Применение ультразвука

В настоящее время ультразвук широко применяется в раз­ных областях науки и промышленности. Для различных целей непосредственно используются физическое, химическое или био­логическое действия ультразвука. Ультразвуковые волны приме­няются и как средство связи для обмена информацией или ее полу­чения. В наши дни в качестве излучателей ультразвуковых волн применяются главным образом ультразвуковые преобразователи, основанные на принципе преобразования электрической энергии в акустическую; те же преобразователи играют роль прием­ников ультразвуковой энергии.

Для научных целей ультразвук применяется в качестве сред­ства исследования природы или свойств различных объектов на основе анализа ультразвуковых колебаний с сопровождаю­щими их физико-химическими или биологическими явлениями.

Методы непосредственного применения ультразвуковой энер­гии можно подразделить на две категории: 1) использование различных воздействий ультразвуковой кавитации, возникающей в жидкостях, и 2) использование других явлений, не обязательно связанных с кавитацией. Ультразвуковая кавитация, возбуждае­мая в жидкой среде, производит физические и химические действия, такие, как дегазация, гомогенизация, диспергирование, частич­ная агломерация, окисление, эмульгирование, деполимеризация высокополимерных соединений и т. д. Для промышленного при­менения этих воздействий ультразвука в настоящее время серийно выпускается аппаратура различного назначения и разных разме­ров. Наряду с общепринятым применением ультразвуковых виб­рационных систем или установок ультразвуковой очистки в метал­лургии, машиностроении, химической или текстильной промыш­ленности аппаратура средних и малых размеров используется в госпиталях для очистки медицинских инструментов. Очень малые установки ультразвуковой очистки теперь можно увидеть даже в оптических и часовых мастерских.

Применение ультразвуковых волн для связи распространилось на самые различные области. Так, одной из широких областей подобного применения является измерение глубин с помощью ультразвука. В ультразвуковом эхолоте импульсный электриче­ский сигнал возбуждает преобразователь, который излучает в воду ультразвуковой импульс; акустический эхо-сигнал, отра­женный от дна, принимается с помощью преобразователя, который превращает его в электрический сигнал. Преобразованный эхо-сигнал затем усиливается и поступает в соответствующий прибор, где измеряется промежуток времени между моментами излуче­ния и приема, определяющий глубину. В ультразвуковых рыбопоисковых приборах механизм определения местоположения рыб­ного косяка такой же, как и при ультразвуковом измерении глу­бин. В ультразвуковых активных гидролокаторах — сонарах — направление излучения и приема ультразвука обычно горизонталь­но, так что в воде могут быть обнаружены любые цели, а также измерены их азимуты и расстояния до них.

В большинстве упомянутых выше случаев применения ультра­звука, исключая хирургию, частота ультразвуковых волн обычно заключена в диапазоне от 5 до 100 кГц, в котором широко исполь­зуются магнитострикционные преобразователи, конкурирующие с пьезоэлектрическими или, пьезокерамическими преобразова­телями.

Импульсный ультразвуковой эхо-метод находит также приме­нение для обнаружения дефектов в стали и других материалах или в готовых деталях машин. Ультразвуковые дефектоскопы, основанные на этом принципе, широко используются для целей контроля как в тяжелой индустрии, так и в машиностроении. Тот же принцип используется в медицинской диагностике, и при­боры, основанные на нем, широко применяются в повседневной практике в медицинских клиниках. В этих случаях частота ультра­звука обычно лежит между 0,5 и 10 МГц, поэтому для преобразо­вателей используются кристаллы кварца, пьезокерамика типа ЦТС или другие пьезоэлектрические материалы.

 

 

Рис.1.2. Механический фильтр.

Ультразвук находит применение и при конструировании вол­новых фильтров. Механическая цепочка (Рис. 1.2), собранная из соответствующего числа механически связанных цилиндров, круглых дисков или других твердых резонаторов, оказывает фильтрующее действие на распространяющиеся вдоль нее ультра­звуковые волны. Электрические сигналы системы связи преобра­зуются в механические колебания с помощью электромеханиче­ского преобразователя, связанного с цепочкой, а ультразвуковые волны, достигающие противоположного конца цепочки, снова преобразуются в электрический сигнал с помощью другого пре­образователя, так что такая электромеханическая система может работать в качестве волнового фильтра в аппаратуре связи. Систе­мы такого типа называются механическими фильтрами.

В качестве новейшего направления в области применения ультразвука можно упомянуть использование ультразвуковых волн сверхвысокочастотного и высокочастотного диапазонов в ка­честве средства исследования физических свойств материи. Полу­чаемые здесь интересные результаты побуждают инженеров-иссле­дователей находить все новые технические применения, такие, как ультразвуковые линии задержки, ультразвуковые усилители с бегущей волной и т. д. Преобразователи для излучения и приема таких гиперзвуковых волн (высокочастотных и сверхвысокочастот­ных звуковых волн) должны иметь исключительно малую толщину, поэтому они изготавливаются обычно в виде напылённых тонких пленок из пьезоэлектрических веществ или в виде диффузионных или обедненных слоев некоторых пьезоэлектрических полупровод­ников. Так как методы изготовления преобразователей для этих частотных диапазонов относятся к весьма специальной области техники, в данной книге они не описываются. Но теория и методы расчета таких преобразователей не слишком отличаются от при­веденных здесь.

При всем разнообразии ультразвуковых уста­новок общим для них является, то, что полезный эффект достига­ется за счет энергии ультразвуковых упругих колебаний. В состав любой ультразвуковой установки входят источник энергии и ультразвуковая колебательная система (преобразова­тель), преобразующая электрическую энергию в энергию механи­ческих ультразвуковых колебаний.

Наиболее распространенным типом преобразователей являют­ся электроакустические (в частности, магнитострикционные или пьезоэлектрические). Источником энергии в этом случае является полупроводниковый или ламповый электрический генератор уль­тразвуковой частоты. Используются также механоакустические ис­точники ультразвуковых колебаний, преобразующие механическую энергию (например, энергию сжатого газа) в ультразвуковую.

В качестве трансформатора упругих колебаний в установках чаще всего используют продольно-изгибную систему, состоящую из концентратора продольных коле­баний и волновода изгибных колебаний. Преобразователь, ус­тройство для охлаждения, трансформатор упругих колебаний и инструмент образуют ультразвуковую колебательную систему. В состав колебательной системы входят также элементы, обеспечивающие крепление ее к корпусу установки.

 

 

Глава 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.