Mehaničke valove s frekvencijom osciliranja većom od 20 000 Hz osoba ne percipira kao zvuk. Zovu se ultrazvučni valovi ili ultrazvuk. Ultrazvuk jako apsorbiraju plinovi i mnogo puta slabije - čvrste tvari i tekućine. Stoga se ultrazvučni valovi mogu širiti na značajne udaljenosti samo u krutim tvarima i tekućinama.

Budući da je energija koju nose valovi proporcionalna gustoći medija i kvadratu frekvencije, ultrazvuk može nositi mnogo više energije od zvučnih valova. Još jedan važna imovina ultrazvuk leži u činjenici da je njegovo usmjereno zračenje relativno jednostavno. Sve to omogućuje široku primjenu ultrazvuka u tehnologiji.

Opisana svojstva ultrazvuka koriste se u ehosonderu - uređaju za određivanje dubine mora (sl. 25.11). Brod je opremljen izvorom i prijamnikom ultrazvuka određene frekvencije. Izvor šalje kratke ultrazvučne impulse, a prijemnik hvata reflektirane impulse. Poznavajući vrijeme između slanja i primanja impulsa i brzinu širenja ultrazvuka u vodi, pomoću formule (25.3) odredite dubinu mora. Slično radi i ultrazvučni lokator koji se koristi za određivanje udaljenosti do prepreke

putanju broda u vodoravnom smjeru. U nedostatku takvih prepreka, ultrazvučni impulsi se ne vraćaju na brod.

Zanimljivo je da neke životinje, poput šišmiša, imaju organe koji djeluju na principu ultrazvučnog lokatora, što im omogućuje dobro snalaženje u mraku. Dupini imaju savršen ultrazvučni lokator. -

Kada ultrazvuk prolazi kroz tekućinu, čestice tekućine poprimaju velika ubrzanja i snažno utječu na različita tijela smještena u tekućini. Ovo se koristi za ubrzavanje raznih tehnoloških procesa (primjerice, priprema otopina, pranje dijelova, štavljenje kože itd.).

Uz intenzivne ultrazvučne vibracije u tekućini, njezine čestice poprimaju tako velika ubrzanja da se formiraju na kratko vrijeme pukotine (šupljine) koje se naglo urušavaju, stvarajući mnogo malih udaraca, tj. javlja se kavitacija. Pod takvim uvjetima, tekućina ima snažan učinak drobljenja, koji se koristi za pripremu suspenzija koje se sastoje od atomiziranih čestica. čvrsto tijelo u tekućinama, te emulzije - suspenzije malih kapljica jedne tekućine u drugoj.

Ultrazvuk se koristi za otkrivanje nedostataka na metalnim dijelovima. U suvremenoj tehnologiji primjena ultrazvuka toliko je široka da je teško i nabrojati sva područja njegove primjene.

primijeti da mehanički valovi s frekvencijom titranja manjom od 16 Hz naziva se infrazvučnim valovima ili infrazvukom. Također ne izazivaju zvučne osjete.Infrazvučni valovi nastaju na moru tijekom uragana i potresa. Brzina širenja infrazvuka u vodi znatno je veća od brzine uragana ili golemih valova tsunamija koji nastaju tijekom potresa. To omogućuje nekim morskim životinjama koje imaju sposobnost percipiranja infrazvučnih valova da na taj način primaju signale o približavanju opasnosti.

Plan:

Uvod

• 1 Izvori ultrazvuka
  • 1.1 Zviždi Galton
  • 1.2 Tekuća ultrazvučna zviždaljka
  • 1.3 Sirena
• 2 Ultrazvuk u prirodi
• 3 Primjena ultrazvuka
  • 3.1 Dijagnostička primjena ultrazvuka u medicini (ultrazvuk)
  • 3.2 Terapeutska primjena ultrazvuka u medicini
  • 3.3 Rezanje metala ultrazvukom
  • 3.4 Priprema smjesa ultrazvukom
  • 3.5 Primjena ultrazvuka u biologiji
  • 3.6 Upotreba ultrazvuka za čišćenje
  • 3.7 Primjena ultrazvuka za čišćenje korijenskih usjeva
  • 3.8 Primjena ultrazvuka u eholokaciji
  • 3.9 Primjena ultrazvuka u mjerenju protoka
  • 3.10 Primjena ultrazvuka u detekciji grešaka
  • 3.11 ultrazvučno zavarivanje
  • 3.12 Odvođenje topline i ultrazvuk
  • 3.13 Primjena ultrazvuka u galvanizaciji
Književnost

Uvod

Ultrazvuk- elastičan zvučne vibracije visoka frekvencija. Ljudsko uho opaža elastične valove koji se šire u mediju s frekvencijom do približno 16-20 kHz; vibracije s višom frekvencijom predstavljaju ultrazvuk (izvan sluha). Obično se ultrazvučnim rasponom smatra frekvencijski pojas od 20 000 do milijardu Hz. Zvučne vibracije s višom frekvencijom nazivaju se hiperzvuk. U tekućinama i čvrstim tvarima zvučne vibracije mogu doseći 1000 GHz

Iako znanstvenici već dugo znaju za postojanje ultrazvuka, njegova praktična primjena u znanosti, tehnologiji i industriji počela je relativno nedavno. Danas se ultrazvuk široko koristi u raznim područjima fizike, tehnologije, kemije i medicine.

1. Izvori ultrazvuka

Frekvencija mikrovalnih ultrazvučnih valova koji se koriste u industriji i biologiji je u rasponu od nekoliko MHz. Fokusiranje takvih zraka obično se provodi pomoću posebnih zvučnih leća i zrcala. Uz pomoć odgovarajućeg pretvornika može se dobiti ultrazvučni snop sa potrebnim parametrima. Najčešći keramički pretvarači izrađeni su od barijevog titanita. U slučajevima kada je snaga ultrazvučnog snopa od primarne važnosti, obično se koriste mehanički izvori ultrazvuka. U početku su se svi ultrazvučni valovi primali mehanički (vilice za ugađanje, zviždaljke, sirene).

U prirodi se US nalazi i kao sastavni dio mnogih prirodnih šumova (u šumu vjetra, vodopada, kiše, u šumu kamenčića koje kotrljaju morske valove, u zvukovima koji prate pražnjenje groma itd.), te među zvukovi životinjskog svijeta. Neke životinje koriste ultrazvučne valove za otkrivanje prepreka, orijentaciju u prostoru.

Odašiljači ultrazvuka mogu se podijeliti u dvije velike skupine. Prvi uključuje emitere-generatore; oscilacije u njima pobuđuju se zbog prisutnosti prepreka na putu stalnog protoka - mlaza plina ili tekućine. Druga skupina emitera - elektroakustički pretvarači; pretvaraju već zadane oscilacije električnog napona ili struje u mehaničke oscilacije čvrstog tijela, koje zrači u okoliš akustični valovi.

