока крови в клинических исследованиях.

Большая группа методов измерения основана на отражении и рассеянии волн ультразвука на границах между средами. Эти методы позволяют точно определять местонахождение инородных для среды тел и используются в таких сферах как:

гидролокация;

неразрушающий контроль и дефектоскопия;

медицинская диагностика;

определения уровней жидкостей и сыпучих тел в закрытых ёмкостях;

определения размеров изделий;

визуализация звуковых полей — звуковидение и акустическая голография.

Отражение, преломление и возможность фокусировки ультразвука используется в ультразвуковой дефектоскопии, в ультразвуковых акустических микроскопах, в медицинской диагностике, для изучения макронеоднородностей вещества. Наличие неоднородностей и их координаты определяются по отражённым сигналам или по структуре тени.

Методы измерения, основанные на зависимости параметров резонансной колебательной системы от свойств нагружающей его среды (импеданс), применяются для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкостей, для измерения толщины деталей, доступ к которым возможен только с одной стороны. Этот же принцип лежит в основе УЗ твердомеров, уровнемеров, сигнализаторов уровня. Преимущества УЗ методов контроля: малое время измерений, возможность контроля взрывоопасных, агрессивных и токсичных сред, отсутствие воздействия инструмента на контролируемую среду и процессы.

V. - Заключение:

В процессе выполнения исследовательской работы я теоретически рассмотрела причины образования ультразвука; изучила современные применения ультразвука в технике:ультразвук позволяет узнать молекулярную структуру вещества,определять упругие и прочностные характеристики конструкционных материалов,осуществлять слежение за процессами накопления опасных примесей; используется в ультразвуковой дефектоскопии, в ультразвуковых акустических микроскопах, в медицинской диагностике, для изучения макронеоднородностей вещества,для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкостей, для измерения толщины деталей, доступ к которым возможен только с одной стороны. Экспериментально получила ультразвуковой фонтанчик: установила, что максимальная высота фонтанчика 13-15 см, (зависит от уровня воды в стакане, частоты ультразвука, концентрации раствора, вязкости раствора). Экспериментально исследовала свойства ультразвуковых волн в воде: определила, что свойства ультразвуковой волны такие же, как и у звуковой волны, но все процессы, благодаря высокой частоте ультразвука, происходят с большим проникновением в глубину вещества.

Проведённые эксперименты доказали, что ультразвуковой фонтанчик можно использовать для исследования свойств растворов, таких как концентрация, плотность, прозрачность, величина растворённых частиц. Данный метод исследования отличается быстротой и простотой выполнения, точностью исследования, возможностью легко сравнивать различные растворы. Подобные исследования актуальны при осуществлении экологических мониторингов. Например, при изучении состава хвостохранилища горных разработок в г. Оленегорске на различной глубине или для мониторинга воды на очистных сооружениях.

Таким образом, я подтвердила свою гипотезу, что ультразвуковые волны обладают теми же свойствами, что и звуковые волны (отражение, преломление, интерференция), но за счет большей проникающей способности в веществе ультразвук имеет больше возможностей применения в технике. Гипотеза о зависимости высоты ультразвукового фонтанчика от плотности жидкости подтвердилась частично: при изменении концентрации растворенного вещества изменяется плотность и изменяется высота фонтанчика, но передача энергии ультразвуковой волны зависит в большей степени от вязкости раствора, поэтому для разных жидкостей (вязкие и невязкие) зависимость высоты фонтанчика от концентрации оказалась различной.

VI. - Библиографический список:

Мясников Л.Л. Неслышимый звук. Ленинград «Судостроение», 1967. 140 с.

