Применение ультразвука в промышленности.
Механические волны с частотой колебания, большей 20 000 Гц, не воспринимаются человеком как звук. Из называют ультразвуковыми волнами или ультразвуком . Ультразвук сильно поглощается газами и во много раз слабее - твердыми веществами и жидкостями. Поэтому ультразвуковые волны могут распространяться на значительные расстояния только в твердых телах и жидкостях.
Так как энергия, которую переносят волны, пропорциональна плотности среды и квадрату частоты, то ультразвук может переносить энергию, намного большую, чем звуковые волны. Еще одно важное свойство ультразвука заключается в том, что сравнительно просто осуществляется его направленное излучение. Все это позволяет широко использовать ультразвук в технике.
Описанные свойства ультразвука используются в эхолоте - приборе для определения глубины моря (рис. 25,11). Корабль снабжают источником и приемником ультразвука определенной частоты. Источник отправляет кратковременные ультразвуковые импульсы, а приемник улавливает отраженные импульсы. Зная время между отправлением и приемом импульсов и скорость распространения ультразвука в воде, с помощью формулы l = vt/2 определяют глубину моря. Аналогично действует ультразвуковой локатор, которым пользуются для определения расстояния до препятствия на пути корабля в горизонтальном направлении . При отсутствии таких препятствий ультразвуковые импульсы не возвращаются к кораблю.
Интересно, что некоторые животные, например, летучие мыши, имеют органы, действующие по принципу ультразвукового локатора, что позволяет им хорошо ориентироваться в темноте. Совершенный ультразвуковой локатор имеют дельфины.
При прохождении ультразвука через жидкость частицы жидкости приобретают большие ускорения и сильно воздействуют на различные тела, помещенные в жидкость. Это используют для ускорения самых различных технологических процессов (например, приготовления растворов, отмывки деталей, дубления кож и т. д.).
При интенсивных ультразвуковых колебаниях в жидкости ее частицы приобретают такие большие ускорения, что в жидкости образуются на короткое время разрывы (пустоты ), которые резко захлопываются, создавая множество маленьких ударов, т. е. происходит кавитация. В таких условиях жидкость оказывает сильное дробящее действие, что используется для приготовления суспензий, состоящих из распыленных частиц твердого тела в жидкости, и эмульсий - взвесей мелких капелек одной жидкости в другой.
Ультразвук применяется для обнаружения дефектов в металлических деталях. В современной технике применение ультразвука столь обширно, что трудно даже перечислить все области его использования.
Заметим, что механические волны с частотой колебаний меньше 16 Гц называют инфразвуковыми волна ми или инфразвуком. Они также не вызывают звуковых ощущений. Инфразвуковые волны возникают на море во время ураганов и землетрясений. Скорость распространения инфразвука в воде гораздо больше, чем скорость перемещения урагана или гигантских волн цунами, образующихся при землетрясении. Это позволяет некоторым морским животным, обладающим способностью воспринимать инфразвуковые волны, получать таким путем сигналы о приближающейся опасности.
В последнее время широкое распространение в разных областях науки, техники и медицины получило использование ультразвука.
Что же это такое? Где применяются ультразвуковые колебания? Какую пользу они способны принести человеку?
Ультразвуком называют волнообразные колебательные движения с частотой более 15-20 килогерц, возникающие под воздействием окружающей среды и неслышимые для человеческого уха. Ультразвуковые волны легко фокусируются, что увеличивает интенсивность колебаний.
Источники ультразвука
В природе ультразвук сопровождает различные естественные шумы: дождь, грозу, ветер, водопад, морской прибой. Его способны издавать некоторые животные (дельфины, летучие мыши), что помогает им обнаруживать препятствия и ориентироваться в пространстве.
Все существующие искусственные источники ультразвука подразделяют на 2 группы:
- генераторы - колебания возникают в результате преодоления препятствий в виде газа или жидкостной струи.
- электроакустические преобразователи- трансформируют электрическое напряжение в механические колебания, что приводит к излучению акустических волн в окружающую среду.
