Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Военно-учебный центр ОТЧЕТ ПО ПРАКТИКЕ Тема: «Ультразвук. Применение ультразвукового зондирования» Преподаватель ____________ к.т.н., доцент Шайдуров Р.Г. подпись, дата Студенты группы ВЦ20-01АСУ ____________ подпись, дата Красноярск 2021 Гордеев В.В. Харыбин А.Д. Новиков М.Д. Гумеров Д.А. СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................. 3 1. Специфические особенности ультразвука ....................................................... 6 2. Источники и приемники ультразвука .............................................................. 8 3. Применение ультразвука ................................................................................... 13 3.1. Ультразвуковая очистка .................................................................................... 14 3.2. Механическая обработка сверхтвердых и хрупких материалов ................... 15 3.3. Ультразвуковая сварка....................................................................................... 16 3.4. Ультразвуковая пайка и лужение ..................................................................... 16 3.5. Ускорение производственных процессов с помощью ультразвука .............. 17 3.6. Ультразвуковая дефектоскопия ........................................................................ 18 3.7. Ультразвук в радиоэлектронике ....................................................................... 20 3.8 Ультразвук в медицине ....................................................................................... 22 4. Применение ультразвукового зондирования ................................................ 23 4.1. Ультразвуковое зондирование свай ................................................................. 23 4.2. Ультразвуковое зондирование в медицине ..................................................... 25 4.3. Ультразвуковое зондирование земли ............................................................... 26 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ........................................... 30 ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................................................................... 31 2 ВВЕДЕНИЕ Наука об ультразвуке сравнительно молодая. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены великим русским ученым-физиком П.Н. Лебедевым в конце XIX, а затем ультразвуком занимались многие видные ученые. Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности по сравнению со звуками слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне сравнительно легко получить направленное излучение; он хорошо поддается фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает интересные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и техники. В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое направление химии — ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-технологические процессы. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазомерия, акустоэлектроника. Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ. Разработаны универсальные и специальные ультразвуковые станки, установки, работающие под повышенным статическим давлением, ультразвуковые механизированные установки для очистки 3 деталей, генераторы с повышенной частотой и новой системой охлаждения, преобразователи с равномерно распределенным полем. Созданы и внедрены в производство автоматические ультразвуковые установки, которые включаются в поточные линии, позволяющие значительно повысить производительность труда. Ультразвук (УЗ) — упругие колебания и волны, частота которых превышает 15–20 кГц. Нижняя граница области УЗ-ых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной, так как верхняя граница слухового восприятия у каждого человека своя. Верхняя граница УЗ-ых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. В газах при нормальном давлении верхняя граница частот УЗ составляет » 10 9 Гц, в жидкостях и твердых телах граничная частота достигает 1012 –1013 Гц. В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает различными специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область УЗ-вых частот подразделяют на три области: — низкие УЗ-вые частоты (1,5×104 –105 Гц); — средние (105 –107 Гц); — высокие (107 –109 Гц). Упругие волны с частотами 109 – 1013 Гц принято называть гиперзвуком. Ультразвук как упругие волны. УЗ-ые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона. В газах и жидкостях распространяются только продольные волны, а в твердых телах — продольные и сдвиговые. Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общими для акустических волн любого диапазона частот. К основным законам распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на 4 границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды. Существенную роль при этом играет соотношение между длиной волны звука l и геометрическим размером D — размером источника звука или препятствия на пути волны, размером неоднородностей среды. При D>>l распространение звука вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрической акустики (можно пользоваться законами отражения и преломления). распространения Степень и отклонения необходимость от геометрической картины учета дифракционных явлений определяются параметром: где r — расстояние от точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию. Скорость распространения УЗ-вых 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 УЗ-вой 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. При значительной интенсивности нелинейные эффекты: 5 звуковых волн появляются — нарушается принцип суперпозиции и возникает взаимодействие волн, приводящее к появлению тонов; — изменяется форма волны, ее спектр обогащается высшими гармониками и соответственно растет поглощение; — при достижении некоторого порогового значения интенсивности УЗ в жидкости возникает кавитация (см. ниже). Критерием применимости законов линейной акустики и возможности пренебрежения нелинейными эффектами является: М << 1, где М = v/c, v — колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны. Параметр М называется «число Маха». [1]. 