Применение ультразвука. 
Ультразвуковые колебания и преобразователи

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;
• 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. ультразвуковой колебание акустический пьезоэлектрический 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.

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.