УЛЬТРАЗВУК И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
Целью данной работы является изучение особенностей ультразвуковых волн, их применение, а так же ускорения производственных процессов с помощью ультразвука.
УЛЬТРАЗВУК— это упругие волны высокой частоты. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16 000 колебаний в секунду (Гц); колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости). Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до нескольких миллиардов герц[2].
Хотя о существовании ультразвука известно давно, его практическое использование достаточно молодо. В наше время ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах.
По своей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этом он не отличается от звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами поэтому условна; она определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует усреднённой верхней границе слышимого звука. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн ультразвук имеет ряд особенностей:
1) измерения скорости на ультразвуковых частотах позволяет с весьма малыми погрешностями определять, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоёмкости газов, упругие постоянные твёрдых тел[3].
2) возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть описаны лишь законами нелинейной акустики[1].
3) К числу важных явлений, возникающих при распространении интенсивного ультразвука в жидкостях, относится акустическая Кавитация — рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкостях до размеров в доли мм, которые начинают пульсировать с частотой У. и захлопываются в положительной фазе давления. При захлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысяч атмосфер, образуются сферические ударные волны. Возле пульсирующих пузырьков образуются акустические микропотоки. Явления в кавитационном поле приводят к ряду полезных (получение эмульсий, очистка загрязнённых деталей и др.) явлений[1].
4) Фокусировка УЗ позволяет не только получать звуковые изображения (системы звуковидения и акустической голографии), но и концентрировать звуковую энергию. С помощью УЗ-вых фокусирующих систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими[8].
5)Периодическое изменение показателя преломления световых волн, связанное с изменением плотности в УЗ-волне, вызывает дифракцию света на ультразвуке, наблюдаемую на частотах ультразвукавого диапазона. Ультразвуковую волну при этом можно рассматривать как дифракционную решетку[8].
Скорость распространения ультразвука
Скорость распространения ультразвуковых волн в неограниченной среде определяется характеристиками упругости и плотностью среды. В ограниченных средах на скорость распространения волн влияет наличие и характер границ, что приводит к частотной зависимости скорости (дисперсия скорости звука). Уменьшение амплитуды и интенсивности ультразвуковых волны по мере ее распространения в заданном направлении, то есть затухание звука, вызывается, как и для волн любой частоты, расхождением фронта волны с удалением от источника, рассеянием и поглощением звука. На всех частотах как слышимого, так и неслышимых диапазонов имеет место так называемое «классическое» поглощение, вызванное сдвиговой вязкостью (внутренним трением) среды. Кроме того, существует дополнительное (релаксационное) поглощение, часто существенно превосходящее «классическое» поглощение[8].
Применение ультразвука
В разных средах ультразвук ведет себя по-разному. В газах и, в частности, в воздухе распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Поэтому области использования ультразвука относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам[1].
В обработке металлов
1Применение ультразвук в природе
Летучие мыши, использующие при ночном ориентировании эхолокацию (Рис.1), испускают при этом ртом или имеющим форму параболического зеркала носовым отверстием сигналы чрезвычайно высокой интенсивности. На расстоянии 1 — 5 см от головы животного давление ультразвука достигает 60 мбар, то есть соответствует в слышимой нами частотной области давлению звука, создаваемого молотком. Эхо своих сигналов летучие мыши способны воспринимать при давлении всего 0,001 мбар, то есть в 10000 раз меньше, чем у испускаемых сигналов. При этом летучие мыши могут обходить при полете препятствия даже в том случае, когда на эхолокационные сигналы накладываются ультразвуковые помехи с давлением 20 мбар. Механизм этой высокой помехоустойчивости еще неизвестен. При локализации летучими мышами предметов, например, вертикально натянутых нитей с диаметром всего 0,005 — 0,008 мм на расстоянии 20см (половина размаха крыльев), решающую роль играют сдвиг во времени и разница в интенсивности между испускаемым и отраженным сигналами[3].
Рис.1 Эхолокация летучей мыши
2Диагностическое применение ультразвука в медицине
Благодаря хорошему распространению ультразвука в мягких тканях человека, его относительной безвредности по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в сравнении с магнитно-резонансной томографией, ультразвук широко применяется для визуализации состояния внутренних органов человека, особенно в брюшной полости и полости таза.
Помимо широкого использования в диагностических целях (см. Ультразвуковое исследование), ультразвук применяется в медицине (в том числе регенеративной) в качестве инструмента лечения[3].
