1. Общи сведения. Звук. Ултразвук. Особености
Изтегляне 266.5 Kb.
|
- Навигация на страницата:
- 2. Видове УЗ преобразуватели.
- 3. Приложение на ултразвука.
| 1. Общи сведения. Звук. Ултразвук. Особености.
Звукът е трептенето на материя , възприемано чрез слуха. Обикновено чуваме трептения, които се предават по въздуха, но звукът също се предава и през газове, течности и твърди тела. Той не може да се разпространява във вакуум (например в космоса). Когато дадено тяло трепти, в заобикалящия го въздух възникват така наречените звукови вълни. Те предизвикват налягане върху тъпанчето на ухото, вследствие на което се получава възприятието на звук. С увеличаване на звуковото налягане звука се чува по-силно и обратно. Възприятието на звуковата сила не се увеличава пропорционално на звуковото налягане, а значително по-слабо — с логаритмична зависимост. Мярката за сила на звук — децибел (dB), също е логаритмична по тази причина. „Звукът е разпространяваща се в еластична среда периодична промяна на налягането, амплитудата или скоростта на частица“ или поредица от механични свивания и разреждания (надлъжни вълни), които успешно се разпространяват в някаква среда, която е поне малко свиваема (твърдо тяло, течност или газ, но не вакуум).Звуковете биват тонове и шумове. Тоновете се получават в резултат на равномерното периодично трептене. Трептенията със случаен характер са шум. Скоростта на звука при нормални условия : • във въздух е 331 м/с (около 1234.8 км/ч) ; • във вода 1500 м/с ; • в твърди тела 2000-6000 м/с ; • в дърво 3300 м/с ; • в стъкло 5300 м/с . Всяко тяло (твърдо,течно и газообразно), което трепти и създава в обкръжаващата среда звукови вълни, се нарича източник на звукови вълни.
[I] = J/m2.s = W/m2. Субективната преценка на интензитета на звуковата вълна се характеризира с величината ниво на интензитета (ниво на гръмкостта) и се измерва с единицата бел ‘В’ (в чест на изобретателя на телефона Ал. Бел). Единицата бел (В) е твърде голяма. Обикновено на практика се използва 10 пъти по – малка единица – децибел (dB). Обаче звуковите вълни, възбудени от реалните източници на звук, представляват съвкупност от насложени голям брой хармонични вълни с различна честота и амплитуда. Тази съвкупност се нарича спектър на вълната. В зависимост от вида на честотния спектър и съответстващия им интензитет всички звукове може да ги разделим на две групи: 1. тонални или музикални звукове 2. шумове. Една от основните характеристики за звука е неговата честота.Честота на звука е равна на честотата на трептене на неговия източник, т.е. на броя на пълните трептения,които прави този източник за единица време.Тялото прави едно пълно трептене,когато се отклони от равновесното си положение в едната посока,след това в другата посока и отново достигне до първоначалното си равновесно положение. Единицата, с която се измерва честотата на звука се нарича херц (Hz).Честотата на звука ще бъде един херц,когато частиците ,в която се разпространява този звук,извършват по едно пълно трептене за една секунда.Когато всяка една от тези частици извършва по 100 трептения за 1 sec, казваме,че звукът е с честота 100 Hz. Ултразвукът е звук с честота по-голяма от горната граница на човешкия слух, около 20 kHz. Някои животни имат по-висока граница от тази на човешкото ухо и могат да чуват ултразвук.Ултразвукът има приложение в медицината и в промишлеността. В медицината, с помощта на ултразвук или ехография може да се визуализират мускули и меки тъкани и по този начин да се сканират органи. Акушерски ехографи обикновено се използват за наблюдение по време на бременност. Типичните диагностични ултразвукови скенери работят в честотния диапазон от 2 до 13 МHz. По-мощни ултразвукови източници могат да затоплят локално определени тъкани и това намира приложение във физиотерапията и лечението на рака. Фокусирани ултразвукови източници могат да бъдат използвани за разбиване на камъни в бъбреците или за лекуване на перде на окото. В промишлеността ултразвукът се използва широко за регистриране и оценка на различни дефекти и нееднородности в изделията. Метода се прилага основно при много отговорни изделия, поради високата си себестойност. Той е един от основните методи, прилагани в конвенционалния безразрушителен контрол наред с радиографията, магнитно-парховите методи, методите с проникващи течности и метода с вихрови