Паспорт Установка ультразвуковая демонстрационная УД-76 3.836.000 ПС

Хорбенко И.Г. Звук, ультразвук, инфразвук. М., «Знание», 1978. 160 с. (Наука и прогресс)

Приложение 1

Приложение 2

Диаграмма 1

Если в сплошной среде – газах, жидкостях или твердых телах частицы среды окажутся выведенными из положения равновесия, то упругие силы, действующие на них со стороны других частиц, будут возвращать их в положение равновесия. При этом частицы будет совершать колебательное движение. Распространение упругих колебаний в сплошной среде представляет собой волнообразный процесс.
Колебания с частотой от единиц Герц (Гц) до 20 Герц называются инфразвуковыми , при частоте от 20 Гц до 16…20 кГц колебания создают слышимые звуки . Ультразвуковые колебания соответствуют частотам от 16…20 кГц до 10 8 Гц, а колебания с частотой более 10 8 Гц получили название гиперзвуков . На рисунке 1.1 показана логарифмическая шкала частот, выполненная на основе выражения lg 2 f = 1, 2, 3 …, n, где 1, 2, 3 …, n – номера октав.

Рисунок 1.1 - Диапазоны упругих колебаний в материальных средах

Физическая природа упругих колебаний одинакова во всем диапазоне частот. Для понимания природы упругих колебаний рассмотрим их свойства.
Форма волны - это форма волнового фронта, т.е. совокупности точек, обладающих одинаковой фазой. Колебания плоскости создают плоскую звуковую волну, если излучателем служит цилиндр, периодически сжимающийся и расширяющийся по направлению своего радиуса, то возникает цилиндрическая волна. Точечный излучатель, или пульсирующий шарик, размеры которого малы по сравнению с длиной излучаемой волны, воздает сферическую волну.

Звуковые волны подразделяются по типу волн : они могут быть продольными, поперечными, изгибными, крутильными – в зависимости от условий возбуждения и распространения. В жидкостях и газах распространяются только продольные волны, в твердых телах могут возникать также поперечные и другие из перечисленных типов волн. В продольной волне направление колебаний частиц совпадает с направлением распространения волны (Рисунок 1.2, а ), поперечная волна распространяется перпендикулярно направлению колебаний частиц (Рисунок 1.2, б ) .

а) движение частиц среды при распространении продольной волны; б) движение частиц среды при распространении поперечной волны.

Рисунок 1.2 – Движение частиц при распространении волны

Любая волна, как колебание, распространяющееся во времени и в пространстве, может быть охарактеризована частотой , длиной волны и амплитудой (Рисунок 3) . При этом длина волны λ связана с частотой f через скорость распространения волны в данном материале c: λ = c/f .

Рисунок 1.3 - Характеристики колебательного процесса

1.6 Практическое применение низкоэнергетических ультразвуковых колебаний

Область применение УЗ колебаний низкой интенсивности (условно до 1 Вт/см 2) очень обширна и мы поочередно рассмотрим несколько основных применений УЗ колебаний малой интенсивности.
1. УЗ приборы для контроля химических характеристик различных материалов и сред. Все они основаны на изменении скорости УЗ колебаний в среде и позволяют:
- определять концентрацию бинарных смесей;
- плотности растворов;
- степень полимеризации полимеров;
- наличие в растворах примесей, газовых пузырьков;
- определять скорости протекания химических реакций;
- жирность молока, сливок, сметаны;
- дисперсность в гетерогенных системах и др.
Разрешающая способность современных УЗ приборов 0,05 % , точность измерений скорости распространения на образцах длиной 1 м составляет 0,5 -1 м/с (скорость в металле более 5000 м/с). Практически все измерения проводятся методом сравнения с эталоном.
2. Приборы для контроля физико - химических характеристик , основанные на измерении затухания ультразвука. Такие приборы позволяют осуществлять измерение вязкости, измерение плотности, состав, содержание примесей, газов и т.п. Используемые методики также основаны на методах сравнения с эталоном.
3. УЗ расходомеры жидкостей в трубопроводах . Их действие также основано на измерении скорости распространения УЗ колебаний вдоль потока жидкости и против потока. Сравнение двух скоростей позволяет определить скорость потока, а при известном сечении трубопровода расход. Пример одного из расходомеров (№15183 в Госреестре Средств Измерений) представлен на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 – Стационарный ультразвуковой расходомер "АКРОН"