Ультразвук обладает следующими эффектами:
противовоспалительным, рассасывающим действиями;
анальгезирующим, спазмолитическим действиями;
кавитационным усилением проницаемости кожи.
Принцип работы УЗИ-сканера (Рис.2)
Частота ультразвука, необходимая для медицинской визуализации, находится в диапазоне 1 — 20 МГц. Эти колебания получают при использовании пьезоэлектрических материалов. Когда электрическое поле помещается через срезы, оно расширяется или сжимается. При отражении сигнал возвращается, вызывая переменное электрическое поле, которое заставляет кристалл вибрировать[6].
Для достижения пьезоэлектрического эффекта в УЗИ-сканерах используются специальные элементы из кварца, титана или бария. Их толщина подбирается таким образом, чтобы обеспечить лучшее резонирование. На границе двух сред происходит передача или отражение звука, это зависит от того, насколько различны ткани, имеющие общую границу. Чем больше разница, тем сильнее будет отражаться сигнал[6].
уровень сопротивления воздуха и воды различен, поэтому чтобы получить более контрастное изображение кожу пациента смазывают специальным гелем, в котором не могут образовываться воздушные пузырьки[6].
Полученный электрический сигнал усиливается и обрабатывается. Таким образом фиксируется ультразвук, отраженный от препятствия. Обычно кристаллов бывает два – передающий и приемный. Они оба встроены в генератор, представляющий собой устройство, преобразующее электрическую энергию[6].
Изображение передается на экран прибора в виде срезов, окрашенных в виде 64-оттеночной черно-белой шкалы. Эхопозитивные участки при этом имеют темный, а эхонегативные – белый цвет. При обратной регистрации изображении оттенки могут меняться[6].
Рис.2 Принцип работы узи
3Применение ультразвука в военных целях
В 1912 году русский инженер К. В. Шиловский изобрел прибор для предотвращения столкновений судов с айсбергами и массивными льдинами. Работа прибора основывалась на принципе подводной звуковой эхолокации. Эхолокация основана на отражении сигналов различной частоты радиоволн, ультразвука и звука. Первые эхолокационные системы направляли сигнал в определённую точку пространства и по задержке ответа определяли её удалённость при известной скорости перемещения данного сигнала в данной среде и способности препятствия, до которого измеряется расстояние, отражать данный вид сигнала, то есть приема отраженных от объекта эхо-сигналов.
Принцип работы эхолотов
Эхолот состоит из четырех основных элементов: передатчика (излучателя), приемника (датчика), преобразователя (тран-дюсера) и экрана (дисплея).
Передатчик вырабатывает следующие через определенные интервалы времени высокочастотные импульсы. В современных эхолотах применяются частоты 50 и 200 кГц, иногда встречается частота 192 кГц. Излучаемые преобразователем звуковые сигналы распространяются в воде со скоростью около 1500 м/сек. и отражаются от дна, рыб, водорослей, камней и пр. предметов (Рис.3). Достигшие до приемника эхо-сигналы возбуждают в нем электрические импульсы, которые затем усиливаются в преобразователе и поступают в дисплей. Преобразованные результаты зондирования отображаются на экране прибора в удобной для восприятия графической или алфавитно-цифровой форме[7].
Рис. 3. Принцип работы эхолота
Дисплей отображает результаты ультразвукового зондирования и управляет работой прибора. Для этого на нем имеется жидкокристаллический монохромный или цветной экран и клавиатура[7].
4Применение ультразвука в физике
Ультразвук служит мощным методом исследования различных явлений во многих областях физики. Так, например, ультразвуковые методы применяются в физике твёрдого тела и физике полупроводников; возникла целая новая область физики — акусто-электроника.
В радиоэлектронных системах обработки и передачи информации объёмные акустические волны используются в линиях задержки и кварцевых резонаторах для стабилизации частоты. Разработаны и широко применяются приборы на поверхностных акустических волнах : полосовые фильтры, линии задержки, полосовые фильтры для телевидения, синтезаторы частоты, усилитель поверхностной акустической волны типа лампы бегущей волны, акусто-инжекционный транзистор, устройство с переносом заряда акустической волной, конвольверы и корреляторы, использующие поперечный акустоэлектрический эффект, устройство считывания изображений, устройства памяти[5,1].
Ультразвук в радиоэлектронике
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 ультрозвуковых 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[8].
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 ультразвука 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 ультразвука и электромагнитных сигналов на определенном участке[8].