токове. Честотите на улразвуковите вълни, които се използват са най-често от порядъка на 1-20 МHz. За ултразвуково (supersonic) почистване се използва ултразвук с честота 20-40 kHz - в бижутерията, оптиката, за почистване на часовници, зъболекарски и хирургични инструменти и на промишлени части. По своята природа ултразвукът представлява вълна с висока честота и следователно с много малка дължина на вълната. Ултразвукът намира приложение в различни области на науката, техниката, медицината и играе важна роля в живота на много животни. За излъчване на ултразвук се използват разнообразни устойства, които можем да разделим на две групи: механични излъчватели – свирки и сирени, използващи въздух или течност, и електромеханични – пиезоелектрични и магнитострикционни. За излъчване и регистриране на ултразвук със средни и високи честоти се използват основно пиезоелектрични преобразуватели, основани на обратния и правия пиезоелектричен ефект. Пиезоелектричния ефект се състои в това, че при деформация на свиване и ратягане на изрязана по подходящ начин пластинка от пиезокристал (кварц, турмалин, сегнетова сол, бариев титанат и други) върху срещуположните й стени възникват разноименни електрични зарядаи. Така между тези стени се създава напрежение. При смяна на свиването с разтягане знакът на зарядите върху стените се сменя, напрежението, което възниква напрежение. Главната особеност на ултразвуковите вълни е тяхната висока честота (следователно малка дължина на вълната), която позволява да бъдат излъчени във вид на тесен сноп от лъчи и тяхното разпространение да се разглежда по методите на геометричната оптика. Това позволява ултразвукът да се използва за научни изследвания. По характера на разпространението и поглъщането му в газовете, течностита и твърдите тела може да се получи ценна информация за свойствата и строежа на веществата. Преобразувайки звуковите трептения в електрични, а електричните в светлинни, е възможно да се видят едни или други обекти в непрозрачната среда. На този принцип се основават и микроскопи с висока контрастност, използвани в биологията. На принципа на отражението на ултразвукови импулси се основава работата на ехолога. Ехологът е навигационен уред за измерване дълбочини на водни басейни, проучване на релефа на дъното и т.н. с помощта на ултразвукови ехо – сигнали. Действието на ехолота се основава на измерванена интервала от време t, изтекло от момента на изпращане на сондиращия ултразвуков импулс до момента на приемането на отразения от дъното (или обекта) ехо – сигнал. Дълбочината на дъното е h = ut/2, където u е скоростта на звука във вода. Ехосигналът е вълна, отразена от кое да е препятствие (обект, прграда, хълм) и приета от наблюдателя. В медицината ултразвукът се използва за диагностика, терапевтика и хирургично лечение. Способността на ултразвука без съществено поглъщане да преминава през меките тъкани на организма и да се отразява от нееднородности се използва за диагностика на вътршни органи. Микромасаж на тъканите, активиране на процесите на обмяна на веществата и локалното нагряване на тъканите под действие на ултразвук се използват за терапевтични цели. В ултразвуковата хирургия се използва за разрушаване на тъкани, тумори, камъни в бъбреците и т.н., за съединяванеили безболезнено пробиване на отвори в коста и т.н. В съвременните индустриални условия механичните еластични трептения все по-често се прилагат в редица технологични процеси. Към тях спадат в частност почистването на различни конструктивни части, заваряването и точното снемане на различни материали, усилването на металургични и химични процеси и др. В много случаи ултразвуковото обработване може да доведе до повишаване качеството и количеството на произвежданата продукция. Най-често те са с честота по-голяма от 16kHz. Това изисква използване на по-високочестотни генератори и преобразуватели в тези системи. Ултразвуковите трептения представляват еластични вълни, които се разпространяват с определена скорост в дадена среда. Те се предизвикват от външна периодична сила  . Частичките на веществото започват да трептят периодично около своето равновесно състояние по закона:
където “а “ е амплитудата на звука;  – коефициентът на затихване Rм – съпротивлението, заместващо загубите от вътрешно триене;  - резонансна честота на механичната система;  - възбудителната честота.