Такой расходомер обеспечивает измерение объемного расхода и суммарного объема (количества) жидкостей, протекающих в напорных трубопроводах систем водоснабжения, канализации и нефтепродуктоснабжения без врезки в действующий трубопровод. Принцип действия расходомера заключается в измерении разности времени прохождения ультразвуковой волны по потоку и против потока контролируемой жидкости, пересчете ее в мгновенное значение расхода с последующим интегрированием.
Погрешность прибора составляет 2 % от верхнего предела измерения. Верхний и нижний пределы измерения устанавливает оператор. Расходомер включает в себя блок датчиков (состоит из двух ультразвуковых датчиков и устройства для их крепления на трубе) и электронный блок, соединенные радиочастотным кабелем длиной до 50 м (стандартно - 10м.). Датчики устанавливаются на прямолинейном участке трубопровода на наружной поверхности, очищенной от грязи, краски и ржавчины. Условие правильной установки датчиков - наличие прямого участка трубы не менее 10 диаметров трубы - перед, и 5 диаметров - после датчиков.
4. Сигнализаторы уровней
Принцип действия основан на локации уровня жидких или сыпучих материалов ультразвуковыми импульсами, проходящими через газовую среду, и на явлении отражения этих импульсов от границы раздела «газ - контролируемая среда». Мерой уровня при этом является время распространения звуковых колебаний от излучателя до контролируемой границы раздела сред и обратно до приемника. Результат измерения выводится на персональный компьютер, где все измерения запоминаются, с последующей возможностью их просмотра и анализа, а также подключения к системе автоматизированного сбора и обработки данных. Уровнемер в составе системы может включать конечные автоматы, насосы и др. устройства при уровне выше максимального и ниже минимального значения, что позволяет автоматизировать технологический процесс. Дополнительно формируется токовый выход (0,5 мА, 0-20 мА) для самопишущих приборов.
Сигнализатор уровня позволяет контролировать температуру среды в резервуарах. Основным форматом выводимых данных является расстояние от вершины резервуара до поверхности, содержащегося в нем вещества. По желанию заказчика, при предоставлении необходимой информации возможна доработка устройства для вывода высоты, массы либо объема вещества в резервуаре.
5. УЗ анализаторы состава газов основаны на использовании зависимости скорости УЗ в смеси газов от скоростей в каждом из составляющих эту смесь газов.
6. Охранные УЗ устройства основаны на измерении различных параметров УЗ полей (амплитуды колебаний при перекрытии пространства между излучателем и приемником, изменении частоты при отражении от движущегося объекта и т.п.).
7. Измерители температуры газов и пожарные сигнализаторы, основанные на изменении скорости распространения при изменении температуры среды или появления дыма.
8. Приборы ультразвукового неразрушающего контроля. Неразрушающий контроль является одним из основных технологических приёмов обеспечения качества материалов и изделий. Не одно изделие не должно эксплуатироваться без проверки. Можно проверку осуществить путем испытаний, но так можно испытать 1- 10 изделий, но нельзя проверить 100% всех изделий, т.к. проверить - это значит испортить всё изделия. Поэтому, проверять необходимо, не разрушая.
Одни из наиболее дешевых, простых и чувствительных является УЗ метод неразрушающего контроля. Главными достоинствами по сравнению с другими методами неразрушающих испытаний являются:

- обнаружение дефектов, находящихся глубоко внутри материала, что стало возможным благодаря улучшенной проникающей способности. Ультразвуковое обследование проводится до глубины нескольких метров. Контролю подвергаются различные изделия, например: длинные стальные стержни, роторные штамповки и т.д.;
- высокая чувствительность при обнаружении чрезвычайно малых дефектов длиной несколько миллиметров;
- точное определение местоположения внутренних дефектов, оценка их размера, характеристика направления, формы и природы;
- достаточность доступа только к одной из сторон изделия;
- контроль процесса электронными средствами, что обеспечивает почти мгновенное выявление дефектов;
- объемное сканирование, что позволяет обследовать объем материала;
- отсутствие требований по мерам предосторожности, связанным со здоровьем;
- портативность оборудования.

