Τι είναι ο υπέρηχος και πώς χρησιμοποιείται στη βιομηχανία;

Ο υπέρηχος ονομάζεται ελαστικά κύματα (κύματα που διαδίδονται σε υγρά, στερεά και αέρια μέσα λόγω της δράσης ελαστικών δυνάμεων), η συχνότητα των οποίων βρίσκεται εκτός του εύρους που ακούγεται στον άνθρωπο — από περίπου 20 kHz και άνω.

Αρχικά, οι υπερήχοι και οι ακουστικοί ήχοι διακρίνονταν μόνο με βάση την αντίληψη ή τη μη αντίληψη από το ανθρώπινο αυτί. Το κατώφλι ακοής διαφορετικών ανθρώπων κυμαίνεται από 7 έως 25 kHz και έχει διαπιστωθεί ότι ένα άτομο αντιλαμβάνεται υπερήχους με συχνότητα 30 - 40 kHz μέσω του μηχανισμού οστικής αγωγιμότητας. Επομένως, το κατώτερο όριο της συχνότητας υπερήχων είναι συμβατικά αποδεκτό.

Το ανώτερο όριο της συχνότητας υπερήχων εκτείνεται στις συχνότητες 1013 — 1014 Hz, δηλ. μέχρι συχνότητες όπου το μήκος κύματος γίνεται συγκρίσιμο με τις διαμοριακές αποστάσεις σε στερεά και υγρά. Στα αέρια, αυτό το όριο βρίσκεται κάτω και καθορίζεται από την ελεύθερη διαδρομή του μορίου.

Χρήσιμες λειτουργίες υπερηχητικών κυμάτων

Και παρόλο που ο υπέρηχος έχει την ίδια φύση με τον ακουστικό ήχο, διαφέρει μόνο υπό όρους (υψηλότερη συχνότητα), είναι ακριβώς λόγω της υψηλότερης συχνότητας που ο υπέρηχος μπορεί να εφαρμοστεί σε πολλές χρήσιμες κατευθύνσεις.

Έτσι, κατά τη μέτρηση της ταχύτητας του υπερήχου σε μια στερεή, υγρή ή αέρια ουσία, λαμβάνονται πολύ μικρά σφάλματα κατά την παρατήρηση γρήγορων διεργασιών, κατά τον προσδιορισμό της ειδικής θερμότητας (αέριο), κατά τη μέτρηση των ελαστικών σταθερών των στερεών.

Η υψηλή συχνότητα σε χαμηλά πλάτη καθιστά δυνατή την επίτευξη αυξημένων πυκνοτήτων ενεργειακών ροών, αφού η ενέργεια ενός ελαστικού κύματος είναι ανάλογη με το τετράγωνο της συχνότητάς του. Επιπλέον, τα υπερηχητικά κύματα, που χρησιμοποιούνται με τον σωστό τρόπο, μπορούν να παράγουν μια σειρά από πολύ ειδικά ακουστικά εφέ και φαινόμενα.

Ένα από αυτά τα ασυνήθιστα φαινόμενα είναι η ακουστική σπηλαίωση, η οποία συμβαίνει όταν ένα ισχυρό υπερηχητικό κύμα κατευθύνεται σε ένα υγρό. Σε ένα υγρό, στην περιοχή της δράσης υπερήχων, μικρές φυσαλίδες ατμού ή αερίου (υπομικροσκοπικό μέγεθος) αρχίζουν να αναπτύσσονται σε κλάσματα του χιλιοστού σε διάμετρο, πάλλονται με τη συχνότητα του κύματος και καταρρέουν στη φάση θετικής πίεσης.

Η φυσαλίδα που καταρρέει παράγει τοπικά έναν παλμό υψηλής πίεσης που μετράται σε χιλιάδες ατμόσφαιρες, και γίνεται η πηγή σφαιρικών κρουστικών κυμάτων. Οι ακουστικές μικροροές που δημιουργούνται κοντά σε τέτοιες παλλόμενες φυσαλίδες ήταν χρήσιμες για την παρασκευή γαλακτωμάτων, τον καθαρισμό εξαρτημάτων κ.λπ.

