Применение ультразвука в других отраслях

Ультразвуковая очистка.

Качество ультразвуковой очистки несравнимо с другими способами. Например, при полоскании деталей на их поверхности остается до 80% загрязнений, при вибрационной очистке — около 55%, при ручной — около 20%, а при ультразвуковой — не более 0,5%. Кроме того, детали, имеющие сложную форму, труднодоступные места, хорошо можно очистить только с помощью ультразвука. Особое преимущество ультразвуковой очистки заключается в ее высокой производительности при малой затрате физического труда, возможности замены огнеопасных или дорогостоящих органических растворителей безопасными и дешевыми водными растворами щелочей, жидким фреоном и др.

Ультразвуковая очистка — сложный процесс, сочетающий местную кавитацию с действием больших ускорений в очищающей жидкости, что приводит к разрушению загрязнений. Если загрязненную деталь поместить в жидкость и облучить ультразвуком, то под действием ударной волны кавитационных пузырьков поверхность детали очищается от грязи.

Ультразвуковая сварка.

Из существующих методов ни один не подходит для сварки разнородных металлов или если к толстым деталям нужно приварить тонкие пластины. В этом случае ультразвуковая сварка незаменима. Ее иногда называют холодной, потому что детали соединяются в холодном состоянии. Окончательного представления о механизме образования соединений при ультразвуковой сварке нет. В процессе сварки после ввода ультразвуковых колебаний между свариваемыми пластинами образуется слой высокопластичного металла, при этом пластины очень легко поворачиваются вокруг вертикальной оси на любой угол. Но как только ультразвуковое излучение прекращают, происходит мгновенное «схватывание» пластин.

Ультразвуковая сварка происходит при температуре значительно меньшей температуры плавления, поэтому соединение деталей происходит в твердом состоянии. С помощью ультразвука можно сваривать многие металлы и сплавы (медь, молибден, тантал, титан, многие стали). Наилучшие результаты получаются при сварке тонколистовых разнородных металлов и приварке к толстым деталям тонких листов. При ультразвуковой сварке минимально изменяются свойства металла в зоне сварки. Требования к качеству подготовки поверхности значительно ниже, чем при других методах сварки. Ультразвуковой сварке хорошо поддаются и неметаллические материалы (пластмасса, полимеры) Ультразвуковая дефектоскопия Ультразвуковая дефектоскопия — один из методов неразрушающего контроля. Свойство ультразвука распространяться в однородной среде направленно и без существенных затуханий, а на границе раздела двух сред (например, металл — воздух) почти полностью отражаться позволило применить ультразвуковые колебания для выявления дефектов (раковины, трещины, расслоения и т. п.) в металлических деталях без их разрушения.

При помощи ультразвука можно проверять детали больших размеров, так как глубина проникновения в металле достигает 810 м. Кроме того, ультразвуком можно обнаружить очень мелкие дефекты (до 10^-6мм).

Ультразвуковые дефектоскопы позволяют выявлять не только образовавшиеся дефекты, но и определять момент повышенной усталости металла.

Существует несколько методов ультразвуковой дефектоскопии, основными из которых являются теневой, импульсный, резонансный, метод структурного анализа, ультразвуковой визуализации.

Теневой метод основан на ослаблении проходящих ультразвуковых волн при наличии внутри детали дефектов, создающих ультразвуковую тень. При этом методе используется два преобразователя. Один из них излучает ультразвуковые колебания, другой принимает их. Теневой метод малочувствителен, дефект можно обнаружить если вызываемое им изменение сигнала составляет не менее 1520%. Существенный недостаток теневого метода в том, что он не позволяет определить на какой глубине находится дефект.

В радиоэлектронике часто возникает необходимость задержать один электрический сигнал относительно другого. Удачное решение нашли ученые, предложив ультразвуковые линии задержки (ЛЗ). Действие их основано на преобразовании электрических импульсов в импульсы ультразвуковых механических колебаний, скорость распространения которых значительно меньше скорости распространения электромагнитных колебаний. После обратного преобразования механических колебаний в электрические импульс напряжения на выходе линии будет задержан относительно входного импульса.

Для преобразования электрических колебаний в механические и обратно используют магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи. Соответственно этому ЛЗ подразделяются на магнитострикционные и пьезоэлектрические. Магнитострикционная ЛЗ состоит из входного и выходного преобразователей, магнитов, звукопровода и поглотителей. Входной преобразователь состоит из катушки, по которой протекает ток входного сигнала, участка звукопровода из магнитострикционного материала, в котором возникают механические колебания ультразвуковой частоты, и магнита, создающего постоянное подмагничивание зоны преобразования. Выходной преобразователь по устройству почти не отличается от входного.

Звукопровод представляет собой стержень из магнитострикционного материала, в котором возбуждаются ультразвуковые колебания, распространяющиеся со скоростью примерно 5000 м/с. для задержки импульса, например, на 100 мкс длина звукопровода должна быть около 43 см. Магнит нужен для создания начальной магнитной индукции и подмагничивания зоны преобразования.