Приемники ультразвука
Низкие и средние частоты ультразвуковых колебаний в основном воспринимаются электроакустическими преобразователями пьезоэлектрического типа. В зависимости от условий использования различают резонансные и широкополосные устройства.
Чтобы получить характеристики звукового поля, которые усреднены по времени, применяют термические приемники, представленные термопарами или термисторами, которые покрывают веществом, обладающим звукопоглощающими свойствами.
Оптические методы, в число которых входит дифракция света, способны оценить интенсивность ультразвука и звуковое давление.
Где применяются ультразвуковые волны?
Ультразвуковые волны нашли применение в разнообразных областях.
Условно сферы использования ультразвука можно разделить на 3 группы:
- получение информации;
- активное воздействие;
- обработка и передача сигналов.
В каждом случае используется определенный диапазон частот.
Очистка ультразвуком
Ультразвуковое воздействие обеспечивает качественную очистку деталей. При простом полоскании деталей на них остается до 80% грязи, при вибрационной чистке - близко 55%, при ручной - около 20%, а при ультразвуковой - менее 0,5%.
Детали, обладающие сложной формой, можно избавить от загрязнений только при помощи ультразвука.
Используются ультразвуковые волны и при очистке воздуха и газов. Ультразвуковой излучатель, помещенный в пылеосадочную камеру, увеличивает результативность ее действия в сотни раз.
Механическая обработка хрупких и сверхтвердых материалов
Благодаря ультразвуку стала возможной сверхточная обработка материалов. С его помощью делают вырезы различной формы, матрицы, шлифуют, гравируют и даже сверлят алмазы.
Применение ультразвука в радиоэлектронике
В радиоэлектронике нередко возникает необходимость задержать электрический сигнал по отношению к какому-то другому сигналу. Для этого стали пользоваться ультразвуковыми линиями задержки, действие которых основано на преобразовании электрических импульсов в ультразвуковые волны. Также они способны преобразовывать механические колебания в электрические. В соответствии с этим линии задержки могут быть магнитострикционными и пьезоэлектрическими.
Использование ультразвука в медицине
Применение ультразвуковых колебаний в медицинской практике основано на возникающих в биологических тканях эффектах во время прохождения сквозь них ультразвука. Колебательные движения оказывают на ткани массажирующее действие, а при поглощении ультразвука они локально нагреваются. В то же время в организме наблюдаются различные физико-химические процессы, не вызывающие необратимых изменений. В результате ускоряются обменные процессы, что благоприятно сказывается на функционировании всего организма.
Применение ультразвука в хирургии
Интенсивное действие ультразвука вызывает сильное нагревание и кавитацию, что нашло применение в хирургии. Использование фокусного ультразвука при проведении операций дает возможность осуществлять локальное разрушающее действие в глубинных участках организма, в том числе в области головного мозга, не нанося вреда близлежащим тканям.
Хирурги в своей работе используют инструменты с рабочим концом в виде иглы, скальпеля или пилы. При этом хирургу не требуется прикладывать усилий, что уменьшает травматичность процедуры. В то же время ультразвук оказывает анальгезирующее и кровоостанавливающее действие.
Воздействие ультразвуком назначается при обнаружении в организме злокачественного новообразования, что способствует его разрушению.
Ультразвуковые волны обладает и антибактериальным действием. Поэтому они применяются для стерилизации инструментов и лекарственных средств.
Исследование внутренних органов
С помощью ультразвука осуществляют диагностическое обследование органов, расположенных в брюшной полости. Для этого применяют специальный аппарат.
Во время ультразвукового исследования удается обнаружить различные патологии и аномальные структуры, отличить доброкачественное новообразование от злокачественного, обнаружить инфекцию.
Ультразвуковые колебания используют при диагностике печени. Они позволяют определить болезни желчных потоков, исследовать желчный пузырь на присутствие в нем камней и патологических изменений, выявить цирроз и доброкачественные болезни печени.