Με την εστίαση του υπερήχου, λαμβάνονται ηχητικές εικόνες σε συστήματα ακουστικής ολογραφίας και ηχητικής όρασης και η ηχητική ενέργεια συγκεντρώνεται για να σχηματίσει μια κατευθυντική δέσμη με καθορισμένα και ελεγχόμενα χαρακτηριστικά κατευθυντικότητας.

Χρησιμοποιώντας ένα υπερηχητικό κύμα ως πλέγμα περίθλασης για το φως, είναι δυνατή η αλλαγή των δεικτών διάθλασης του φωτός για διάφορους σκοπούς, καθώς η πυκνότητα σε ένα υπερηχητικό κύμα, όπως σε ένα ελαστικό κύμα, γενικά αλλάζει περιοδικά.

Τέλος, τα χαρακτηριστικά που σχετίζονται με την ταχύτητα διάδοσης των υπερήχων. Στα ανόργανα μέσα, ο υπέρηχος διαδίδεται με ταχύτητα που εξαρτάται από την ελαστικότητα και την πυκνότητα του μέσου.

Όσον αφορά τα οργανικά μέσα, εδώ η ταχύτητα επηρεάζεται από τα όρια και τη φύση τους, δηλαδή η ταχύτητα φάσης εξαρτάται από τη συχνότητα (διασπορά).Ο υπερήχος διασπάται με την απόσταση του μετώπου κύματος από την πηγή - το μέτωπο αποκλίνει, ο υπέρηχος διασκορπίζεται, απορροφάται.

Η εσωτερική τριβή του μέσου (διατμητικό ιξώδες) οδηγεί στην κλασική απορρόφηση του υπερήχου, επιπλέον η απορρόφηση χαλάρωσης για τους υπερήχους είναι ανώτερη από την κλασική. Στο αέριο, ο υπέρηχος αποδυναμώνεται πιο έντονα, στα στερεά και στα υγρά, είναι πολύ πιο αδύναμος. Στο νερό, για παράδειγμα, διασπάται 1000 φορές πιο αργά από ότι στον αέρα. Έτσι, οι βιομηχανικές εφαρμογές των υπερήχων σχετίζονται σχεδόν εξ ολοκλήρου με στερεά και υγρά.

Η χρήση υπερήχων

Η χρήση του υπερήχου αναπτύσσεται προς τις ακόλουθες κατευθύνσεις:

• τεχνολογία υπερήχων, η οποία επιτρέπει την παραγωγή μη αναστρέψιμων επιδράσεων σε μια δεδομένη ουσία και στην πορεία φυσικοχημικών διεργασιών μέσω υπερήχων με ένταση μονάδων W / cm2 έως εκατοντάδες χιλιάδες W / cm2.
• έλεγχος υπερήχων με βάση την εξάρτηση της απορρόφησης και της ταχύτητας του υπερήχου από την κατάσταση του μέσου μέσω του οποίου διαδίδεται.
• μέθοδοι εντοπισμού υπερήχων, γραμμές καθυστέρησης σήματος, ιατρικά διαγνωστικά κ.λπ., με βάση την ικανότητα των υπερηχητικών δονήσεων υψηλότερων συχνοτήτων να διαδίδονται σε ευθύγραμμες δέσμες (ακτίνες), ακολουθούν τους νόμους της γεωμετρικής ακουστικής και ταυτόχρονα διαδίδονται με σχετικά χαμηλή ταχύτητα.