1.1. Zviždi Galton

Prvu ultrazvučnu zviždaljku napravio je 1883. godine Englez Galton. Ovdje se stvara ultrazvuk poput visokog zvuka na oštrici noža kada ga udari struja zraka. Ulogu takvog vrha kod Galtonove zviždaljke ima "usna" u maloj cilindričnoj rezonantnoj šupljini. Plin je prošao ispod visokotlačni kroz šuplji cilindar, pogodi ovu "usnu"; javljaju se oscilacije, čija je frekvencija (oko 170 kHz) određena veličinom mlaznice i usana. Snaga Galtonove zviždaljke je mala. Uglavnom se koristi za davanje naredbi pri dresuri pasa i mačaka.

1.2. Tekuća ultrazvučna zviždaljka

Većina ultrazvučnih zviždaljki može se prilagoditi za rad u tekućem mediju. U usporedbi s električnim izvorima ultrazvuka, tekuće ultrazvučne zviždaljke su male snage, ali ponekad, na primjer, za ultrazvučnu homogenizaciju, imaju značajnu prednost. Budući da ultrazvučni valovi nastaju izravno u tekućem mediju, nema gubitka energije ultrazvučnih valova tijekom prijelaza iz jednog medija u drugi. Možda je najuspješniji dizajn tekuće ultrazvučne zviždaljke, koju su izradili engleski znanstvenici Kottel i Goodman početkom 50-ih godina 20. stoljeća. U njemu visokotlačna struja tekućine izlazi iz eliptične mlaznice i usmjerava se na čeličnu ploču. Različite modifikacije ovog dizajna postale su prilično raširene kako bi se dobio homogeni medij. Zbog jednostavnosti i stabilnosti dizajna (samo oscilirajuća ploča je uništena), takvi sustavi su izdržljivi i jeftini.

1.3. Sirena

Druga vrsta mehaničkih izvora ultrazvuka je sirena. Ima relativno veliku snagu i koristi se u policijskim i vatrogasnim vozilima. Sve rotacijske sirene sastoje se od komore zatvorene odozgo diskom (statorom) u kojem veliki broj rupe. Isti je broj rupa na disku koji se okreće unutar komore - rotora. Kada se rotor okreće, položaj rupa u njemu povremeno se podudara s položajem rupa na statoru. U komoru se kontinuirano dovodi komprimirani zrak koji iz nje izlazi u onim kratkim trenucima kada se rupe na rotoru i statoru podudaraju.

Glavni zadatak u proizvodnji sirena je, prvo, napraviti što više rupa u rotoru i, drugo, postići veliku brzinu vrtnje. Međutim, u praksi je vrlo teško ispuniti oba ova zahtjeva.

2. Ultrazvuk u prirodi

Šišmiši koji koriste eholokaciju za noćnu orijentaciju emitiraju signale izrazito visokog intenziteta kroz usta (koža - Vespertilionidae) ili parabolični zrcalni nosni otvor (potkove - Rhinolophidae). Na udaljenosti od 1 - 5 cm od glave životinje tlak ultrazvuka doseže 60 mbara, odnosno odgovara u frekvencijskom rasponu koji čujemo zvučnom tlaku koji stvara udarni čekić. Šišmiši mogu percipirati odjek svojih signala pri tlaku od samo 0,001 mbar, odnosno 10 000 puta manjem od tlaka emitiranih signala. Istodobno, šišmiši mogu zaobići prepreke u letu čak i kada se ultrazvučna interferencija s tlakom od 20 mbar superponira na eholokacijske signale. Mehanizam za ovu visoku otpornost na buku još nije poznat. Kada šišmiši lokaliziraju predmete, na primjer, okomito rastegnute niti promjera samo 0,005 - 0,008 mm na udaljenosti od 20 cm (polovica raspona krila), vremenski pomak i razlika u intenzitetu između emitiranog i reflektiranog signala igra odlučujuću ulogu. . Potkovnjaci se također mogu kretati koristeći samo jedno uho (monouralno), što uvelike olakšavaju velike ušne školjke koje se neprestano pomiču. Oni su u stanju čak i kompenzirati pomak frekvencije između emitiranih i reflektiranih signala zbog Dopplerovog efekta (kada se približavate objektu, jeka je veće frekvencije od poslanog signala). Smanjivanjem frekvencije eholokacije tijekom leta kako bi frekvencija reflektiranog ultrazvuka ostala u području maksimalne osjetljivosti njihovih centara za "sluh", mogu odrediti brzinu vlastitog kretanja.

Leptiri iz obitelji medvjeda razvili su ultrazvučni generator buke koji "obara s traga" šišmišima koji jure za ovim kukcima.

Eholokaciju za navigaciju koriste i ptice - debele noćnice ili guajarosi. Nastanjuju planinske pećine Latinska Amerika- od Paname na sjeverozapadu do Perua na jugu i Surinama na istoku. Živeći u mrklom mraku, debele noćne kolje su se, međutim, prilagodile majstorskom letenju kroz špilje. Emitiraju tihe zvukove škljocanja koje percipira i ljudsko uho (frekvencija im je otprilike 7000 Herca). Svaki klik traje jednu do dvije milisekunde. Zvuk klika reflektira se od zidova tamnice, raznih izbočina i prepreka i percipira ga ptičji osjetljivi sluh.

Ultrazvučnu eholokaciju u vodi koriste kitovi.

3. Primjena ultrazvuka

3.1. Dijagnostička primjena ultrazvuka u medicini (ultrazvuk)

Zbog dobrog širenja ultrazvuka u mekim tkivima čovjeka, njegove relativne neškodljivosti u usporedbi s rendgenskim zrakama i jednostavnosti korištenja u usporedbi s magnetskom rezonancijom, ultrazvuk se široko koristi za vizualizaciju stanja unutarnjih organa čovjeka, posebice u trbušnoj šupljini i karlična šupljina.

3.2. Terapeutska primjena ultrazvuka u medicini

Osim što se široko koristi u dijagnostičke svrhe (vidi Ultrazvuk), ultrazvuk se koristi u medicini kao terapeutsko sredstvo.

Ultrazvuk ima učinak:

• protuupalno, upijajuće
• analgetik, antispazmodik
• kavitacija povećanje propusnosti kože

Fonoforeza je kombinirana metoda u kojoj se na tkiva djeluje ultrazvukom i njime se unose ljekovite tvari (lijekovi i prirodnog podrijetla). Provođenje tvari pod djelovanjem ultrazvuka nastaje zbog povećanja propusnosti epidermisa i kožnih žlijezda, staničnih membrana i stijenki posuda za male tvari. Molekularna težina, posebno - ioni minerala bischofita. Pogodnost ultrafonoforeze lijekova i prirodnih tvari:

• ljekovita tvar se ne uništava ultrazvukom
• sinergizam djelovanja ultrazvuka i terapeutske tvari

Indikacije za ultrafonoforezu bišofita: osteoartritis, osteohondroza, artritis, burzitis, epikondilitis, petni trn, stanja nakon ozljeda mišićno-koštanog sustava; Neuritis, neuropatija, radikulitis, neuralgija, ozljeda živaca.

Nanosi se Bischofite-gel i radna površina emitera se koristi za mikromasažu zahvaćenog područja. Tehnika je labilna, uobičajena za ultrafonoforezu (s UVF zglobova, kralježnice, intenzitet u cervikalnoj regiji je 0,2-0,4 W/cm2, u torakalnoj i lumbalnoj regiji - 0,4-0,6 W/cm2).