Механическая обработка сверхтвердых и хрупких материалов
Если между рабочей поверхностью УЗ-вого инструмента и обрабатываемой деталью ввести абразивный материал, то при работе излучателя частицы абразива будут воздействовать на поверхность детали. Материал разрушается и удаляется при обработке под действием большого числа направленных микроударов (рис.4).
Рис.4 Ультразвуковая обработка материалов.
1 – ультразвуковой инструмент;
2 – абразивные зерна;
3 – обрабатываемая деталь
Кинематика ультразвуковой обработки складывается из главного движения – резания, т.е. продольных колебаний инструмента, и вспомогательного движения – движения подачи. Продольные колебания являются источником энергии абразивных зерен, которые и производят разрушение обрабатываемого материала. Вспомогательное движение – движение подачи – может быть продольным, поперечным и круговым. Ультразвуковая обработка обеспечивает большую точность – от 50 до 1 мк в зависимости от зернистости абразива. Применяя инструменты различной формы можно выполнять не только отверстия, но и сложные вырезы. Кроме того, можно вырезать криволинейные оси, изготавливать матрицы, шлифовать, гравировать и даже сверлить алмаз. Материалы, используемые в качестве абразива – алмаз, корунд, кремень, кварцевый песок[8].
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 УЗ-вая сварка незаменима. Ее иногда называют холодной, потому что детали соединяются в холодном состоянии. Окончательного представления о механизме образования соединений при ультрозвуковой 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 УЗ 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 УЗ-вой сварке минимально изменяются свойства металла в зоне сварки. Требования к качеству подготовки поверхности значительно ниже, чем при других методах сварки. УЗ сварке хорошо поддаются и неметаллические материалы (пластмасса, полимеры)[3,8].
Ускорение производственных процессов с помощью ультразвука
Ультразвуковая дефектоскопия – один из методов неразрушающего контроля. Свойство УЗ распространяться в однородной среде направленно и без существенных затуханий, а на границе раздела двух сред (например, металл – воздух) почти полностью отражаться позволило применить УЗ-вые колебания для выявления дефектов (раковины, трещины, расслоения и т.п.) в металлических деталях без их разрушения[8].
Рис.5 Теневой метод ультразвуковой дефектоскопии.
При помощи УЗ можно проверять детали больших размеров, так как глубина проникновения УЗ в металле достигает 8¸10 м. Кроме того, ультразвуком можно обнаружить очень мелкие дефекты (до 10-6мм). УЗ-вые 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 УЗ-вых волн при наличии внутри детали дефектов, создающих УЗ-вую тень. При этом методе используется два преобразователя. Один из них излучает ультразвуковые колебания, другой принимает их (рис. 5). Теневой метод малочувствителен, дефект можно обнаружить если вызываемое им изменение сигнала составляет не менее 15¸20%. Существенный недостаток теневого метода в том, что он не позволяет определить на какой глубине находится дефект[8].
Рис. 6 Принцип действия ультразвукового дефектоскопа, основанный на импульсном методе.
Импульсный метод УЗ-вой дефектоскопии основан на явлении отражения ультразвуковых волн. Принцип действия импульсного дефектоскопа показан на( рис.6). Высокочастотный генератор вырабатывает кратковременные импульсы. Посланный излучателем импульс, отразившись, возвращается обратно к преобразователю, который в это время работает на прием. С преобразователя сигнал поступает на усилитель, а затем на отклоняющие пластины электроннолучевой трубки. Для получения на экране трубки изображения зондирующих и отраженных импульсов предусмотрен генератор развертки. Работой высокочастотного генератора управляет синхронизатор, который с определенной частотой формирует высокочастотные импульсы. Частота посылки импульсов может изменяться с таким расчетом, чтобы отраженный импульс приходил к преобразователю раньше посылки следующего импульса. Импульсный метод позволяет исследовать изделия при одностороннем доступе к ним. Метод обладает повышенной чувствительностью, отражение даже 1% УЗ-вой энергии будет замечено. Преимущество импульсного метода состоит еще и в том, что он позволяет определить на какой глубине находится дефект[8].
Ультразвук. Основы теории распространения ультразвуковых волн
Основные параметры ультразвука
Основными параметрами волны являются длина волны и период. Число циклов совершенных за одну секунду называется частотой и измеряется в Герцах (Гц). Время, требуемое чтобы совершить полный цикл, называется периодом и измеряется в секундах. Взаимосвязь между частотой и периодом волны приведено в формуле:
,
Скорость звука в идеальном упругом материале при заданной температуре и давлении является постоянной. Связь между скоростью ультразвука и длиной волны следующая:
,
В твердых веществах для продольных волн скорость звука [1]
,
Для поперечных волн она определяется по формуле
,
Дисперсия звука — зависимость фазовой скорости монохроматических звуковых волн от их частоты. Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическими свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.