Широкое применение нашло ультразвуковое исследование в области гинекологии, особенно при диагностике матки и яичников. Оно помогает обнаружить гинекологические заболевания и дифференцировать злокачественные и доброкачественные опухоли.
Используются ультразвуковые волны и при исследовании других внутренних органов.
Применение ультразвука в стоматологии
В стоматологии с помощью ультразвука удаляют зубной налет и камень. Благодаря ему наслоения снимаются быстро и безболезненно, без травмирования слизистой оболочки. В то же время происходит обеззараживание ротовой полости.
Ультразвук представляет волны продольного вида, которые имеют частоту колебаний более 20 КГц. Это больше частоты колебаний, воспринимаемых человеческим слуховым аппаратом. Человек же может воспринимать частоты, находящиеся в пределах 16-20 КГц, они называются звуковыми. Ультразвуковые волны выглядят как череда сгущений и разряжений вещества или среды. Благодаря их свойствам они находят широкое применение во многих областях.
Что это
В ультразвуковой диапазон попадают частоты, начиная от 20 тысяч и до нескольких миллиардов герц. Это колебания высокой частоты, которые находятся за областью слышимости ухом человека. Однако ультразвуковые волны вполне воспринимают некоторые виды животных. Это дельфины, киты, крысы и другие млекопитающие.
По физическим свойствам ультразвуковые волны являются упругими, поэтому они не имеют отличий от звуковых. В результате разница между звуковыми и ультразвуковыми колебаниями весьма условна, ведь она зависит от субъективного восприятия слуха человека и равняется верхнему уровню слышимого звука.
Но наличие более высоких частот, а значит и небольшой длины волны, придает ультразвуковым колебаниям определенные особенности:
- Ультразвуковые частоты имеют разную скорость перемещения через различные вещества, благодаря чему можно с высокой точностью определять свойство протекающих процессов, удельную тепловую емкость газов, а также характеристики твердого тела.
- Волны значительной интенсивности обладают определенными эффектами, которые подчиняются нелинейной акустике.
- При движении ультразвуковых волн со значительной мощностью в жидкостной среде возникает явление акустической кавитации. Данное явление очень важно, ведь в результате создается поле пузырьков, которые образуются из субмикроскопических частиц газа или пара в водной или иной среде. Они пульсируют с некоторой частотой и захлопываются с огромным локальным давлением. Это создает сферические ударные волны, что ведет к появлению акустических микроскопических потоков. Благодаря использованию этого явления ученые научились очищать загрязненные детали, а также создавать торпеды, которые движутся в воде быстрее скорости звука.
- Ультразвук может быть сфокусирован и сконцентрирован, что позволяет создавать звуковые рисунки. Это свойство с успехом применяется в голографии и звуковом видении.
- Ультразвуковая волна вполне может выступать в качестве дифракционной решетки.
Свойства
Ультразвуковые волны по своим свойствам схожи со звуковыми волнами, однако у них есть и специфические особенности:
- Малая длина волны. Даже для низкой границы длина равняется менее нескольких сантиметров. Такой небольшой размер длины приводит к лучевому характеру перемещения ультразвуковых колебаний. Непосредственно рядом с излучателем волна идет в виде пучка, которая приближается к параметрам излучателя. Однако, оказываясь в условиях неоднородной среды, пучок перемещается как луч света. Он также может отражаться, рассеиваться, преломляться.
- Малый период колебаний, благодаря чему появляется возможность использования ультразвуковых колебаний в виде импульсов.
- Ультразвук нельзя услышать и он не создает раздражающего эффекта.
- При воздействии ультразвуковых колебаний на определенные среды можно добиться получения специфических эффектов. К примеру, можно создать локальный нагрев, дегазацию, обеззаразить среду, кавитацию и многие иные эффекты.
Принцип действия
Для создания ультразвуковых колебаний используются различные устройства:
- Механические , где в качества источника выступает энергия жидкости или газа.
- Электромеханические , где ультразвуковая энергия создается из электрической.