3.3. Rezanje metala ultrazvukom

Na konvencionalnim strojevima za rezanje metala nemoguće je izbušiti usku rupu složenog oblika u metalnom dijelu, na primjer, u obliku petokrake zvijezde. Uz pomoć ultrazvuka to je moguće, magnetostrikcijski vibrator može bušiti rupe bilo kojeg oblika. Ultrazvučno dlijeto u potpunosti zamjenjuje glodalicu. Istodobno, takvo je dlijeto mnogo jednostavnije od glodalice i jeftinije je i brže njime obrađivati ​​metalne dijelove nego glodalicom.

Ultrazvuk može čak napraviti spiralno rezanje metalnih dijelova, stakla, rubina, dijamanta. Tipično, navoj se prvo izrađuje od mekog metala, a zatim se dio kali. Na ultrazvučnom stroju mogu se izrađivati ​​navoji u već očvrslom metalu iu najtvrđim legurama. Isto je i s markicama. Obično se žig kali nakon što je pažljivo dovršen. Na ultrazvučnom stroju najsloženija obrada se izvodi abrazivom (šmirgl, korundni prah) u polju ultrazvučnog vala. Kontinuirano oscilirajući u polju ultrazvuka, čestice krutog praha urezuju se u leguru koja se obrađuje i izrezuju rupu istog oblika kao i dlijeto.

3.4. Priprema smjesa ultrazvukom

Ultrazvuk se široko koristi za homogene smjese(homogenizacija). Još 1927. godine američki znanstvenici Limus i Wood otkrili su da ako se dvije tekućine koje se međusobno ne miješaju (primjerice ulje i voda) uliju u jednu čašu i podvrgnu ultrazvučnom zračenju, tada u čaši nastaje emulzija, odnosno fina suspenzija ulje u vodi. Takve emulzije igraju važnu ulogu u industriji: to su lakovi, boje, farmaceutski proizvodi i kozmetika.

3.5. Primjena ultrazvuka u biologiji

Sposobnost ultrazvuka da razbije stanične membrane našla je primjenu u biološkim istraživanjima, primjerice, ako je potrebno, za odvajanje stanice od enzima. Ultrazvuk se također koristi za uništavanje unutarstaničnih struktura poput mitohondrija i kloroplasta kako bi se proučavao odnos između njihove strukture i funkcije. Još jedna primjena ultrazvuka u biologiji povezana je s njegovom sposobnošću izazivanja mutacija. Studije provedene na Oxfordu pokazale su da čak i ultrazvuk niskog intenziteta može oštetiti molekulu DNK. [ izvor nije naveden 107 dana] Umjetno namjensko stvaranje mutacija igra veliku ulogu u oplemenjivanju biljaka. Glavna prednost ultrazvuka u odnosu na druge mutagene (rendgenske zrake, ultraljubičaste zrake) je u tome što je izuzetno jednostavan za rad.

3.6. Upotreba ultrazvuka za čišćenje

U laboratorijima iu proizvodnji ultrazvučne kupke se koriste za čišćenje laboratorijskog stakla i dijelova od sitnih čestica. U industriji nakita nakit se čisti od finih čestica paste za poliranje u ultrazvučnim kupkama. Devedesetih godina 20. stoljeća u Tomskoj tvornici NPO "RETON" dobiven je patent za izum i proizveden ultrazvučni uređaj za brisanje "Reton", čiji se rad temelji na niskofrekventnom ultrazvuku. Kasnije su se pojavili mnogi ultrazvučni uređaji za pranje tekstila. Zajedničko im je načelo djelovanja: elastični valovi ultrazvuka djeluju na onečišćenje, "izbacujući" prljavštinu uz pomoć surfaktanata iz vlakana tkanine.

3.7. Primjena ultrazvuka za čišćenje korijenskih usjeva

U nekim industrijama, ultrazvučne kupke se koriste za čišćenje korijenskih usjeva (krumpir, mrkva, repa, itd.) od čestica zemlje.

3.8. Primjena ultrazvuka u eholokaciji

Ribarska industrija koristi ultrazvučnu eholokaciju za otkrivanje jata riba. Ultrazvučni valovi se reflektiraju od jata riba i stižu do ultrazvučnog prijemnika prije nego ultrazvučni val reflektiran od dna.

3.9. Primjena ultrazvuka u mjerenju protoka

Od 60-ih godina prošlog stoljeća ultrazvučni mjerači protoka koriste se u industriji za kontrolu protoka i obračun vode i rashladne tekućine.

3.10. Primjena ultrazvuka u detekciji grešaka

Ultrazvuk se dobro širi u nekim materijalima, što ga čini mogućim korištenjem za ultrazvučnu detekciju grešaka proizvoda izrađenih od tih materijala. NA novije vrijeme razvija se smjer ultrazvučne mikroskopije, koji omogućuje proučavanje podpovršinskog sloja materijala s dobrom rezolucijom.

3.11. ultrazvučno zavarivanje

Ultrazvučno zavarivanje - zavarivanje pod pritiskom, koje se izvodi pod utjecajem ultrazvučnih vibracija. Ova vrsta zavarivanja koristi se za spajanje dijelova koji se teško zagrijavaju ili za spajanje različitih metala ili metala s jakim oksidnim filmom (aluminij, nehrđajući čelici, permalloy magnetske jezgre itd.). Tako se ultrazvučno zavarivanje koristi u proizvodnji integriranih sklopova.

3.12. Odvođenje topline i ultrazvuk

Postoje tri načina uklanjanja topline - zračenje, konvekcija i kondukcija. I na njihovoj osnovi razvijeni su mnogi uređaji za uklanjanje topline iz elektroničkih komponenti i sustava. Najviše učinkovit način je prije svega prijenos topline kroz sučelja dvaju materijala koji su u bliskom kontaktu. Radijatori i raspršivači topline koriste se za uklanjanje topline kondukcijom. jedan

Proizvođači elektronike, fokusirajući se na zahtjeve današnjeg potrošača, nastoje povećati učinkovitost svojih uređaja i smanjiti njihovu veličinu i težinu. Jedan od glavnih zadataka koje dizajneri trebaju riješiti kako bi postigli svoje ciljeve je razvoj učinkovitog sustava za odvođenje topline kako bi se spriječilo pregrijavanje proizvoda, što negativno utječe na njihovu izvedbu i pouzdanost.

Za učinkovito odvođenje topline neophodan je bliski kontakt između materijala. Iznimno je važno da nema šupljina u ljepljivom sloju, koji je obično dobar vodič topline ili termalna pasta. Stvaranje snopova ili drugih zračnih formacija smanjuje disipaciju topline i dovodi do pregrijavanja proizvoda. Stoga je vrlo važno ove nedostatke otkriti na vrijeme.

Ultrazvuk predstavlja longitudinalne valove koji imaju frekvenciju osciliranja veću od 20 kHz. To je više od frekvencije vibracija koju percipira ljudski slušni aparat. Osoba može percipirati frekvencije u rasponu od 16-20 kHz, nazivaju se zvukom. Ultrazvučni valovi izgledaju kao niz kondenzacija i razrjeđivanja tvari ili medija. Zbog svojih svojstava nalaze široka primjena u mnogim područjima.