Поглотители для уменьшения уровня паразитных отраженных сигналов располагаются на обоих концах звукопровода.

Принцип действия магнитострикционной ЛЗ основан на изменении размеров ферромагнитных материалов под воздействием магнитного поля. Механическое возмущение, вызванное магнитным полем катушки входного преобразователя, передается по звокопроводу и, дойдя до катушки выходного преобразователя, наводит в ней электродвижущую силу.

Пьезоэлектрические ЛЗ устроены следующим образом. На пути электрического сигнала ставят пьезоэлектрический преобразователь (пластинку кварца), который жестко соединен с металлическим стержнем (звукопроводом). Ко второму концу стержня прикреплен второй пьезоэлектрический преобразователь. Сигнал, подойдя к входному преобразователю, вызывает механические колебания ультразвуковой частоты, которые затем распространяются в звукопроводе. Достигнув второго преобразователя, ультразвуковые колебания вновь преобразуются в электрические. Но так как скорость распространения УЗ в звукопроводе значительно меньше скорости меньше скорости распространения электрического сигнала, сигнал, на пути которого был звукопровод, отстает от другого на величину, равную разности скорости распространения УЗ и электромагнитных сигналов на определенном участке.

Применение ультразвука для определения свойств, состава и строения веществ в промышленном производстве и в научных исследованиях основано на зависимости скорости и затухания ультразвуковых волн в объеме и поверхностном слое вещества от его состава и структуры, на законах отражения и рассеяния ультразвука па границах двух сред с различными акустическими свойствами, на изменении резонансных параметров твердых тел в зависимости от свойств окружающей среды. Акустические методы в ряде случаев позволяют заменить субъективную органолептическую оценку результатами объективного экспресс-анализа пищевых продуктов и сырья в технологических процессах их переработки.

Одной из актуальнейших проблем развития общества была и остается его безопасность: это борьба с преступностью, терроризмом и экономическими правонарушениями, предупреждение и предотвращение техногенных и экологических катастроф. Эффективность решения этих проблем неразрывно связана с уровнем оснащенности соответствующих структур техническими средствами, важное место среди которых принадлежит информативным устройствам, основанным на методах интроскопии и неразрушающего контроля.

Контроль багажа и почтовых отправлений, контейнеров и транспортных средств, продуктов питания, сыпучих грузов, строительных конструкций, мебели и предметов обихода, судебно-медицинская экспертиза и анализ подлинности произведений искусства, ценных бумаг, банкнот и документов — все это осуществляется в настоящее время с помощью технических средств интроскопии.

Методы и приборы, решающие изложенные выше задачи, получили название «поисковые» или «досмотровые» .

Многообразие поисковых задач, особенности объектов контроля, специфические условия применения поисковых устройств, высокие требования по функциональным возможностям, чувствительности, надежности, весогабаритным и эксплуатационным характеристикам обусловили необходимость и целесообразность формирования самостоятельного научного направления. Его основной целью является разработка и создание эффективных и безопасных для персонала средств поиска в оптически непрозрачных средах посторонних включений методами интроскопии и неразрушающего контроля.

Интроскопия — неразрушающее исследование внутренней структуры объекта и протекающих в нём процессов с помощью звуковых волн (в том числе ультразвуковых и сейсмических), электромагнитного излучения различных диапазонов, постоянного и переменного электромагнитного поля и потоков элементарных частиц.

Основные методы интроскопии:

• — проекционные — получение теневого изображения объекта;
• — томографические — получение томографического изображения объекта;
• — эхозондировани.

Эхозондирование В ряде случаев, некоторые методы эхозондирования (например, обычное ультразвуковое исследование), ошибочно относят к томографии, что терминологически не верно. Несмотря на то, что в ультразвуковом исследовании также получают изображение некоторого сечения (томоса) — метод его получения не является томографическим: отсутствует многоракурсная съёмка в пересекающихся направлениях и, самое главное, отсутствует решение обратной томографической задачи.

Для получения ультразвукового снимка нет никакой необходимости в особой математической предобработке. Ультразвуковой преобразователь (на самом деле это набор небольших отдельных ультразвуковых преобразователей) посылает ультразвуковую волну (ультразвуковой веерный пучок), которая частично отражается от границ неоднородностей и возвращается к ультразвуковому преобразователю, где и регистрируется. Принцип же получения снимка в упрощённой форме можно представить следующим образом: по одной оси откладываются номера отдельных преобразователей (направление), вторая ось — временная задержка отклика (расстояние), яркость — интенсивность отклика.

В таможенном деле используется первый метод интроскопии, а именно проекционный метод, в основе которого лежит облучение объекта с помощью рентгеновских лучей, так как он является более эффективным и быстрым, из чего следует что применение эхозондирования является нецелесообразным для использования при таможенном контроле.