m – маса. Някои характеристики на ултразвука: - честотата на ултразвука (f) представлява броят на осцилациите за секунда. - периодът на вълната (Т) е времето, необходимо за извършване на една пълна осцилация, или  .
- дължината на вълната () на ултразвука е разстоянието между частиците в заобикалящата среда, които имат еднаква амплитуда" на трептене. Скоростта на ултразвука (С) е скоростта, с която трептенията се разпространяват в определена среда. Честотата на ултразвука, дължината на вълната и скоростта са свързани: С = f . , или Например ултразвук с честота 2 MHz в мекотъканните структури на тялото (скорост 1540 m/s) ще има дължина на вълната около 0,77 mm. При друга честота на ултразвука дължината на вълната се променя:
Скоростта на ултразвука зависи едновременно от еластичността и плътността на средата. При по-голяма еластичност на средата връзката между молекулите е по-тясна. При по-плътен материал скоростта при дадена еластичност на средата е по-ниска. Други съществени параметри на ултразвука са силата и интензитетът. Интензитетът се измерва във W/cm2 и означава потокът на енергията за 1 s през 1 cm2 перпендикулярно на посоката на разпространение. При по-голям интензитет на ултразвука се получава по-голямо налягане върху средата, съответно по-голяма амплитуда на частиците (А). Макар и свързани, силата и интензитетът на ултразвука не са равнозначни. Силата се определя като време, за което е извършена дадена работа. Силата на ултразвука се изчислява чрез степента на протичане на енергията през цялата площ на напречния срез на лъча: Силата на ултразвука = интензитета на ултразвука (W/cm2) напречния срез на лъча (cm2).  Промяна на интензитета на ултразвука е възможна чрез промяна на напречния срез на лъча (например чрез фокусиране на ултразвуковия лъч) или на неговата сила.
Отслабване на ултразвука. При преминаването през дадена среда ултразвукът намалява своя интензитет, което води до неговото отслабване. Това се дължи на феномени като разсейване, абсорбция, отражение, пречупване и лъчева дивергенция. Абсорбцията на ултразвуковата енергия от средата, в която ултразвукът се разпространява, зависи от характеристиките на тази среда (еластичност и плътност), както и от честотата на използувания ултразвук. При по-голяма честота се абсорбира по-голяма част от енергията. Ето защо абсорбцията ограничава дълбочината на проникване на ултразвука и поставя една от дилемите в ултразвуковата диагностика: високата честота (следователно малка дължина на вълната) тъй като подобрява разделителната способност и осигурява по-добра картина с повече детайли на изследвания обект. В същото време обаче това намалява дълбочината на проникване на ултразвука. Честотата на използвания ултразвук е фиксирана, непроменлива и се определя от трансдуцера на апарата. Изборът на трансдуцера се определя от намирането на оптимално отношение между разделителната способност и дълбочината на проникване на ултразвука. Фиг.1 Отслабване на ултразвуковата енергия (Е) в зависимост от честотата на ултразвука (f) в една и съща среда. 2. Видове УЗ преобразуватели. За възбуждане на еластични механични трептения при промишлени условия се използват свойствата на някои материали , чиито геометрични размери се увеличават или намаляват под влияние на електромагнитното , респективно електрическо поле.Този ефект може да се наблюдава при феромагнитните материали и се означава като магнитострикционен.Наблюдава се и при диелектричните материали и се нарича пиезоелектричен или електрострикционен ефект. Магнитострикционни ултразвукови пребразуватели. Най-широко разпространените магнитострикционни материали са сплавите на Ni и Fe , а също кобалт и ванадий.Те се използват при f = 20-40 kHz. Тъй като магнитострикционния ефект не зависи от посоката на полето,честотата на деформация,респективно на възбужданите механични трептения,е удвоена спрямо честотата на магнитното поле,което ги възбужда.За увеличаване на амплитудата на трептене обикновено се използва допълнително подмагнитване на осцилатора ( вибратора ) с постоянен ток B 0.То е по-голямо от амплитудата В n на намагнитването с променлив ток ( фиг.2 ). В този случай честотата на деформация съответства на честотата на електромагнитното поле.  Фиг.2. Зависимост на честотата и амплитудата на трептенията на магнитострикционен УЗ-преобразувател от подмагнитването с постоянен ток (1 – без подмагнитване , 2 – с подмагнитване)