Što je

Frekvencije u rasponu od 20 tisuća do nekoliko milijardi herca spadaju u ultrazvučno područje. To su visokofrekventne vibracije koje su izvan čujnosti ljudskog uha. Međutim, neke vrste životinja prilično dobro percipiraju ultrazvučne valove. To su dupini, kitovi, štakori i drugi sisavci.

Po fizikalnim svojstvima ultrazvučni valovi su elastični pa se ne razlikuju od zvučnih valova. Zbog toga je razlika između zvučnih i ultrazvučnih vibracija vrlo uvjetna, jer ovisi o subjektivnoj percepciji ljudskog sluha i jednaka je gornjoj razini zvučnog zvuka.

Ali prisutnost viših frekvencija, a time i male valne duljine, daje ultrazvučnim vibracijama određena svojstva:

• Ultrazvučne frekvencije imaju različite brzine putovanja razne tvari, zbog čega je moguće s visokom točnošću odrediti svojstva tekućih procesa, specifični toplinski kapacitet plinova, kao i karakteristike čvrstog tijela.
• Valovi značajnog intenziteta imaju određene učinke koji su podložni nelinearnoj akustici.
• Kada se ultrazvučni valovi kreću značajnom snagom u tekućem mediju, javlja se fenomen akustične kavitacije. Ova pojava je vrlo važna, jer kao rezultat nastaje polje mjehurića koji nastaju od submikroskopskih čestica plina ili pare u vodenom ili drugom mediju. Pulsiraju određenom frekvencijom i zatvaraju se pod ogromnim lokalnim pritiskom. To stvara sferne udarne valove, što dovodi do pojave akustičnih mikroskopskih strujanja. Korištenjem ovog fenomena znanstvenici su naučili kako očistiti kontaminirane dijelove, kao i stvoriti torpeda koja se kreću u vodi. veća brzina zvuk.
• Ultrazvuk se može fokusirati i koncentrirati, omogućujući stvaranje zvučnih uzoraka. Ovo se svojstvo uspješno koristi u holografiji i zvučnoj viziji.
• Ultrazvučni val može djelovati kao difrakcijska rešetka.

Svojstva

Ultrazvučni valovi po svojstvima su slični zvučnim valovima, ali imaju i specifične značajke:

• Mala valna duljina. Čak i za nisku granicu, duljina je manja od nekoliko centimetara. Tako mala veličina duljine dovodi do radijalne prirode kretanja ultrazvučnih vibracija. Neposredno uz emiter, val putuje u obliku snopa, koji se približava parametrima emitera. Međutim, kada se stavi u nehomogeni medij, zraka se kreće poput zrake svjetlosti. Također se može reflektirati, raspršiti, prelomiti.
• Mali period osciliranja, što omogućuje korištenje ultrazvučnih vibracija u obliku impulsa.
• Ultrazvuk se ne čuje i ne stvara iritantan učinak.
• Izlaganjem ultrazvučnim vibracijama na određenim medijima mogu se postići specifični učinci. Na primjer, možete stvoriti lokalno grijanje, otplinjavanje, dezinfekciju okoliša, kavitaciju i mnoge druge učinke.

Princip rada

Za stvaranje ultrazvučnih vibracija koriste se različiti uređaji:

• Mehanički, gdje je izvor energija tekućine ili plina.
• Elektromehanički, gdje se ultrazvučna energija stvara iz električne.

Zviždaljke i sirene koje rade uz pomoć zraka ili tekućine mogu djelovati kao mehanički emiteri. Oni su praktični i jednostavni, ali imaju svoje nedostatke. Dakle koeficijent korisna radnja kreću se u rasponu od 10-20 posto. Oni stvaraju široki spektar frekvencija s nestabilnom amplitudom i frekvencijom. To dovodi do činjenice da se takvi uređaji ne mogu koristiti u uvjetima u kojima je potrebna točnost. Najčešće se koriste kao sredstvo signalizacije.

Elektromehanički uređaji koriste princip piezoelektričnog efekta. Njegova je osobitost da se tijekom stvaranja električnih naboja na stranama kristala sabija i rasteže. Zbog toga se stvaraju oscilacije s frekvencijom koja ovisi o razdoblju promjene potencijala na površinama kristala.

Osim pretvarača koji se temelje na piezoelektričnom efektu, mogu se koristiti i magnetostrikcijski pretvarači. Koriste se za stvaranje snažnog ultrazvučnog snopa. Jezgra, koja je izrađena od magnetostriktivnog materijala, smještena u vodljivi namot, mijenja vlastitu duljinu prema obliku električnog signala koji se dovodi u namot.

Primjena

Ultrazvuk se široko koristi u raznim područjima.

Najčešće se koristi u sljedećim područjima:

• Dobivanje podataka o određenoj tvari.
• Obrada i prijenos signala.
• učinak na tvar.

Tako uz pomoć ultrazvučnih valova proučavaju:

• Molekularni procesi u različitim strukturama.
• Određivanje koncentracije tvari u otopinama.
• Definicija, sastav, karakteristike čvrstoće materijala i tako dalje.

U ultrazvučnom tretmanu često se koristi metoda kavitacije:

• Metalizacija.
• Ultrazvučno čišćenje.
• Otplinjavanje tekućina.
• Disperzija.
• Dobivanje aerosola.
• Ultrazvučna sterilizacija.
• Uništavanje mikroorganizama.
• Intenziviranje elektrokemijskih procesa.

Utjecaj ultrazvučnih valova u industriji proizvodi sljedeće tehnološke operacije:

• Zgrušavanje.
• Izgaranje u ultrazvučnom okruženju.
• Sušenje.
• Zavarivanje.

U medicini se ultrazvučni valovi koriste u terapiji i dijagnostici. U dijagnostici se koriste metode lociranja pomoću pulsnog zračenja. To uključuje ultrazvučnu kardiografiju, ehoencefalografiju i niz drugih metoda. U terapiji se ultrazvučni valovi koriste kao metode koje se temelje na toplinskom i mehaničkom djelovanju na tkiva. Na primjer, vrlo često tijekom operacija koristi se ultrazvučni skalpel.

Također se provode ultrazvučne vibracije:

• Mikromasaža tkivnih struktura pomoću vibracija.
• Stimulacija regeneracije stanica, kao i međustanične izmjene.
• Povećanje propusnosti tkivnih membrana.

Ultrazvuk može djelovati na tkiva potiskivanjem, stimulacijom ili destrukcijom. Sve to ovisi o primijenjenoj dozi ultrazvučnih vibracija i njihovoj snazi. Međutim, ne smiju svi dijelovi ljudskog tijela koristiti takve valove. Dakle, uz određeni oprez, utječu na srčani mišić i niz endokrinih organa. Na mozak, vratne kralješke, skrotum i niz drugih organa, utjecaj se uopće ne koristi.

Ultrazvučne vibracije se koriste u slučajevima kada je nemoguće koristiti X-zrake u:

• Traumatologija koristi metodu ehografije, kojom se lako otkriva unutarnje krvarenje.
• Opstetrički valovi koriste se za procjenu razvoja fetusa, kao i njegovih parametara.
• Kardiologija, omogućuju vam ispitivanje kardiovaskularnog sustava.