Ο υπέρηχος παίζει ιδιαίτερο ρόλο στη μελέτη της δομής και των ιδιοτήτων μιας ουσίας, καθώς με τη βοήθειά τους είναι σχετικά εύκολο να προσδιοριστούν τα πιο διαφορετικά χαρακτηριστικά των υλικών περιβαλλόντων, όπως ελαστικές και ιξωδοελαστικές σταθερές, θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά, μορφές επιφανειών Fermi, εξαρθρήματα, ατέλειες κρυσταλλικού πλέγματος κ.λπ. Ο σχετικός κλάδος της μελέτης των υπερήχων ονομάζεται μοριακή ακουστική.

Υπερηχογράφημα σε ηχοεντοπισμό και σόναρ (τροφή, άμυνα, εξόρυξη)

Το πρώτο πρωτότυπο σόναρ δημιουργήθηκε για να αποτρέψει τις συγκρούσεις πλοίων με παγόβουνα και παγόβουνα από τον Ρώσο μηχανικό Shilovsky μαζί με τον Γάλλο φυσικό Langevin το 1912.

Η συσκευή χρησιμοποιεί την αρχή της ανάκλασης και λήψης ηχητικών κυμάτων. Το σήμα στόχευε σε ένα ορισμένο σημείο και με την καθυστέρηση του σήματος απόκρισης (ηχώ), γνωρίζοντας την ταχύτητα του ήχου, ήταν δυνατό να εκτιμηθεί η απόσταση από το εμπόδιο που αντανακλούσε τον ήχο.

Οι Shilovsky και Langevin ξεκίνησαν μια εις βάθος μελέτη της υδροακουστικής και σύντομα δημιούργησαν μια συσκευή ικανή να ανιχνεύει εχθρικά υποβρύχια στη Μεσόγειο σε απόσταση έως και 2 χιλιομέτρων. Όλα τα σύγχρονα σόναρ, συμπεριλαμβανομένων των στρατιωτικών, είναι απόγονοι αυτής της συσκευής.

Οι σύγχρονες ηχούς για τη μελέτη του ανάγλυφου πυθμένα αποτελούνται από τέσσερα μπλοκ: έναν πομπό, έναν δέκτη, έναν μορφοτροπέα και μια οθόνη.Η λειτουργία του πομπού είναι να στέλνει παλμούς υπερήχων (50 kHz, 192 kHz ή 200 kHz) βαθιά μέσα στο νερό, οι οποίοι διαδίδονται μέσα στο νερό με ταχύτητα 1,5 km/s, όπου αντανακλώνται από ψάρια, πέτρες, άλλα αντικείμενα. και παρακάτω, αφού αυτή η ηχώ φτάσει στον δέκτη, επεξεργάζεται ένας μετατροπέας και το αποτέλεσμα εμφανίζεται στην οθόνη σε μορφή κατάλληλη για οπτική αντίληψη.

Υπέρηχοι στην ηλεκτρονική και ηλεκτρική βιομηχανία

Πολλοί τομείς της σύγχρονης φυσικής δεν μπορούν να κάνουν χωρίς υπερήχους. Η φυσική των στερεών και των ημιαγωγών, καθώς και η ακουστικοηλεκτρονική, είναι από πολλές απόψεις στενά συνδεδεμένη με τις μεθόδους έρευνας υπερήχων — με αποτελέσματα σε συχνότητα 20 kHz και άνω. Ξεχωριστή θέση εδώ κατέχει η ακουστικοηλεκτρονική, όπου τα υπερηχητικά κύματα αλληλεπιδρούν με ηλεκτρικά πεδία και ηλεκτρόνια μέσα σε στερεά σώματα.

Τα ογκομετρικά υπερηχητικά κύματα χρησιμοποιούνται σε γραμμές καθυστέρησης και σε συντονιστές χαλαζία για τη σταθεροποίηση της συχνότητας σε σύγχρονα ηλεκτρονικά συστήματα επεξεργασίας και μετάδοσης πληροφοριών. σε συσκευές μνήμης και ανάγνωσης εικόνων. Τέλος, οι συσχετιστές και οι περιστροφείς χρησιμοποιούν το εγκάρσιο ακουστικοηλεκτρικό φαινόμενο στη λειτουργία τους.