В качестве механических излучателей могут выступать свистки и сирены, работающие с помощью воздуха или жидкости. Они удобны и просты, однако у них есть свои минусы. Так коэффициент полезного действия у них находится в пределах 10-20 процентов. Они создают обширный спектр частот с нестабильной амплитудой и частотой. Это ведет к тому, что такие устройства невозможно использовать в условиях, когда требуется точность. Чаще всего их применяют в качестве средств сигнализации.
Электромеханические устройства используют принцип пьезоэлектрического эффекта. Его особенность в том, что при образовании электрозарядов на гранях кристалла происходит его сжимание и растягивание. В результате создаются колебания с частотой, зависящей от периода смены потенциала на поверхностях кристалла.
Кроме преобразователей, которые базируются на пьезоэлектрическом эффекте, могут применяться и магнитострикционные преобразователи. Они используются для создания мощного ультразвукового пучка. Сердечник, который выполнен из магнитострикционного материала, размещенный в проводящей обмотке, изменяет собственную длину согласно форме электрического сигнала, поступающего на обмотку.
Применение
Ультразвук находит широкое применение в самых разнообразных областях.
Чаще всего его используют в следующих направлениях:
- Получение данных о конкретном веществе.
- Обработка и передача сигналов.
- Воздействие на вещество.
Так при помощи ультразвуковых волн изучают:
- Молекулярные процессы в различных структурах.
- Определение концентрации веществ в растворах.
- Определение, состава, прочностных характеристик материалов и так далее.
В ультразвуковой обработке часто используется метод кавитации:
- Металлизация.
- Ультразвуковая очистка.
- Дегазация жидкостей.
- Диспергирование.
- Получение аэрозолей.
- Ультразвуковая стерилизация.
- Уничтожения микроорганизмов.
- Интенсификация электрохимических процессов.
Воздействием ультразвуковых волн в промышленности производят следующие технологические операции:
- Коагуляция.
- Горение в ультразвуковой среде.
- Сушка.
- Сварка.
В медицине ультразвуковые волны используются в терапии и диагностике. В диагностике задействуют локационные методы с применением импульсного излучения. К ним относятся ультразвуковая кардиография, эхоэнцефалография и ряд иных методов. В терапии ультразвуковые волны применяются в качестве методов, основанных на тепловом и механическом воздействии на ткани. К примеру, довольно часто во время операций используют ультразвуковой скальпель.
Также ультразвуковыми колебаниями проводится:
- Микромассаж структур ткани при помощи вибрации.
- Стимуляция регенерации клеток, а также межклеточного обмена.
- Увеличение проницаемости оболочек тканей.
Ультразвукможет действовать на ткани угнетением, стимулированием или разрушением. Все это зависит от применяемой дозы ультразвуковых колебаний и их мощности. Однако не на все области тела человека разрешается использовать такие волны. Так с определенной осторожностью воздействуют на сердечную мышцу и ряд эндокринных органов. На мозг, шейные позвонки, мошонку и ряд иных органов воздействие вовсе не используется.
Ультразвуковые колебания применяются в случаях, когда невозможно использовать рентген в:
- Травматологии используется метод эхографии, который с легкостью обнаруживает внутреннее кровотечение.
- Акушерстве волны применяются для оценки развития плода, а также его параметров.
- Кардиологии они позволяют обследовать сердечнососудистую систему.
Ультразвук в будущем
На текущий момент ультразвукшироко применяется в различных областях, но в будущем он найдет еще большее применение. Уже сегодня планируется создание фантастических для сегодняшнего дня устройств.
- В медицинских целях разрабатывается технология ультразвуковой акустической голограммы. Данная технология предполагает расположение микрочастиц в пространстве для создания необходимого изображения.
- Ученые работают над созданием технологии бесконтактных устройств, которые должны будут заменить сенсорные приборы. К примеру, уже сегодня созданы игровые устройства, которые распознают перемещения человека без непосредственного контакта. Прорабатываются технологии, которые предполагают создание невидимых кнопок, которые вполне можно ощутить руками и управлять ими. Развитие подобных технологий позволит создать бесконтактные смартфоны или планшеты. К тому же данная технология расширит возможности виртуальной реальности.