1.7 Практическое применение высокоинтенсивных ультразвуковых колебаний

На сегодняшний день основные процессы, реализуемые и интенсифицируемые при помощи высокоэнергетических ультразвуковых колебаний, принято разделять на три основные подгруппы, в зависимости от вида среды, в которой они реализуются (рисунок 1.5) .

Рисунок 1.5 – Применение высокоэнергетических ультразвуковых колебаний

В зависимости от вида среды процессы условно делятся на процессы в жидких, твердых и термопластичных материалах и газообразных (воздушных) средах. В последующих разделах будут более подробно рассмотрены процессы и аппараты для интенсификации процессов в жидких, твердых и термопластичных материалах, газообразных средах .
Далее рассмотрим примеры основных технологий, реализуемых с использованием высокоэнергетических ультразвуковых колебаний.
1. Размерная обработка.

Ультразвуковые колебания применяются для обработки хрупких и особотвердых материалов и металлов.
Основные технологические процессы, интенсифицируемые ультразвуковыми колебаниями это сверление, зенкование, нарезание резьб, волочение проволоки, полировка, шлифовка, сверление отверстий сложной формы. Интенсификация этих технологических процессов происходит благодаря наложению на инструмент ультразвуковых колебаний.
2. УЗ очистка.
Сегодня существует множество способов очистки поверхностей от различных загрязнений. УЗ очистка более быстрая, обеспечивает высокое качество и отмывает труднодоступные участки. При этом обеспечивается замена высокотоксичных, огнеопасных и дорогих растворителей обычной водой.
С помощью высокочастотных ультразвуковых колебаний производится очистка автомобильных карбюраторов и инжекторов за несколько минут.
Причина ускорения очистки в кавитации, особым явлением при котором в жидкости образуются мельчайшие газовые пузырьки. Эти пузырьки лопаются (взрываются) и создают мощные гидропотоки, которые вымывают всю грязь. На этом принципе существуют сегодня стиральные машины и малые установки мойки. Особенности реализации кавитационного процесса и его потенциальные возможности будут рассмотрены отдельно. УЗ очищает металлы от полировочных паст, прокат от окалины, драгоценные камни от полировочных мест. Очистка печатных форм, стирка тканей, мойка ампул. Очистка трубопроводов сложной формы. Кроме очистки, ультразвук способен производить удаление мелких заусенец, полировку.
Ультразвуковое воздействие в жидких средах уничтожает микроорганизмы и поэтому широко используется в медицине и микробиологии.
Возможна и другая реализация УЗ очистки.
- очистка дыма от твердых частиц в воздухе. Для этого также используется ультразвуковое воздействие на туманы и дым. Частицы в УЗ поле начинают активно двигаться, соударяются и слипаются, осаждаются на стенки. Это явление называется ультразвуковой коагуляцией и используется для борьбы с туманом на аэродромах, на дорогах и в морских портах.
3. УЗ сварка.
В настоящее время, с помощью ультразвуковых колебаний высокой интенсивности, производится сварка полимерных термопластичных материалов. Сварка полиэтиленовых тюбиков, коробок, банок обеспечивает отличную герметичность. В отличие от других способов, с помощью ультразвука можно варить загрязненные пластмассы, трубки с жидкостью и т.д. При этом содержимое стерилизуется.
С помощью ультразвуковой сварки производится сварка тончайшей фольги или проволоки к металлической детали. Причем УЗ сварка - является холодной сваркой, поскольку шов формируется при температуре ниже температуры плавления. Таким образом, соединяются сваркой алюминий, тантал, цирконий, ниобий, молибден и т.п.
В настоящее время ультразвуковая сварка нашла наибольшее применение для высокоскоростных процессов упаковки и производства полимерных упаковочных материалов.
4. Пайка и лужение
С помощью высокочастотных ультразвуковых колебаний производится пайка алюминия. С помощью УЗ можно лудить, а затем паять керамику, стекло, что ранее было невозможно. Ферриты, припайка полупроводниковых кристаллов к позолоченным корпусам реализуются сегодня с применением ультразвуковой технологии.
5. Ультразвук в современной химии
В настоящее время, как следует из литературных источников сформировано новое направление в химии - УЗ химия. Изучая химические превращения, происходящие под действием УЗ, ученые установили, что УЗ не только ускоряет окисление, но в некоторых случаях обеспечивают восстанавливающее действие. Таким образом, восстанавливается железо из окислов и солей.