Ραδιοηλεκτρονική και υπέρηχοι

Οι γραμμές καθυστέρησης υπερήχων είναι χρήσιμες για την καθυστέρηση ενός ηλεκτρικού σήματος σε σχέση με ένα άλλο.Ένας ηλεκτρικός παλμός μετατρέπεται σε παλμική μηχανική δόνηση με συχνότητα υπερήχων, η οποία διαδίδεται πολλές φορές πιο αργά από έναν ηλεκτρομαγνητικό παλμό. η μηχανική δόνηση στη συνέχεια μετατρέπεται ξανά σε ηλεκτρικό παλμό και παράγεται ένα σήμα που καθυστερεί σε σχέση με την αρχική είσοδο.

Για μια τέτοια μετατροπή, χρησιμοποιούνται συνήθως πιεζοηλεκτρικοί ή μαγνητοσυστολείς μετατροπείς, γι' αυτό και οι γραμμές καθυστέρησης ονομάζονται επίσης πιεζοηλεκτρικές ή μαγνητοσυστολές.

Σε μια πιεζοηλεκτρική γραμμή καθυστέρησης, ένα ηλεκτρικό σήμα εφαρμόζεται σε μια πλάκα χαλαζία (πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας) άκαμπτα συνδεδεμένη με μια μεταλλική ράβδο.

Ένας δεύτερος πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας συνδέεται στο άλλο άκρο της ράβδου. Ο μετατροπέας εισόδου λαμβάνει το σήμα, παράγει μηχανικούς κραδασμούς που διαδίδονται κατά μήκος της ράβδου και όταν οι δονήσεις φτάσουν στον δεύτερο μορφοτροπέα μέσω της ράβδου, παράγεται ξανά ηλεκτρικό σήμα.

Η ταχύτητα διάδοσης των κραδασμών κατά μήκος της ράβδου είναι πολύ μικρότερη από εκείνη ενός ηλεκτρικού σήματος, επομένως το σήμα που διέρχεται από τη ράβδο καθυστερεί σε σχέση με την είσοδο κατά ένα ποσό που σχετίζεται με τη διαφορά στις ταχύτητες των ηλεκτρομαγνητικών και υπερηχητικών δονήσεων.

Η γραμμή καθυστέρησης μαγνητοσυστολής θα περιέχει τον μορφοτροπέα εισόδου, μαγνήτες, καλώδιο ήχου, μορφοτροπέα εξόδου και απορροφητές. Το σήμα εισόδου εφαρμόζεται στο πρώτο πηνίο, ταλαντώσεις συχνότητας υπερήχων - μηχανικές ταλαντώσεις - ξεκινούν στον ακουστικό αγωγό της ράβδου από μαγνητοσυστολικό υλικό - ο μαγνήτης δημιουργεί εδώ μόνιμη μαγνήτιση στη ζώνη μετασχηματισμού και αρχική μαγνητική επαγωγή.

Στη ράβδο, οι δονήσεις διαδίδονται με ταχύτητα 5000 m / s, για παράδειγμα, για μήκος ράβδου 40 cm, η καθυστέρηση θα είναι 80 μs. Οι εξασθενητές και στα δύο άκρα της ράβδου αποτρέπουν τις ανεπιθύμητες ανακλάσεις σήματος. Οι μαγνητοσυσταλτικές διαταραχές θα προκαλέσουν αλλαγή στην επαγωγή στο EMF του δεύτερου τυλίγματος (μετατροπέας εξόδου).