- При помощи ультразвуковых волн уже сегодня можно заставить левитировать небольшие объекты. В будущем могут появиться машины, которые будут за счет волн парить над землей и в отсутствии трения перемещаться с огромной скоростью.
- Ученые предполагают, что в будущем ультразвук позволит научить слепых людей видеть. Такая уверенность базируется на том, что летучие мыши распознают объекты с помощью отраженных ультразвуковых волн. Уже создан шлем, который преобразует отражаемые волны в слышимый звук.
- Уже сегодня люди предполагают добывать полезные ископаемые в космосе, ведь там есть все. Так астрономы нашли алмазную планету, на которой полно драгоценных камней. Но как добывать такие твердые материалы в космосе. Именно ультразвук должен будет помочь в бурении плотных материалов. Такие процессы вполне возможны даже в отсутствии атмосферы. Такие технологии бурения позволят собирать образцы, проводить исследования и добывать полезные ископаемые там, где это сегодня считается невозможным.
Частоты 16 Гц- 20 кГц, которые способен воспринимать слуховой аппарат человека принято называть звуковыми или акустическими, например писк комара «10 кГц. Но воздух, глубины морей и земные недра наполнены звуками, лежащими вне этого диапазона — инфра и ультразвуками. В природе ультразвук встречается в качестве компонента многих естественных шумов, в шуме ветра, водопада, дождя, морской гальки, перекатываемой прибоем, в грозовых разрядах. Многие млекопитающие, например кошки и собаки, обладают способностью восприятия ультразвука, частотой до 100 кГц, а локационные способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем хорошо известны. Существование таких звуков было обнаружено с развитием акустики только в конце XIX века. Тогда же начались первые исследования УЗ, но основы его применения были заложены только в первой трети XX-века.
Что такое ультразвук
Ультразвуковые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике.
Вот основные из них:
- Малая длина волны. Для самого низкого УЗ диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя УЗ распространяется в виде пучков, по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, УЗ пучок ведёт себя, как световой луч испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет в оптически непрозрачных средах формировать звуковые изображения, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.)
- Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.
- Возможность получения высоких значений интенсивности колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.
- В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения, поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические физические, химические, биологические и медицинские эффекты, такие как кавитация, капиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.
История ультразвука
Внимание к акустике было вызвано потребностями морского флота ведущих держав — Англии и Франции, т.к. акустический — единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. Эксперимент Колладона считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась Колладоном на расстоянии 10 миль. Он также слышал звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, Колладон вычислил скорость звука — 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.
В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна. Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт. Результаты опыта были неутешительными — звук колокола, также как и подрыв в воде пороховых патронов, давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.
Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Гальтон. Ультразвук создавался подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух (или другой газ), выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на неё и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.
В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо «пьезоэлектричество» от греческого слова, означающего «нажать». Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.
Гибель «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы с новым оружием — подводными лодками требовали быстрого развития ультразвуковой гидроакустики. В 1914 году, французский физик Поль Ланжевен совместно с русским учёным, жившим в Швейцарии — Константином Шиловским впервые разработали гидролокатор, состоящий из излучателя ультразвука и гидрофона — приёмника УЗ колебаний, основанный на пьезоэффекте. Гидролокатор Ланжевена — Шиловского, был первым ультразвуковым устройством, применявшимся на практике. Также в начале века российский ученый С.Я.Соколов разработал основы ультразвуковой дефектоскопии в промышленности. В 1937 году немецкий врач-Упсихиатр Карл Дуссик, вместе с братом Фридрихом, физиком, впервые применили ультразвук для обнаружения опухолей головного мозга, но результаты полученные ими оказались недостоверными. В медицинской диагностике ультразвук начал применяться только с 50-х годов XX-го века в США.