Получены хорошие положительные результаты по интенсификации УЗ следующих химико-технологических процессов:
- электроосаждение, полимеризация, деполимеризация, окисление, восстановление, диспергирование, эмульгирование, коагуляция аэрозолей, гомогенизация, пропитка, растворение, распыление, сушка, горение, дубление и др.
Электроосаждение - осаждающийся металл приобретает мелкокристаллическую структуру, уменьшается пористость. Таким образом, осуществляемо меднение, лужение, серебрение. Процесс идет быстрее и качество покрытия выше, чем в обычных технологиях.
Получение эмульсий: вода и жир, вода и эфирные масла, вода и ртуть. Барьер несмешиваемости преодолевается благодаря УЗ.
Полимеризация (соединение молекул в одну) - степень полимеризации регулируется частотой УЗ.
Диспергирование - получение сверхтонких пигментов для получения красителей.
Сушка - без нагревания биологически активные вещества. В пищевой, фармакологической промышленности.
Распыление жидкостей и расплавов. Интенсификация процессов в распылительных сушках. Получение металлического порошка из расплавов. Эти распылительные устройства исключают вращающие и трущиеся детали.
УЗ усиливает эффективность горения в 20 раз жидких и твердых топлив.
Пропитка. В сотни раз быстрее проходит жидкость через капилляры пропитываемого материала. Используется при производстве рубероида, шпал, цементных плит, текстолита, гетинакса, пропитке древесины модифицированными смолами
6. УЗ в металлургии.
- Известно, что металлы при плавлении поглощают газы алюминия и его сплавы. 80% всех газов в расплавленном металле приходится на долю Н2. Это привод к ухудшению качества металла. Газы удается удалять с помощью УЗ, что позволило в нашей стране создать специальный технологический цикл и широко использовать его при производстве металлов.
- УЗ способствует закалке металлов
- В порошковой металлургии УЗ способствует слипанию частичек изготавливаемого материала. При этом отпадает необходимость в уплотнении большим давлением.
7. УЗ в горном деле.
Применение ультразвука позволяет реализовать следующие технологии:
- Удаление парафина со стенок нефтяных скважин;
- Исключение взрывов метана в шахтах за счет его распыления;
- УЗ обогащение руд (флотационный метод с применением УЗ).
8. УЗ в сельском хозяйстве.
Ультразвуковые колебания благаприятно влияют на семена и зерна перед их посадкой. Так, обработка семян томатов перед посадкой обеспечивает увеличение численности плодов, сокращает время созревания и увеличение количества витаминов.
Обработка УЗ семян дыни и кукурузы приводит к повышению урожайности на 40 %.
При обработке УЗ семян можно обеспечить дезинфекцию и ввести необходи-мые микроэлементы из жидкости
9. Пищевая промышленность.
На практике уже сегодня реализуются следующие технологии:
- Обработка молока для гомогенизации стерилизации;
- Обработка для увеличения сроков хранения и качества молока в заморо-женном виде
- Получение высококачественного порошкового молока;
- Получение эмульсий для хлебопечения;
- Обработка дрожжей на 15 % повышает их бродильную силу;
- Получение ароматических веществ, пюре, извлечение жира из печени;
- Выделение винного камня;
- Экстрагирование растительного и животного сырья;
- Производство духов (6...8 часов вместо года).
10. УЗ в биологии.
- Большие дозы ультразвука убивают микроорганизмы (стафилококки, стрептококки, вирусы);
- Малые интенсивности ультразвукового воздействия способствуют росту колоний микроорганизмов;
11. Влияние на человека.
Ультразвуковое воздействие с интенсивностью до 0,1…0,4 Вт/см носит лечебное воздействие. В Америке лечебным считается воздействие с интенсивностью до 0,8 Вт/см
12. В медицине.
Ультразвуковые скальпели, устройства для внешней и внутренней липосакции, лапороскопические инструменты, ингаляторы, массажеры находят самое широчайшее применение и позволяют лечить различные болезни.
Изложенный далее курс лекций предназначен для предварительного ознакомления студентов, аспирантов, инженеров и технологов различных производств с основами ультразвуковых технологий и призван дать основополагающие знания по теории формирования ультразвуковых колебаний и практике применения УЗ колебаний высокой интенсивности.