Υπέρηχοι στη μεταποιητική βιομηχανία (κοπή και συγκόλληση)

Ένα λειαντικό υλικό (χαλαζιακή άμμος, διαμάντι, πέτρα κ.λπ.) τοποθετείται μεταξύ της πηγής υπερήχων και του τεμαχίου εργασίας. Ο υπέρηχος δρα σε λειαντικά σωματίδια, τα οποία με τη σειρά τους χτυπούν το εξάρτημα με τη συχνότητα του υπερήχου. Το υλικό του τεμαχίου εργασίας υπό την επίδραση ενός τεράστιου αριθμού μικρών χτυπημάτων από λειαντικούς κόκκους καταστρέφεται - έτσι πραγματοποιείται η επεξεργασία.

Η κοπή προστίθεται με την κίνηση τροφοδοσίας, ενώ οι διαμήκεις ταλαντώσεις κοπής είναι οι κύριες. Η ακρίβεια της επεξεργασίας με υπερήχους εξαρτάται από το μέγεθος των κόκκων του λειαντικού και φτάνει το 1 micron. Με αυτόν τον τρόπο γίνονται σύνθετες τομές, που είναι απαραίτητες στην παραγωγή μεταλλικών εξαρτημάτων, λείανση, χάραξη και διάτρηση.

Εάν είναι απαραίτητο να συγκολληθούν ανόμοια μέταλλα (ή ακόμα και πολυμερή) ή να συνδυαστεί ένα παχύ μέρος με μια λεπτή πλάκα, ο υπέρηχος έρχεται και πάλι στη διάσωση. Αυτό είναι το λεγόμενο ψυχρή συγκόλληση με υπερήχους… Υπό την επίδραση του υπερήχου στη ζώνη συγκόλλησης, το μέταλλο γίνεται πολύ πλαστικό, τα μέρη μπορούν πολύ εύκολα να περιστραφούν κατά τη σύνδεση σε οποιαδήποτε γωνία. Και αξίζει να απενεργοποιήσετε τον υπέρηχο - τα εξαρτήματα θα συνδεθούν αμέσως, θα πιάσουν.

Είναι ιδιαίτερα αξιοσημείωτο το γεγονός ότι η συγκόλληση πραγματοποιείται σε θερμοκρασία κάτω από το σημείο τήξης των εξαρτημάτων και η σύνδεσή τους γίνεται στην πραγματικότητα σε στερεά κατάσταση, αλλά με αυτόν τον τρόπο συγκολλούνται χάλυβες, τιτάνιο ακόμα και μολυβδαίνιο. Τα λεπτά φύλλα συγκολλούνται πιο εύκολα. Αυτή η μέθοδος συγκόλλησης δεν συνεπάγεται ειδική προετοιμασία της επιφάνειας των εξαρτημάτων, αυτό ισχύει επίσης για μέταλλα και πολυμερή.

Η δοκιμή υπερήχων χρησιμοποιείται για την ανίχνευση ελαττωμάτων επίπεδου τύπου στο μέταλλο κατά τη συγκόλληση (ρωγμές, έλλειψη διείσδυσης, έλλειψη πρόσφυσης). Αυτή η μέθοδος είναι πολύ αποτελεσματική για χάλυβες λεπτόκοκκου.

Υπέρηχος στη μεταλλουργία (ανίχνευση ελαττωμάτων με υπερήχους)

Ανίχνευση ελαττωμάτων με υπερήχους — ανίχνευση ελαττωμάτων με βάση την αλλαγή των συνθηκών διάδοσης ελαστικών, κυρίως υπερηχητικών δονήσεων.

Η ανίχνευση ελαττωμάτων με υπερήχους είναι μια από τις πιο αποτελεσματικές μεθόδους για τον μη καταστροφικό ποιοτικό έλεγχο μεταλλικών εξαρτημάτων.