Применение ультразвука
Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:
- получение информации посредством ультразвука
- воздействие на вещество, существо
- обработка и передача сигналов
Зависимость скорости распространения и затухания акустических волн от свойств вещества и процессов в них происходящих, используется для:
- контроля протекания химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и др.
- определения прочностных характеристик и состава материалов,
- определения наличия примесей,
- определения скорости течения жидкости и газа
С помощью ультразвука можно стирать, отпугивать грызунов, использовать в медицине, проверять различные материалы на наличие дефектов и еще много чего интересного.
Применение ультразвука в промышленности
Ультразвуковыми называют упругие механические колебания с частотой выше 20 кГц, которые не воспринимаются человеческим ухом. Наиболее короткие ультразвуковые волны имеют длину порядка длин волн видимого света. Ультразвуковые волны, так же как и световые, отражаются от препятствий, их можно фокусировать и т. п.
При распространении ультразвуковых колебаний в жидкой среде в последней возникают чередующиеся сжатия и растяжения с частотой проходящих колебаний; в момент растяжения происходят местные разрывы жидкости и образуются полости (пузырьки), заполняющиеся парами жидкости и растворенными в ней газами. В момент сжатия пузырьки захлопываются, что сопровождается сильными гидравлическими ударами. Это явление называется кавитацией. Местные ударные давления при этом часто превышают 980 МПа.
Используемые в промышленности источники ультразвука могут быть разделены на две группы: механические и электромеханические.
Из механических источников ультразвука наибольшее применение получили динамические (сирены) и статические (свистковые). Сирены имеют статор с отверстиями и ротор из перфорированного диска. При подаче в корпус сирены пара, газа или сжатого воздуха ротор вращается, периодически закрывая и открывая отверстия статора, создавая механические колебания. Сирены широко применяют, например, для осаждения тумана серной кислоты и мелкодисперсной сажи в процессе их производства.
Из статических источников ультразвука (генераторов) наиболее известен свисток Гартмана, в котором звуковые колебания возникают при ударе струи газа, движущейся со сверхзвуковой скоростью из сопла в цилиндрический резонатор.
Из электромеханических источников наибольшее применение получили магнитострикционные и пьезокерамические преобразователи.
Основной частью магнитострикционного преобразователя служит так называемый двигатель из ферромагнитного материала, обладающий способностью изменять свои размеры в магнитном поле. Например, стержень из никеля, помещенный в магнитное поле, укорачивается, а стержень из железокобальтового сплава (пермендюра) - удлиняется.
Пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при растяжении и сжатии в определенных направлениях некоторых кристаллов, например кварца, на их поверхности возникают электрические заряды (прямой пьезоэффект).
Если к такой кварцевой пластинке подвести электрический заряд, то она изменит свои размеры (обратный пьезоэффект). При действии на пластинку переменного электрического поля она будет сжиматься или разжиматься синхронно с изменением приложенного напряжения. Прямой пьезоэлектрический эффект используется в приемниках ультразвуковых колебаний, где последние преобразуются в переменный ток.
Обратный пьезоэффект используется при изготовлении излучателей ультразвуковых колебаний, которые преобразуют электрические колебания в механические, главным образом, более высоких частот по сравнению с магнитострикционными.
В последние годы широкое распространение получили вибраторы из пьезокерамики, обладающие более высоким пьезоэффектом, чем природный кварц.
Одним из основных технологических применений ультразвука является интенсификация многих технологических процессов.
Ультразвуковые колебания применяются при ускорении таких процессов, как полимеризация (например, ультразвуковая обработка эмульсии при изготовлении искусственного каучука).
Значительно ускоряет ультразвук кристаллизацию различных веществ из пересыщенных растворов (винной кислоты, фтористого алюминия и др.).
С помощью ультразвука можно ускорить и растворение твердых веществ в жидкости. Например, продолжительность растворения вискозы в процессе изготовления химических волокон при применении ультразвука сокращается с 7 до 3 ч.