Ultrazvuk u budućnosti

Na ovaj trenutak ultrazvuk ima široku primjenu u raznim područjima, ali će u budućnosti naći još više primjena. Već danas se planira stvoriti uređaje koji su fantastični za današnjicu.

• U medicinske svrhe razvija se tehnologija ultrazvučnog akustičnog holograma. Ova tehnologija uključuje raspored mikročestica u prostoru kako bi se stvorila željena slika.
• Znanstvenici rade na stvaranju tehnologije za beskontaktne uređaje koji će morati zamijeniti uređaje osjetljive na dodir. Primjerice, već su danas stvoreni gaming uređaji koji prepoznaju ljudske pokrete bez izravnog kontakta. Razvijaju se tehnologije koje uključuju stvaranje nevidljivih gumba koji se mogu opipati i kontrolirati rukama. Razvoj takvih tehnologija omogućit će stvaranje beskontaktnih pametnih telefona ili tableta. Osim toga, ova će tehnologija proširiti mogućnosti virtualne stvarnosti.
• Uz pomoć ultrazvučnih valova već je danas moguće natjerati male predmete da levitiraju. U budućnosti bi se mogli pojaviti strojevi koji će lebdjeti iznad tla zbog valova i, bez trenja, kretati se velikom brzinom.
• Znanstvenici sugeriraju da će u budućnosti ultrazvuk naučiti slijepe ljude da vide. Ovo povjerenje temelji se na činjenici da šišmiši prepoznaju predmete pomoću reflektiranih ultrazvučnih valova. Već je napravljena kaciga koja reflektirane valove pretvara u zvučni zvuk.
• Već danas ljudi planiraju iskopavati minerale u svemiru, jer svega ima. Tako su astronomi pronašli dijamantni planet, koji je pun dragog kamenja. Ali kako rudariti tako čvrste materijale u svemiru. Upravo će ultrazvuk morati pomoći u bušenju gustih materijala. Takvi su procesi sasvim mogući čak iu odsutnosti atmosfere. Takve tehnologije bušenja omogućit će prikupljanje uzoraka, provođenje istraživanja i vađenje minerala tamo gdje se to danas smatra nemogućim.

Ultrazvuk

Ultrazvuk- elastične oscilacije s frekvencijom izvan granice sluha za osobu. Obično se ultrazvučnim rasponom smatraju frekvencije iznad 18 000 herca.

Iako je postojanje ultrazvuka odavno poznato, njegova praktična primjena je relativno mlada. U današnje vrijeme ultrazvuk ima široku primjenu u različitim fizičkim i tehnološkim metodama. Dakle, prema brzini širenja zvuka u mediju, prosuđuju se njegove fizičke karakteristike. Mjerenja brzine na ultrazvučnim frekvencijama omogućuju, s vrlo malim pogreškama, određivanje, na primjer, adijabatskih karakteristika brzih procesa, vrijednosti specifičnog toplinskog kapaciteta plinova i elastičnih konstanti čvrstih tijela.

Izvori ultrazvuka

Frekvencija ultrazvučnih vibracija koje se koriste u industriji i biologiji je u rasponu od nekoliko MHz. Takve se vibracije obično stvaraju pomoću piezokeramičkih pretvarača s barijevim titanitom. U slučajevima kada je snaga ultrazvučnih vibracija od primarne važnosti, obično se koriste mehanički izvori ultrazvuka. U početku su se svi ultrazvučni valovi primali mehanički (vilice za ugađanje, zviždaljke, sirene).

U prirodi se US nalazi i kao sastavni dio mnogih prirodnih zvukova (u šumu vjetra, vodopada, kiše, u šumu kamenčića koje kotrljaju morske valove, u zvukovima koji prate pražnjenja munja itd.), te među zvukovima životinjskog svijeta. Neke životinje koriste ultrazvučne valove za otkrivanje prepreka, orijentaciju u prostoru.

Odašiljači ultrazvuka mogu se podijeliti u dvije velike skupine. Prvi uključuje emitere-generatore; oscilacije u njima pobuđuju se zbog prisutnosti prepreka na putu stalnog protoka - mlaza plina ili tekućine. Druga skupina emitera - elektroakustički pretvarači; pretvaraju već zadane fluktuacije električnog napona ili struje u mehaničku vibraciju čvrstog tijela koje zrači akustične valove u okolinu.

Zviždi Galton

Prvu ultrazvučnu zviždaljku napravio je 1883. godine Englez Galton. Ovdje se stvara ultrazvuk poput visokog zvuka na oštrici noža kada ga udari struja zraka. Ulogu takvog vrha kod Galtonove zviždaljke ima "usna" u maloj cilindričnoj rezonantnoj šupljini. Visokotlačni plin koji prolazi kroz šuplji cilindar udara u ovu "usnu"; javljaju se oscilacije, čija je frekvencija (oko 170 kHz) određena veličinom mlaznice i usana. Snaga Galtonove zviždaljke je mala. Uglavnom se koristi za davanje naredbi pri dresuri pasa i mačaka.

Tekuća ultrazvučna zviždaljka

Većina ultrazvučnih zviždaljki može se prilagoditi za rad u tekućem mediju. U usporedbi s električnim izvorima ultrazvuka, tekuće ultrazvučne zviždaljke su male snage, ali ponekad, na primjer, za ultrazvučnu homogenizaciju, imaju značajnu prednost. Budući da ultrazvučni valovi nastaju izravno u tekućem mediju, nema gubitka energije ultrazvučnih valova tijekom prijelaza iz jednog medija u drugi. Možda je najuspješniji dizajn tekuće ultrazvučne zviždaljke, koju su ranih 1950-ih izradili engleski znanstvenici Kottel i Goodman. U njemu visokotlačna struja tekućine izlazi iz eliptične mlaznice i usmjerava se na čeličnu ploču. Različite modifikacije ovog dizajna postale su prilično raširene kako bi se dobio homogeni medij. Zbog jednostavnosti i stabilnosti dizajna (samo oscilirajuća ploča je uništena), takvi sustavi su izdržljivi i jeftini.

Sirena

Druga vrsta mehaničkih izvora ultrazvuka je sirena. Ima relativno veliku snagu i koristi se u policijskim i vatrogasnim vozilima. Sve rotacijske sirene sastoje se od komore zatvorene odozgo diskom (statorom) u kojem je napravljen veliki broj rupa. Isti je broj rupa na disku koji se okreće unutar komore - rotora. Kada se rotor okreće, položaj rupa u njemu povremeno se podudara s položajem rupa na statoru. U komoru se kontinuirano dovodi komprimirani zrak koji iz nje izlazi u onim kratkim trenucima kada se rupe na rotoru i statoru podudaraju.

Glavni zadatak u proizvodnji sirena je, prvo, napraviti što više rupa u rotoru, a drugo, postići veliku brzinu vrtnje. Međutim, u praksi je vrlo teško ispuniti oba ova zahtjeva.