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ , колебания, имеющие столь высокую частоту, что звуки от них не воспринимаются ухом. Частоты ультразвуковых колебаний начинаются с 15000-20000 Hz. О существовании ультразвуковых колебаний было известно уже давно, а после появления в 1883 г. свистка Гальтона, издававшего неслышные звуки, демонстрация их вошла в практику преподавания. Однако до последнего времени ультразвуковые колебания не имели никакого практического значения, т. к. не существовало достаточно мощных источников ультразвуковых колебаний. Началом оживления исследований ультразвуковых колебаний следует считать 1917-19 гг., когда Ланжевену в Париже удалось применить кварц для получения мощных ультразвуковых волн в воде. В особенности же оживились исследования ультразвуковых колебаний после работ Кэди, начавшихся в 1922 г.; это оживление продолжается и в данное время.

Способы получения ультразвуковых колебаний весьма разнообразны; почти все способы получения колебаний пригодны и для ультразвуковых колебаний. Не слишком мощные звуки проще всего получаются свистком Гальтона (фиг. 1), представляющим воздушный резонатор, собственная частота которого может меняться от 10000 до 30000 Hz и против отверстия которого направляется струя воздуха. Мощность такого свистка невелика, и во всех нижеописываемых способах источником энергии ультразвуковой частоты является переменный электрический ток, получаемый обычно от автоколебательных электрических контуров с электронной лампой; исключение представляет только поющая дуга, с которой Неклепаевым в 1911 г. были получены ультразвуковые колебания и волны с частотами до 3500000 Hz, что соответствует длине волны около 0,1 мм. Волны были получены в воздухе, и оказалось, что последний весьма сильно их поглощает. Первым мощным источником ультразвуковых колебаний был пьезоэлектрический передатчик Ланжевена, предназначенный для работ в воде. Основною частью передатчика Ланжевена является пластинка Q кварца (фиг. 2), вырезанная перпендикулярно к электрической оси и снабженная плотно приклеенными к ней обкладками А, А. Если подводить к ним переменный ток, то вследствие пьезоэлектрического пластинка кварца расширяется и сжимается с частотою, равной частоте переменного тока. При подходящем выборе частоты, когда собственные колебания передатчика попадают в резонанс с током, они становятся весьма мощными и излучают большую ультразвуковую энергию.

В подводном передатчике Ланжевена только одна пластинка А находится в соприкосновении с водою, другая же заключена в корпус, показанный на фиг. 2 схематически пунктиром. Такие передатчики строят обычно на частоты около 30000-40000 Hz.

Вуд и Люмис употребляли для своих опытов пластинки с весьма тонкими обкладками, практически не влиявшими на собственную частоту пластинки. Т. к. общая толщина передатчика была у них много меньше, то частота ультразвуковых колебаний у них была много больше, именно порядка 5·10 5 Hz. Мясникову удалось дойти до частот 10 6 -10 7 Hz; передатчики в обоих случаях помещались в масляной ванне, где и распространялись ультразвуковые волны. Имеются успешные попытки получать ультразвуковые колебания достаточной мощности и путем использования магнитострикционных колебаний. Гейнес получил весьма сильные ультразвуки посредством возбуждения магнитострикционных колебаний в никелевой трубке, на нижнюю часть которой, находящуюся в воздухе, действовало переменное магнитное поле, а верхняя, находящаяся в жидкости, излучала звук. Неудовлетворительные результаты дает и электрическая искра. В настоящее время лучшим практическим способом для получения мощных ультразвуковых передатчиков является способ Ланжевена. Опыты по получению тем же способом ультразвуковых волн в воздухе показали, что отдача передатчиков этого типа в воздухе весьма незначительна.