Ультразвук позволяет ускорить экстракционные процессы, например получать рыбий жир из рыбьей печени без значительного повышения температуры, что позволяет сохранить в нем все ценные витамины.
В химических процессах ультразвук применяют для очистки деталей (подшипников, электрических контактов и др.) и сборочных единиц от загрязнений.
Качество ультразвуковой очистки несравнимо с другими способами. Например, при очистке деталей в различных органических растворителях на их поверхности остается до 80% загрязнений, при вибрационной очистке - около 55 %, а при ультразвуковой - не более 0,5 %.
Ультразвуковые методы в большинстве случаев обеспечивают полную очистку деталей от технических загрязнений.
Ультразвуковая очистка производится в органических растворителях или водных растворах моющих веществ.
В последние годы преимущественное распространение получают водные растворы моющих веществ благодаря их негорючести и отсутствию токсичных компонентов, низкой стоимости, способности удерживать загрязнения во взвешенном состоянии без повторного осаждения их на очищаемую поверхность. В качестве водных моющих растворов применяются растворы щелочей и щелочных солей с добавками поверхностно-активных веществ. При очистке в таких растворах происходит одновременно эмульгирование и омыление загрязнений.
Продолжительность ультразвуковой очистки зависит от характера загрязнений и моющих растворов и не превышает 10-15 мин.
Пайка некоторых металлов и сплавов, например алюминия, нержавеющих сталей и др., обычными способами затруднена из-за наличия на их поверхностях прочной, трудноудаляемой оксидной пленки. Введение ультразвуковых колебаний в расплавленный припой приводит к разрушению пленки и облегчает смачивание припоем поверхности, подлежащей пайке или лужению, облегчает и ускоряет процесс пайки, повышает качество паяных соединений. Внедрение ультразвука при пайке алюминия уменьшает трудоемкость процесса на 20 - 30%. С помощью ультразвука можно облуживать изделия из керамики.
Сущность ультразвуковой размерной обработки заключается в том, что между инструментом, соединенным с излучателем, и заготовкой вводится абразивный материал, который воздействует на обрабатываемую поверхность. В качестве абразивных зерен применяют алмаз, корунд, наждак, кварцевый песок, карбид бора, карбид кремния и др.
Ультразвуком можно обрабатывать как хрупкие материалы (стекло, керамику, кварц, кремний, германий и др.), так и жаропрочные твердые (закаленные и азотированные стали, твердые сплавы), применяемые, в частности, для изготовления металлорежущего инструмента.
Ультразвуковая обработка может производиться свободно направленным абразивом, например при декоративном шлифовании и для снятия заусенцев у мелких деталей.
Размерная обработка инструментом обеспечивает высокую точность, позволяет получать сквозные и глухие отверстия, вырезы, осуществлять шлифование, клеймение, гравирование и другие операции.
Наряду с преимуществами ультразвуковой метод имеет и недостатки: сравнительно небольшая площадь и глубина обработки, большая энергоемкость, невысокая производительность процесса и большой износ инструмента.
Электроэрозионная обработка
Электроэрозионные методы обработки применимы для всех токопроводящих материалов. Эти методы основаны на явлении эрозии (разрушения) поверхности токопроводящих электродов от разрядов при пропускании между ними импульсного электрического тока.
Разрушение материала происходит из-за его локального оплавления и выброса расплавленного материала в виде парожидкостной смеси.
Все виды электроэрозионной обработки осуществляются в жидкостной среде - керосине, нефтяном масле, дистиллированной воде.
При прохождении искрового разряда в жидкости начинается бурное газообразование, в результате чего жидкость как бы взрывается, что способствует удалению продуктов эрозии из рабочей зоны. Кроме того, рабочая жидкость препятствует окислению поверхности обрабатываемого материала.
Основными разновидностями электроэрозионных методов являются электроискровая и анодно-механическая обработка.