Ultrazvuk u prirodi

Primjena ultrazvuka

Dijagnostička primjena ultrazvuka u medicini (ultrazvuk)

Zbog dobrog širenja ultrazvuka u mekim tkivima čovjeka, njegove relativne neškodljivosti u usporedbi s rendgenskim zrakama i jednostavnosti korištenja u usporedbi s magnetskom rezonancijom, ultrazvuk se široko koristi za vizualizaciju stanja unutarnjih organa čovjeka, posebice u trbušnoj šupljini i karlična šupljina.

Terapeutska primjena ultrazvuka u medicini

Osim što se široko koristi u dijagnostičke svrhe (vidi Ultrazvuk), ultrazvuk se koristi u medicini kao terapeutsko sredstvo.

Ultrazvuk ima učinak:

• protuupalno, upijajuće
• analgetik, antispazmodik
• kavitacija povećanje propusnosti kože

Fonoforeza je kombinirana metoda u kojoj se na tkiva djeluje ultrazvukom i njime se unose ljekovite tvari (lijekovi i prirodnog podrijetla). Provođenje tvari pod djelovanjem ultrazvuka nastaje zbog povećanja propusnosti epidermisa i kožnih žlijezda, staničnih membrana i stijenki krvnih žila za tvari male molekularne težine, osobito mineralne ione bischofita. Pogodnost ultrafonoforeze lijekova i prirodnih tvari:

• ljekovita tvar se ne uništava ultrazvukom
• sinergizam djelovanja ultrazvuka i terapeutske tvari

Indikacije za ultrafonoforezu s bišofitom: osteoartritis, osteohondroza, artritis, burzitis, epikondilitis, petni trn, stanja nakon ozljeda mišićno-koštanog sustava; Neuritis, neuropatija, radikulitis, neuralgija, ozljeda živaca.

Nanosi se Bischofite-gel i radna površina emitera se koristi za mikromasažu zahvaćenog područja. Tehnika je labilna, uobičajena za ultrafonoforezu (s UVF zglobova, kralježnice, intenzitet u cervikalnoj regiji je 0,2-0,4 W/cm2, u torakalnoj i lumbalnoj regiji - 0,4-0,6 W/cm2).

Rezanje metala ultrazvukom

Na konvencionalnim strojevima za rezanje metala nemoguće je izbušiti usku rupu složenog oblika u metalnom dijelu, na primjer, u obliku petokrake zvijezde. Uz pomoć ultrazvuka to je moguće, magnetostrikcijski vibrator može bušiti rupe bilo kojeg oblika. Ultrazvučno dlijeto u potpunosti zamjenjuje glodalicu. Istodobno, takvo je dlijeto mnogo jednostavnije od glodalice i jeftinije je i brže njime obrađivati ​​metalne dijelove nego glodalicom.

Ultrazvuk može čak napraviti spiralno rezanje metalnih dijelova, stakla, rubina, dijamanta. Tipično, navoj se prvo izrađuje od mekog metala, a zatim se dio kali. Na ultrazvučnom stroju mogu se izrađivati ​​navoji u već očvrslom metalu iu najtvrđim legurama. Isto je i s markicama. Obično se žig kali nakon što je pažljivo dovršen. Na ultrazvučnom stroju najsloženija obrada se izvodi abrazivom (šmirgl, korundni prah) u polju ultrazvučnog vala. Kontinuirano oscilirajući u polju ultrazvuka, čestice krutog praha urezuju se u leguru koja se obrađuje i izrezuju rupu istog oblika kao i dlijeto.

Priprema smjesa ultrazvukom

Ultrazvuk se široko koristi za pripremu homogenih smjesa (homogenizacija). Još 1927. godine američki znanstvenici Limus i Wood otkrili su da ako se dvije tekućine koje se međusobno ne miješaju (primjerice ulje i voda) uliju u jednu čašu i podvrgnu ultrazvučnom zračenju, tada u čaši nastaje emulzija, odnosno fina suspenzija ulje u vodi. Takve emulzije igraju važnu ulogu u industriji: to su lakovi, boje, farmaceutski proizvodi i kozmetika.

Primjena ultrazvuka u biologiji

Sposobnost ultrazvuka da razbije stanične membrane našla je primjenu u biološkim istraživanjima, primjerice, ako je potrebno, za odvajanje stanice od enzima. Ultrazvuk se također koristi za uništavanje unutarstaničnih struktura poput mitohondrija i kloroplasta kako bi se proučavao odnos između njihove strukture i funkcije. Još jedna primjena ultrazvuka u biologiji povezana je s njegovom sposobnošću izazivanja mutacija. Studije provedene na Oxfordu pokazale su da čak i ultrazvuk niskog intenziteta može oštetiti molekulu DNK. Umjetno namjensko stvaranje mutacija ima važnu ulogu u oplemenjivanju biljaka. Glavna prednost ultrazvuka u odnosu na druge mutagene (rendgenske zrake, ultraljubičaste zrake) je u tome što je izuzetno jednostavan za rad.

Upotreba ultrazvuka za čišćenje

Primjena ultrazvuka za mehaničko čišćenje temelji se na pojavi različitih nelinearnih učinaka u tekućini pod njegovim utjecajem. Tu spadaju kavitacija, akustična strujanja, zvučni tlak. Glavnu ulogu ima kavitacija. Njegovi mjehurići, koji nastaju i kolabiraju u blizini onečišćenja, uništavaju ih. Ovaj učinak je poznat kao kavitacijska erozija. Ultrazvuk koji se koristi u te svrhe ima niske frekvencije i povećanu snagu.

U laboratorijskim i proizvodnim uvjetima za pranje sitnih dijelova i posuđa koriste se ultrazvučne kupke napunjene otapalom (voda, alkohol i sl.). Ponekad se uz njihovu pomoć čak i korijenski usjevi (krumpir, mrkva, repa, itd.) isperu od čestica zemlje.

Primjena ultrazvuka u mjerenju protoka

Od 60-ih godina prošlog stoljeća ultrazvučni mjerači protoka koriste se u industriji za kontrolu protoka i obračun vode i rashladne tekućine.

Primjena ultrazvuka u detekciji grešaka

Ultrazvuk se dobro širi u nekim materijalima, što ga čini mogućim korištenjem za ultrazvučnu detekciju grešaka proizvoda izrađenih od tih materijala. Nedavno je razvijen smjer ultrazvučne mikroskopije, koji omogućuje proučavanje podpovršinskog sloja materijala s dobrom rezolucijom.

ultrazvučno zavarivanje

Ultrazvučno zavarivanje - zavarivanje pod pritiskom, koje se izvodi pod utjecajem ultrazvučnih vibracija. Ova vrsta zavarivanja koristi se za spajanje dijelova koji se teško zagrijavaju ili za spajanje različitih metala ili metala s jakim oksidnim filmom (aluminij, nehrđajući čelici, permalloy magnetske jezgre itd.). Tako se ultrazvučno zavarivanje koristi u proizvodnji integriranih sklopova.

Primjena ultrazvuka u galvanizaciji

Ultrazvuk se koristi za intenziviranje galvanskih procesa i poboljšanje kvalitete premaza proizvedenih elektrokemijskom metodom.