Σε ένα ομοιογενές μέσο, ​​ο υπέρηχος διαδίδεται προς μια κατεύθυνση χωρίς ταχεία εξασθένηση και η ανάκλαση είναι χαρακτηριστική του στα όρια του μέσου. Έτσι τα μεταλλικά μέρη ελέγχονται για κενά και ρωγμές στο εσωτερικό τους (διεπαφή αέρα με μέταλλο) και ανιχνεύεται αυξημένη κόπωση μετάλλου.

Ο υπέρηχος μπορεί να διαπεράσει ένα τμήμα σε βάθος 10 μέτρων και το μέγεθος των ανιχνευόμενων ελαττωμάτων είναι της τάξης των 5 mm. Υπάρχουν: σκιά, παλμός, συντονισμός, δομική ανάλυση, οπτικοποίηση, — πέντε μέθοδοι ανίχνευσης ελαττωμάτων με υπερήχους.

Η απλούστερη μέθοδος είναι η ανίχνευση ελαττώματος σκιάς με υπερήχους, αυτή η μέθοδος βασίζεται στην εξασθένηση ενός υπερηχητικού κύματος όταν αντιμετωπίζει ένα ελάττωμα όταν περνά μέσα από ένα τμήμα, καθώς το ελάττωμα δημιουργεί μια υπερηχητική σκιά.Δύο μετατροπείς λειτουργούν: ο πρώτος εκπέμπει ένα κύμα, ο δεύτερος το λαμβάνει.

Αυτή η μέθοδος δεν είναι ευαίσθητη, ένα ελάττωμα ανιχνεύεται μόνο εάν η επιρροή του αλλάξει το σήμα κατά τουλάχιστον 15%, επιπλέον, είναι αδύνατο να προσδιοριστεί το βάθος όπου βρίσκεται το ελάττωμα στο εξάρτημα. Πιο ακριβή αποτελέσματα λαμβάνονται με τη μέθοδο παλμικού υπερήχου, δείχνει επίσης το βάθος.

Για την εκπομπή και τη λήψη ελαστικών δονήσεων χρησιμοποιούνται πιεζοηλεκτρικοί μετατροπείς, και στο εύρος του ήχου και των χαμηλών συχνοτήτων υπερήχων — μαγνητοσυστολείς μετατροπείς.

Οι ακόλουθες μέθοδοι χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά ελαστικών δονήσεων από τον μορφοτροπέα στο ελεγχόμενο προϊόν και αντίστροφα:

• ανεπαφες?
• ξηρή επαφή (κυρίως για χαμηλές συχνότητες).
• επαφή με λιπαντικό (πριν από τη δοκιμή, ένα στρώμα λαδιού ή νερού με πάχος πολύ μικρότερο από το μήκος κύματος του ελαστικού εφαρμόζεται στην καθαρά επεξεργασμένη επιφάνεια του προϊόντος).
• επαφή πίδακα (μέσω ενός ρεύματος υγρού που ρέει σε ένα μικρό διάκενο μεταξύ του πιεζοηλεκτρικού στοιχείου και της επιφάνειας του προϊόντος).
• εμβάπτιση (το ελεγχόμενο προϊόν βυθίζεται σε λουτρό και η επαφή γίνεται μέσω ενός στρώματος υγρού, το πάχος του οποίου πρέπει να είναι τουλάχιστον το 1/4 του πάχους του προϊόντος).

Το πλεονέκτημα των μεθόδων εμβάπτισης, inkjet και μη επαφής είναι η έλλειψη φθοράς στις κεφαλές αναζήτησης και η δυνατότητα χρήσης υψηλότερων ταχυτήτων σάρωσης, καθώς και η δυνατότητα αυτοματοποίησης της διαχείρισης.

Δείτε επίσης:

Υπερηχητική κοπή μετάλλων

Εγκαταστάσεις καθαρισμού εξαρτημάτων με υπερήχους

Αισθητήρες υπερήχων για συστήματα αυτοματισμού

Αισθητήρες και συσκευές μέτρησης για τον προσδιορισμό της σύστασης και των ιδιοτήτων των ουσιών