Разновидности ультразвуковых волн
Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.
Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.
Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны [2].
Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны [3].
Волна Лэмба — упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.
Визуализация ультразвуковых волн
Интенсивность и мощность ультразвука
Интенсивность звука (сила звука) — средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны, в единицу времени. Для периодического звука усреднение производится либо за промежуток времени большой по сравнению с периодом, либо за целое число периодов [2]. Интенсивность ультразвука – величина, которая выражает мощность акустического поля в точке [6].
Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле
,
В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова — вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.
Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения, понимая под этим удельную мощность излучателя, т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.
Мощность звука — энергия, передаваемая звуковой волной через рассматриваемую поверхность в единицу времени. Различают мгновенное значение мощности ультразвука и среднее за период или за длительное время. Наибольший интерес представляет среднее значение мощности ультразвука, отнесённое к единице площади, т. н. средняя удельная мощность звука, или интенсивность звука [2].
| Материал | Плотность, кг/м 3 | Скорость продольной волны, м/c | Скорость поперечной волны, м/c | Акустический импеданс, 10 3 кг/(м 2 *с) |
| Акрил | 1180 | 2670 | — | 3,15 |
| Воздух | 0,1 | 330 | — | 0,00033 |
| Алюминий | 2700 | 6320 | 3130 | 17,064 |
| Латунь | 8100 | 4430 | 2120 | 35,883 |
| Медь | 8900 | 4700 | 2260 | 41,830 |
| Стекло | 3600 | 4260 | 2560 | 15,336 |
| Никель | 8800 | 5630 | 2960 | 49,544 |
| Полиамид (нейлон) | 1100 | 2620 | 1080 | 2,882 |
| Сталь (низколегированный сплав) | 7850 | 5940 | 3250 | 46,629 |
| Титан | 4540 | 6230 | 3180 | 26,284 |
| Вольфрам | 19100 | 5460 | 2620 | 104,286 |
| Вода (293К) | 1000 | 1480 | — | 1,480 |
Затухание ультразвука
Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:
Рассеяние ультразвука происходит из-за резкого изменения свойств среды – её плотности и модулей упругости — на границе неоднородностей, размеры которых сравнимы с длиной волны. В газах это могут быть, например, жидкие капли, в водной среде — пузырьки воздуха, в твёрдых телах — различные инородные включения или отдельные кристаллиты в поликристаллах и т. п. Особый интерес представляет рассеяние на хаотически распределённых в пространстве неоднородностях.
Поглощение ультразвука может быть обусловлено различными механизмами. Большую роль играет вязкость и теплопроводность среды, взаимодействие волны с различными молекулярными процессами вещества, с тепловыми колебаниями кристаллической решётки и др.
Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).
Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле [4]
,
Коэффициент затухания от времени определяется [5]
,
Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае
,
Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике [2].
,
Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:
Нп/м»/>,
Отражение ультразвука от границы раздела сред
При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:
,
Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом
,
,
Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т.е. Z1>Z2, то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ [1].
Коэффициент пропускания энергии τ из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны
,
Интерференция и дифракция ультразвуковых волн
Интерференция звука — неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции — сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.
Дифракция звука — отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука — расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны λ, степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра
,
Излучатели ультразвука
Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи. В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях, магнитострикционных преобразователях, электродинамических излучателях, электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.
В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса: они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости [2].
Характеристики излучателя ультразвука
К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения. В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса, границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f0 преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.
,
Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.
Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия, представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.
Звуковое поле излучателя
Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля [1].
Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой
,
Однако поскольку D обычно значительно больше λ, уравнение можно упростить и привести к виду
,
Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.
Применение ультразвука
Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, второе — с активным воздействием на вещество и третье — с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.
Получение информации с помощью ультразвуковых методов. Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них процессов на макро- и микроуровнях. Эти методы основаны главным образом на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих.
Воздействие ультразвука на вещество. Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.
Обработка и передача сигналов. Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электрических сигналов в различных отраслях радиоэлектроники, например в радиолокации, связи, вычислительной технике, и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. В устройствах для управления электрическими сигналами используются следующие особенности ультразвука: малая по сравнению с электромагнитными волнами скорость распространения; малое поглощение в кристаллах и соответственно высокая добротность резонаторов [2].