Распространение ультразвуковых волн в газах и жидкостях в общем подчиняется тем же закономерностям, как и обычные звуковые волны, однако имеются и некоторые особенности. Ультразвуковые волны в воздухе и газах весьма значительно поглощаются и тем сильнее, чем выше частота ультразвуковых волн. Кратчайшие из них, исследованные Неклепаевым, ослабляются в 100 раз, уже пройдя 6 мм. Волны в 8 раз длиннее ослабляются во столько же раз, пройдя 40 см, и т. д. Кроме того замечена некоторая дисперсия ультразвуковых волн. При больших мощностях ультразвуковых передатчиков от них кроме ультразвукового излучения идет «ветер», впервые обнаруженный Мейсснером на кварцевых пластинках, наблюдающийся и у подводных передатчиков. Если, как в опытах Вуда и Люмиса, ультразвуковые волны падают на границу двух сред (в их опытах масло - воздух и масло - вода), то поверхность соприкосновения их сильно искажается вследствие т. н. звукового давления, образуются целые фонтаны мельчайших брызг, а в опытах с маслом и водой образуется эмульсия масла в воде; ультразвуковые волны, распространяющиеся вдоль по стеклянной палочке, вызывают ощущение ожога при прикосновении к ней, хотя термометр показывает только незначительное повышение температуры. Значительны также и физиология, действия мощных ультразвуковых волн: животные и растительные клетки и бактерии погибают в поле ультразвуковых волн, так что оказалось возможным этим способом стерилизовать молоко; поблизости передатчиков Ланжевена погибали рыбки. Возможно, при дальнейшем развитии, ультразвуковые волны получат терапевтическое значение. Вследствие чрезвычайно малой длины волны в поле ультразвуковых волн наблюдается дифракция световых волн, как в дифракционных решетках (Дебай и Сирс). Построены (Пирс) интерферометры для ультразвуковых волн, служащие для определения скоростей звука в газах и жидкостях. Разнообразны приложения ультразвуковых колебаний в технике , причем почти все основаны на свойствах именно кварцевых резонаторов. В виду того что затухание в колеблющихся кварцевых стержнях, пластинках и в особенности кольцах много меньше, чем в электрических контурах, последние заменяются первыми во всех случаях, когда необходим резко выраженный резонанс. Так получили большое распространение кварцевые стабилизаторы для; свойство кварца светиться при колебаниях, так как на нем появляются электрические заряды, использовано в волноуказателях (Гибе). Частота колебаний, даваемая кварцевыми кольцами, настолько постоянна, что Моррисон использовал их для электрических часов, превзошедших по своей точности все до того известные, т. ч. кварц в настоящее время является наилучшим стандартом частоты.

Подводные кварцевые передатчики для ультразвуковых колебаний получили еще незначительное распространение, однако вследствие их высокой частоты у них имеются два достоинства по сравнению с электромагнитными подводными передатчиками: они обладают, во-первых; большой направленностью, позволяя сосредоточить пучок исходящих от них лучей в узком телесном угле; во-вторых, они имеют (при хорошей конструкции, которая еще не достигнута вполне) большой КПД. В первую очередь они получили применение как приборы по определению глубин в т. н. эхолотах . Луч исходящего от передатчика звука направляется ко дну; отражаясь от него, возвращается к тому же передатчику, который его принимает; записывающая установка регистрирует время хода звука от передатчика до дна и обратно, откуда вычисляется глубина. Ультразвуковые передатчики употребляются для телеграфирования с судна на судно, между прочим, и для подводных лодок, для которых звуковая связь - почти единственно возможная; при этом ультразвуковой передатчик является и приемником. Были попытки применения ультразвуковых лучей для открытия подводных лодок и ледяных гор (Бойль и Рейд, 1926), для просвечивания пороков в металлах (С. Соколов), однако здесь еще не получены результаты достаточно надежные, чтобы соответствующие установки могли войти в практику.