Dmitrij Levkin

Ultrazvuk - mehaničke vibracije iznad frekvencijskog raspona koji može čuti ljudsko uho (obično 20 kHz). Ultrazvučne vibracije putuju u obliku vala, slično širenju svjetlosti. Međutim, za razliku od svjetlosnih valova, koji mogu putovati u vakuumu, ultrazvuk zahtijeva elastični medij kao što je plin, tekućina ili krutina.

, (3)

Za poprečne valove određuje se formulom

Disperzija zvuka- ovisnost fazne brzine monokromatskih zvučnih valova o njihovoj frekvenciji. Disperzija brzine zvuka može se odrediti kao fizička svojstva okoliš, te prisutnost stranih inkluzija u njemu i prisutnost granica tijela u kojem se zvučni val širi.

Vrste ultrazvučnih valova

Većina metoda ultrazvuk koristi uzdužne ili poprečne valove. Postoje i drugi oblici širenja ultrazvuka, uključujući površinske valove i Lambove valove.

Uzdužni ultrazvučni valovi– valovi čiji se smjer širenja podudara sa smjerom pomaka i brzinama čestica medija.

Transverzalni ultrazvučni valovi- valovi koji se šire u smjeru okomitom na ravninu u kojoj leže pravci pomaka i brzina čestica tijela, isto kao i posmični valovi.

Površinski (Rayleigh) ultrazvučni valovi imati eliptično kretanječestice i raširiti po površini materijala. Njihova brzina je približno 90% brzine širenja posmičnog vala, a njihov prodor u materijal je približno jedna valna duljina.

Janjeći val- elastični val koji se širi u čvrstoj ploči (sloju) sa slobodnim granicama, u kojem se oscilatorno pomicanje čestica događa i u smjeru širenja vala i okomito na ravninu ploče. Lambovi valovi su jedna od vrsta normalnih valova u elastičnom valovodu – u ploči sa slobodnim granicama. Jer ti valovi moraju zadovoljiti ne samo jednadžbe teorije elastičnosti, već i rubne uvjete na površini ploče, uzorak gibanja u njima i njihova svojstva su složeniji od onih valova u neograničenim čvrstim tijelima.

Vizualizacija ultrazvučnih valova

Za ravni sinusoidni putujući val, intenzitet ultrazvuka I određuje se formulom

, (5)

NA sferni putujući val Jačina ultrazvuka obrnuto je proporcionalna kvadratu udaljenosti od izvora. NA stojni val I = 0, tj. u prosjeku nema protoka zvučne energije. Ultrazvučni intenzitet u harmonic plane putujući val jednaka je gustoći energije zvučnog vala pomnoženoj s brzinom zvuka. Tijek zvučne energije karakterizira tzv Umov vektor- vektor gustoće toka energije zvučnog vala, koji se može prikazati kao umnožak intenziteta ultrazvuka i vektora normale vala, tj. jediničnog vektora okomitog na frontu vala. Ako je zvučno polje superpozicija harmoničnih valova različitih frekvencija, tada za vektor prosječne gustoće toka zvučne energije postoji aditivnost komponenata.

Za emitere koji stvaraju ravni val govori se o intenzitet zračenja, što znači ovime specifična snaga emitera, tj. izračenu snagu zvuka po jedinici površine površine koja zrači.

Intenzitet zvuka se mjeri u SI jedinicama u W/m 2 . U ultrazvučnoj tehnologiji, interval promjene intenziteta ultrazvuka je vrlo velik - od graničnih vrijednosti ~ 10 -12 W/m 2 do stotina kW/m 2 u fokusu ultrazvučnih koncentratora.

Tablica 1 - Svojstva nekih uobičajenih materijala

Materijal	Gustoća, kg / m 3	Brzina uzdužnog vala, m/s	Brzina smicanja vala, m/s	, 10 3 kg / (m 2 * s)
Akril	1180	2670	-	3,15
Zrak	0,1	330	-	0,00033
Aluminij	2700	6320	3130	17,064
Mjed	8100	4430	2120	35,883
Bakar	8900	4700	2260	41,830
Staklo	3600	4260	2560	15,336
nikal	8800	5630	2960	49,544
Poliamid (najlon)	1100	2620	1080	2,882
Čelik (nisko legirani)	7850	5940	3250	46,629
Titanij	4540	6230	3180	26,284
Volfram	19100	5460	2620	104,286
Voda (293K)	1000	1480	-	1,480

Slabljenje ultrazvuka

Jedna od glavnih karakteristika ultrazvuka je njegovo slabljenje. Slabljenje ultrazvuka je smanjenje amplitude i, prema tome, zvučni val dok se širi. Do slabljenja ultrazvuka dolazi zbog više razloga. Glavni su:

Prvi od ovih razloga povezan je s činjenicom da se, dok se val širi od točkastog ili sferičnog izvora, energija koju emitira izvor raspoređuje po sve većoj površini fronte vala i, sukladno tome, tok energije kroz jedinicu površina se smanjuje, tj. . Za sferni val, čija valna površina raste s udaljenošću r od izvora kao r 2 , amplituda vala opada proporcionalno, a za cilindrični val - proporcionalno.

Koeficijent prigušenja izražava se ili u decibelima po metru (dB/m) ili u neperima po metru (Np/m).

Za ravni val, koeficijent slabljenja u amplitudi s udaljenošću određen je formulom

, (6)

Određuje se faktor prigušenja u odnosu na vrijeme

, (7)

Za mjerenje koeficijenta također se koristi jedinica dB / m, u ovom slučaju

, (8)

Decibel (dB) je logaritamska jedinica za mjerenje omjera energija ili snaga u akustici.

, (9)

• gdje je A 1 amplituda prvog signala,
• A 2 - amplituda drugog signala

Tada će odnos između mjernih jedinica (dB/m) i (1/m) biti:

Refleksija ultrazvuka od sučelja

Kada zvučni val padne na granicu između medija, dio energije će se reflektirati u prvi medij, a ostatak energije će prijeći u drugi medij. Omjer između reflektirane energije i energije koja prolazi u drugi medij određen je valnim impedancijama prvog i drugog medija. U nedostatku disperzije brzine zvuka valni otpor ne ovisi o valnom obliku i izražava se formulom:

Koeficijenti refleksije i prijenosa bit će određeni na sljedeći način

, (12)

, (13)

• gdje je D koeficijent prijenosa zvučnog tlaka

Također treba napomenuti da ako je drugi medij akustički "mekši", tj. Z 1 >Z 2, tada se faza vala refleksijom mijenja za 180˚.

Koeficijent prijenosa energije iz jednog medija u drugi određen je omjerom intenziteta vala koji prelazi u drugi medij i intenziteta upadnog vala.