Электроискровая обработка широко применяется в инструментальном производстве при изготовлении штампов, литейных форм и прессформ, а также в основном производстве при размерной обработке заготовок деталей сложных профилей из труднообрабатываемых электропроводящих материалов. С ее помощью можно получать сквозные и глухие отверстия различной конфигурации, криволинейные щели и пазы, вырезать сложный контур, клеймить детали, удалять из заготовок сломанный инструмент и т. п.
Принципиальная схема установки приведена на рис. 18.57, а. Источник питания - генератор 3 однополярных импульсов заряжает конденсатор 5 до напряжения пробоя в промежутке между электродом-инструментом 2 и обрабатываемой заготовкой 1. При пробое энергия, накопленная конденсатором 5, мгновенно выделяется в виде разряда.
Из-за малой длительности разряда заготовка и рабочий электрод практически не нагреваются, хотя основная часть накопленной энергии превращается в теплоту, идущую на плавление и испарение обрабатываемого материала.
Под действием многочисленных разрядов в обрабатываемом материале образуется выемка, представляющая собой отпечаток торца электрода-инструмента. Станки для электроискровой обработки снабжены программно-управляющими устройствами, которые обеспечивают постоянный зазор между заготовкой и инструментом, продольное перемещение инструмента и регулирование подачи. Производительность процесса зависит от частоты следования импульсов, энергии разряда, свойств обрабатываемого материала, материала и формы электрода-инструмента. При оптимальных режимах обработки, устанавливаемых с помощью переменного сопротивления 4, конфигурация детали обеспечивается с погрешностью ± 0,005 мм.
Обработку профильным электродом применяют для получения сквозных и глухих отверстий с различной формой поперечного сечения.
В настоящее время наибольшее применение получил метод электроискровой обработки непрофилированным электродом-проволокой. При этом (рис. 18.57,6) электрод-проволока 2 диаметром 0,02 - 0,5 мм (в зависимости от требуемой точности обработки) перематывается с определенной скоростью с подающей катушки 4 на приемную катушку 1 , воспроизводя любой заданный контур. При вырезании замкнутого контура в заготовке 3 предусматривается технологическое отверстие.
Анодно-механическая обработка (рис. 18.57, в) осуществляется при включении обрабатываемой заготовки 1 в цепь постоянного тока в качестве анода, а рабочего инструмента - диска 2 в качестве катода. В зазор подается рабочая жидкость (раствор жидкого стекла при черновой обработке или раствор хлористого или сернокислого натрия при доводке). При анодно-меха-нической обработке металл заготовки подвергается анодному (электрохимическому) растворению, а также локальному плавлению от воздействия разрядов, как при электроискровой обработке, и механическому воздействию инструмента, который снимает оксидную пленку и расплавленный металл.
Производительность процесса в 2 - 3 раза выше, чем при обычной механической обработке. Этот метод применяют для шлифования, хонингования цилиндрических отверстий, полирования, резки. Анодно-механическую обработку можно совмещать с абразивной обработкой, используя при этом в качестве инструмента электропроводящий абразивный диск или добавляя абразив в рабочую жидкость.
Процесс электроискрового упрочнения применяют для упрочнения поверхностей различных металлов и сплавов, чаще всего штамповой оснастки. В отличие от размерной электроискровой обработки здесь анодом является электрод-инструмент, материал с поверхности которого переносится на обрабатываемую заготовку - катод.
Сущность метода заключается в том, что при сближении инструмента с деталью между ними возникает искровой электрический разряд, который оплавляет материал анода. На первой стадии капля расплавленного металла разогревается до высокой температуры, закипает и металл анода в виде мелких частиц устремляется к катоду. Достигнув катода, расплавленные частицы свариваются с ним. На следующей стадии через раскаленный участок катода проходит второй импульс тока, Этот импульс сопровождается механическим ударом анода о катод, при котором происходит сварка металла анода с поверхностью катода, сопровождаемая химическими реакциями, диффузионными процессами и явлениями, характерными при ковке.
В качестве материала анода для упрочнения режущего инструмента (резцов, фрез, сверл, ножей и др.) используют твердые сплавы различных марок, феррохром и графит. Расход этих материалов невелик.