Ф  иг.3 Принципното устройство на УЗ - уредба за обработване
1 – токоизправител 2 – инвертор 3 – елемент за съгласуване 4 - ултразвуков преобразувател 5 – концентратор 6 – заготовка 7 – закрепване на заготовката 8 – помощна система за изсмукване 9 – подмагнитване(при магн.стрикц.п-и) 10 – резонансен респ. Акустичен преобразувател 11 – управление и регулиране 12 – контрол 13 – зареждане и разтоварване Важните функционални единици са :
устройство за управление и контрол Поради успехите на силовата електроника ултразвуковите генератори се изпълняват като полупроводникови статични преобразуватели на честота.Техните инвертори са за мощност до 10kW с мощни транзистори.За по-големи мощности се използват специални честотни тиристори.Неуправляемите токоизправители се свързват без трансформатори към трифазна мрежа.Необходимо е галванично разделяне от мрежата чрез специален изходен трансформатор.Заедно с това чрез неговата вторична страна се съгласуват честотата и импедансът спрямо елементите на вибратора.Често те се вграждат като подвижен блок в уредби за обработване. Ефективността на ултразвуковото обработване зависи съществено от поддържането на електромеханичния резонанс на ултразвуковата система.Върху резонансната честота на електромеханичните ултразвукови преобразуватели оказва влияние средата за обработване . Например : Изменението на механичното натоварване при ултразвуково заваряване и снемане на материал както и повишаването на температурата на почистващата течност могат да доведат до ограничаване на акустичната мощност.Поради това автоматичното поддържане на честотата на ултразвуков генератор е много необходимо. За откриване на резонансната честота се използват съответни честотни датчици,респективно индуктивни,капацитивни или широколентови акустични датчици.Чрез управляващия блок се следят и направляват честотата на инвертора.Ултразвуковите генератори трябва да се предпазват от претоварване.Те отдават максималнат5а си мощност при натоварване.Така че при празен ход може да се поддържа ограничена мощност. Системата за подмагнитване с постоянен ток , която е необходима за магнитострикционите ултразвукови преобразуватели , се захранва от стабилизиран източник.Така мезависимо от различните дължини на захранващите проводници се разполага с максималната звукова мощност.Тя може да се променя в определени граници чрез тока на подмагнитване. Видът на устройството за ултразвуково обработване , включително и на помощните съоръжения, се определя от технологичните задачи , които трябва да се изпълнят . Така например за ултразвуково очистване се използват вибро-вани ; за ултразвуково заваряване - заваръчни преси , с съответната възможност за настройване на продължителността и налягането при заваряване , а също и на времето за задържане , а на ултразвуково снемане на материал ( пробиване ) – бормашини. 3. Приложение на ултразвука. Ултразвукът има приложение в на процесите на обмяна на веществата и локалното нагряване на тъканите под действие на ултразвук се използват за терапевтични цели. В ултразвуковата хирургия се използва медицината и в промишлеността. В медицината ултразвукът се използва за диагностика, терапевтика и хирургично лечение. Способността на ултразвука без съществено поглъщане да преминава през меките тъкани на организма и да се отразява от нееднородности се използва за диагностика на вътрешни органи. Микро масаж на тъканите, активиране за разрушаване на тъкани, тумори, камъни в бъбреците и т.