Ультразвук - это упругие механические колебания с частотой, превышающей 18 кГц, которая является верхним порогом слышимости человеческого уха. Благодаря повышенной частоте ультразвуковые колебания (УЗК) обладают рядом специфических особенностей (возможность фокусирования и направленность излучения), что позволяет сконцентрировать акустическую энергию па малых площадях излучаемой поверхности.

От источника колебаний ультразвук передается в среде в виде упругих волн и может быть представлен в виде волнового уравнения для продольной плоской волны:

где Л - смещение колеблющейся частицы; t - время; х - расстояние от источника колебаний; с - скорость звука в среде.

Скорость звука разная для каждой среды и зависит от ее плотности и упругости. Частные виды волнового уравнения позволяют описывать распространение волны для многих практических случаев.

Форма ультразвуковых волн

Ультразвуковые волны от источника колебаний распространяются во все стороны. Около каждой частицы среды находятся другие частицы, колеблющиеся с ней в одинаковой фазе. Совокупность точек, обладающих одинаковой фазой колебаний, называется волновой поверхностью.

Расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний частиц среды, называется длиной волны.

где Т - период колебаний; / - частота колебаний.

Фронтом волны называется совокупность точек, до которых колебания доходят к определенному моменту времени. В каждый момент времени фронт волны только один, и он все время перемещается, а волновые поверхности остаются неподвижными.

В зависимости от формы волновой поверхности различают плоские, цилиндрические и сферические волны. В простейшем случае волновые поверхности плоские и волны называются плоскими, а источником их возбуждения является плоскость. Цилиндрическими называются волны, у которых волновые поверхности являются концентрическими цилиндрами. Источники возбуждения таких волн выступают в виде прямой линии или цилиндра. Сферические волны создаются точечными или шарообразными источниками, радиусы которых намного меньше длины волны. Если же радиус превышает длину волны, то ее можно считать плоской.

Уравнение плоской волны, распространяющейся вдоль оси X, если источник возбуждения совершает гармонические колебания с угловой частотой со и амплитудой Л 0 , имеет вид

Начальная фаза а волны определяется выбором начала отсчета координаты х и времени t.

При анализе прохождения одной волны начало отсчета обычно выбирают таким образом, чтобы а = 0. Тогда уравнение (3.2) можно записать в виде

Последнее уравнение описывает бегущую волну, распространяющуюся в сторону возрастающих (+) или убывающих (-) значений. Оно является одним из решений волнового уравнения (3.1) для плоской волны.

В зависимости от направления колебаний частиц среды относительно направления распространения волны различают несколько типов ультразвуковых воли (рис. 3.1).

Если частицы среды колеблются по линии, совпадающей с направлением распространения волны, то такие волны называются продольными (рис. 3.1, а). Когда смещение частиц среды происходит в направлении, перпендикулярном к направлению распространения волны, волны называются поперечными (рис. 3.1, б).

Рис. 3.1. Схема колебательных смещений частиц среды для различных типов волн: а - продольная; б - поперечная; в - изгибная

В жидкостях и газах могут распространяться только продольные волны, поскольку упругие деформации в них возникают при сжатии и не возникают при сдвиге. В твердых телах могут распространяться как продольные, так и поперечные волны, поскольку твердые тела обладают упругостью формы, т.е. стремятся сохранить свою форму при воздействии на них механических сил. Упругие деформации и напряжения возникают в них не только при сжатии, но и при сдвиге.

В твердых телах небольшого размера, например в стержнях, пластинах, картина распространения волн более сложная. В таких телах возникают волны, являющиеся комбинацией двух основных типов: крутильные, изгибные, поверхностные.

Тип волны в твердом теле зависит от характера возбуждения колебаний, формы твердого тела, его размеров по отношению к длине волны, причем в определенных условиях могут одновременно существовать волны нескольких типов. Схематическое изображение изгибной волны приведено на рис. 3.1, в. Как видно, смещение частиц среды происходит как перпендикулярно к направлению распространения волны, так и вдоль него. Таким образом, изгибная волна имеет общие признаки как продольных, так и поперечных волн.