, (14)

Interferencija i difrakcija ultrazvučnih valova

Zvučne smetnje- nejednolikost prostorne raspodjele amplitude rezultirajućeg zvučnog vala, ovisno o omjeru između faza valova koji nastaju u određenoj točki prostora. Pri zbrajanju harmonijskih valova iste frekvencije, dobiveni prostorni raspored amplitude oblikuje vremenski neovisan interferencijski uzorak, koji odgovara promjeni fazne razlike komponentnih valova tijekom prijelaza od točke do točke. Za dva interferirajuća vala, ovaj uzorak na ravnini ima oblik izmjeničnih vrpci pojačanja i slabljenja amplitude veličine koja karakterizira zvučno polje (na primjer, zvučni tlak). Za dva ravna vala, vrpce su pravocrtne s amplitudom koja se mijenja preko vrpci u skladu s promjenom fazne razlike. Važno poseban slučaj interferencija - dodavanje ravnog vala s njegovom refleksijom od ravne granice; u ovom slučaju nastaje stojni val s ravninama čvorova i antinoda smještenih paralelno s granicom.

difrakcija zvuka- odstupanje ponašanja zvuka od zakona geometrijske akustike, zbog valne prirode zvuka. Rezultat difrakcije zvuka je divergencija ultrazvučnih zraka pri udaljavanju od emitera ili nakon prolaska kroz rupu na ekranu, savijanje zvučnih valova u područje sjene iza prepreka koje su velike u usporedbi s valnom duljinom, odsutnost sjena iza prepreka koje su male u odnosu na valnu duljinu itd. n. Zvučna polja nastala ogibom izvornog vala na preprekama postavljenim u mediju, na nehomogenostima samog medija, kao i na nepravilnostima i nehomogenostima medija. granice medija, nazivaju se raspršena polja. Za objekte na kojima dolazi do difrakcije zvuka, a koji su veliki u usporedbi s valnom duljinom, stupanj odstupanja od geometrijskog uzorka ovisi o vrijednosti valnog parametra

, (15)

• gdje je D promjer objekta (na primjer, promjer ultrazvučnog emitera ili prepreke),
• r - udaljenost točke promatranja od ovog objekta

Ultrazvučni emiteri

Ultrazvučni emiteri- uređaji koji se koriste za pobuđivanje ultrazvučnih vibracija i valova u plinovitim, tekućim i krutim medijima. Ultrazvučni emiteri pretvaraju neki drugi oblik energije u energiju.

Najviše se koristi kao odašiljači ultrazvuka elektroakustički pretvarači. U velikoj većini ultrazvučnih emitera ove vrste, naime u piezoelektrični pretvarači , magnetostrikcijski pretvarači, elektrodinamički emiteri, elektromagnetskih i elektrostatskih emitera, električna energija se pretvara u energiju titranja čvrstog tijela (zračeća ploča, štap, dijafragma i sl.), koje emitira akustične valove u okolinu. Svi navedeni pretvarači su u pravilu linearni, pa prema tome oscilacije sustava zračenja reproduciraju pobudni električni signal u obliku; samo pri vrlo velikim amplitudama oscilacija blizu gornje granice dinamičkog raspona ultrazvučnog odašiljača mogu se pojaviti nelinearna izobličenja.

U pretvaračima dizajniranim za emitiranje monokromatskih valova koristi se ovaj fenomen rezonancija: rade na jednoj od vlastitih oscilacija mehaničkog oscilatornog sustava, čija je frekvencija podešena na generator električnih oscilacija, koji pobuđuje pretvarač. Elektroakustički pretvornici koji nemaju poluprovodnički sustav zračenja relativno se rijetko koriste kao emiteri ultrazvuka; To uključuje, na primjer, ultrazvučne emitere temeljene na električno pražnjenje u tekućini ili na elektrostrikciju tekućine.

Karakteristike emitera ultrazvuka

Glavne karakteristike ultrazvučnih emitera su njihove frekvencijski spektar, emitirano zvučna snaga, usmjerenost zračenja. Kod monofrekventnog zračenja glavne karakteristike su radna frekvencija ultrazvučni emiter i njegovi frekvencijski pojas, čije su granice određene padom snage zračenja za faktor dva u odnosu na njezinu vrijednost na frekvenciji maksimalnog zračenja. Za rezonantne elektroakustičke pretvarače radna frekvencija je prirodna frekvencija f 0 pretvarač, i Širina linijeΔf je određen njegovim faktor kvalitete Q.

Odašiljači ultrazvuka (elektroakustički pretvarači) karakteriziraju osjetljivost, elektroakustička učinkovitost i vlastita električna impedancija.

Osjetljivost ultrazvučnog pretvarača- omjer zvučnog tlaka na maksimumu karakteristike usmjerenosti na određenoj udaljenosti od emitera (najčešće na udaljenosti od 1 m) prema električni napon na njega ili na struju koja u njemu teče. Ova se specifikacija odnosi na ultrazvučne sonde koje se koriste u sustavima sirena, sonarima i drugim sličnim aplikacijama. Za emitere za tehnološke svrhe, koji se koriste, na primjer, za ultrazvučno čišćenje, koagulaciju, utjecaj na kemijske procese, glavna karakteristika je snaga. Uz ukupnu snagu zračenja, procijenjenu u W, emiteri ultrazvuka karakteriziraju gustoća snage, tj. prosječna snaga po jedinici površine površine zračenja ili prosječni intenzitet zračenja u bliskom polju, procijenjen u W / m 2.

Učinkovitost elektroakustičkih pretvarača koji zrače akustičnu energiju u ozvučenu okolinu karakterizira njihova vrijednost elektroakustička učinkovitost, što je omjer emitirane akustične snage i potrošene električne energije. U akustoelektronici, za procjenu učinkovitosti ultrazvučnih emitera, koristi se tzv. koeficijent električnog gubitka, jednaka omjeru(u dB) električna snaga prema akustičkoj snazi. Učinkovitost ultrazvučnih alata koji se koriste u ultrazvučnom zavarivanju, strojnoj obradi i slično, karakterizirana je takozvanim faktorom učinkovitosti, koji je omjer kvadrata amplitude oscilatornog pomaka na radnom kraju koncentratora prema električnom snaga koju troši pretvarač. Ponekad se efektivni elektromehanički koeficijent sprege koristi za karakterizaciju pretvorbe energije u ultrazvučnim emiterima.

Odašiljač zvučnog polja

Zvučno polje pretvornika podijeljeno je u dvije zone: bližu zonu i daleku zonu. bliska zona ovo je područje izravno ispred sonde gdje amplituda odjeka prolazi kroz niz visokih i niskih tonova. Bliska zona završava na zadnjem maksimumu, koji se nalazi na udaljenosti N od pretvornika. Poznato je da je mjesto posljednjeg maksimuma prirodno žarište pretvornika. daleka zona ovo je područje iza N gdje se tlak zvučnog polja postupno smanjuje do nule.

Položaj posljednjeg maksimuma N na akustičnoj osi pak ovisi o promjeru i valnoj duljini, a za okrugli radijator s diskom izražava se formulom

, (17)

Međutim, budući da je D obično puno veći, jednadžba se može pojednostaviti na oblik

Karakteristike zvučnog polja određene su dizajnom ultrazvučnog pretvornika. Posljedično, širenje zvuka u području koje se proučava i osjetljivost senzora ovise o njegovom obliku.

Primjena ultrazvuka

Različite primjene ultrazvuka, u kojima se koriste njegove različite značajke, mogu se uvjetno podijeliti u tri područja. povezan s primanjem informacija putem ultrazvučnih valova, - s aktivnim djelovanjem na tvar i - s obradom i prijenosom signala (smjerovi su navedeni redoslijedom njihovog povijesnog razvoja). U svakoj specifičnoj primjeni koristi se ultrazvuk određenog frekvencijskog područja.