н., за съединяване или безболезнено пробиване на отвори в костта и т.н. Типичните диагностични ултразвукови скенери работят в честотния диапазон от 2 до 13 мегахерца. По-мощни ултразвукови източници могат да затоплят локално определени тъкани и това намира приложение във физиотерапията и лечението на рака. Фокусирани ултразвукови източници могат да бъдат използвани за разбиване на камъни в бъбреците или за лекуване на перде на окото. Преобразувайки звуковите трептения в електрични, а електричните в светлинни, е възможно да се видят едни или други обекти в непрозрачната среда. На този принцип се основават и микроскопи с висока контрастност, използвани в биологията. В промишлеността ултразвукът се използва широко за регистриране и оценка на различни дефекти и нееднородности в изделията. Метода се прилага основно при много отговорни изделия, поради високата си себестойност. Той е един от основните методи, прилагани в конвенционалния безразрушителен контрол наред с радиографията, магнитно-парховите методи, методите с проникващи течности и метода с вихрови токове. Честотите на улразвуковите вълни, които се използват са най-често от порядъка на 1-20 мегахерца. Ултразвуковото заваряване на фасонни части от термопластични пластмаси е особено разпространено.То предлага икономически предимства в сравнение с залепването или спрямо ВЧ-заваряване при голям брой дребни детайли.Чрез ултразвуковото заваряване могат да се свързват материали за които ВЧ-заваряване и други методи не са допустими. За ултразвуково (supersonic) почистване се използва ултразвук с честота 20-40 килохерца - в бижутерията, оптиката, за почистване на часовници, зъболекарски и хирургични инструменти и на промишлени части. Системи с ултразвуков генератор/високоговорител се продават с твърдението, че пропъждат гризачи и насекоми, но няма научни доказателства, че тези устройства наистина работят. На принципа на отражението на ултразвукови импулси се основава работата на ехолога. Ехологът е навигационен уред за измерване дълбочини на водни басейни, проучване на релефа на дъното и т.н. с помощта на ултразвукови ехо – сигнали. Главната особеност на ултразвуковите вълни е тяхната висока честота (следователно малка дължина на вълната), която позволява да бъдат излъчени във вид на тесен сноп от лъчи и тяхното разпространение да се разглежда по методите на геометричната оптика. Това позволява ултразвукът да се използва за научни изследвания. По характера на разпространението и поглъщането му в газовете, течността и твърдите тела може да се получи ценна информация за свойствата и строежа на веществата. Предназначение на ултразвуковите вани за почистване на различни по вид малки детайли, пръстени, гривни, други произведения на ювелирното изкуство, очила, лещи, различни други оптични изделия, зъболекарски дребен инструментариум. За получаване на отлични резултати, е добре при почистване да се използват съответните миещи разтвори за различните видове детайли. Ултразвуковата почистваща вана може да бъде използвана и за различни ултразвукови сонохимични процеси, като смесване, деаериране и др. Ваничката може да бъде снабдена с вътрешен таймер, който може да я изключва ако бъде забравена да работи по-дълго време. Каталог: files -> files files -> Р е п у б л и к а б ъ л г а р и я files -> Дебелината на армираната изравнителна циментова замазка /позиция 3/ е 4 см files -> „Европейско законодателство и практики в помощ на добри управленски решения, която се състоя на 24 септември 2009 г в София files -> В сила oт 16. 03. 2011 Разяснение на нап здравни Вноски при Неплатен Отпуск ззо files -> В сила oт 23. 05. 2008 Указание нои прилагане на ксо и нпос ксо files -> 1. По пътя към паметник „1300 години България files -> Георги Димитров – Kreston BulMar files -> В сила oт 13. 05. 2005 Писмо мтсп обезщетение Неизползван Отпуск кт Изтегляне 266.5 Kb. Сподели с приятели:
|