1. Специфические особенности ультразвука Хотя физическая природа УЗ и определяющие его распространение основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей. Эти особенности обусловлены относительно высокими частотами УЗ. Малость длины волны определяет лучевой характер распространения УЗ-ых волн. Вблизи излучателя волны распространяются в виде пучков, поперечный размер которых сохраняется близким к размеру излучателя. Попадая на крупные препятствия такой пучок (УЗ луч) испытывает отражение и преломление. При попадании луча на малые препятствия возникает рассеянная волна, что позволяет обнаруживать в среде малые неоднородности (порядка десятых и сотых долей мм.). Отражение и рассеяние УЗ на неоднородностях среды позволяют формировать в оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов, используя звуковые фокусирующие системы, подобно тому, как это делается с помощью световых лучей. Фокусировка УЗ позволяет не только получать звуковые изображения (системы звуковидения и акустической голографии), но и концентрировать звуковую энергию. С помощью УЗ-ых фокусирующих 6 систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими. Периодическое изменение показателя преломления световых волн, связанное с изменением плотности в УЗ-волне, вызывает дифракцию света на ультразвуке, наблюдаемую на частотах УЗ мегагерцевого-гигагерцевого диапазона. УЗ волну при этом можно рассматривать как дифракционную решетку. Важнейшим нелинейным эффектом в УЗ-ом поле является кавитация — возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их схлопывание, слияние друг с другом и т.д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), возникает перемешивание жидкости, инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы. Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты, например, с ростом частоты УЗ увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с увеличением давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий. Увеличение частоты приводит к повышению порогового значения интенсивности, соответствующей началу кавитации, которое зависит от рода жидкости, ее газосодержания, температуры и т.д.. Для воды при атмосферном давлении оно обычно составляет 0,3¸1,0 Вт/см2 . Кавитация — сложный комплекс явлений. УЗ-вые волны, распространяющиеся в жидкости, образуют чередующиеся области высоких и низких давлений, создающих зоны высоких сжатий и зоны разрежений. В разреженной зоне гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил межмолекулярного сцепления. В 7 результате резкого изменения гидростатического равновесия жидкость «разрывается», образуя многочисленные мельчайшие пузырьки газов и паров. В следующий момент, когда в жидкости наступает период высокого давления, образовавшиеся ранее пузырьки схлопываются. Процесс схлопывания пузырьков сопровождается образованием ударных волн с очень большим местным мгновенным давлением, достигающим нескольких сотен атмосфер. [2]. 2. Источники и приемники ультразвука. В природе УЗ встречается как в качестве компоненты многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т.д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются УЗ-ми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве. Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока — струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей — электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Механические излучатели. В излучателях первого типа (механических) преобразование кинетической энергии струи (жидкости или газа) в акустическую возникает в результате периодического прерывания струи (сирена), при натекании ее на препятствия различного вида (газоструйные генераторы, свистки). УЗ сирена – два диска с большим количеством отверстий, помещенные в камеру. (рис. 1). 8 Рис. 1. Ультразвуковая механическая система. Поступающий под большим давлением в камеру воздух выходит через отверстия обоих дисков. При вращении диска-ротора его отверстия будут совпадать с отверстиями неподвижного диска-статора только в определенные моменты времени. В результате возникнут пульсации воздуха. Чем больше скорость вращения ротора, тем больше частота пульсации воздуха, которая определяется по формуле: , где N — число отверстий, равнораспределенных по окружности ротора и статора; w — угловая скорость ротора. Давление в камере сирен обычно составляет от 0,1 до 5,0 кгс/см2 . Верхний предел частоты УЗ, излучаемого сиренами не превышает 40¸50 кГц, однако известны конструкции с верхним пределом 500 кГц. КПД генераторов не превышает 60%. Так как источником излучаемого сиреной звука являются импульсы газа, вытекающего из отверстий, частотный спектр сирен определяется формой этих импульсов. Для получения синусоидальных колебаний используют сирены с круглыми отверстиями, расстояния между которыми равны их диаметру. При отверстиях прямоугольной формы, отстоящих друг от друга на ширину отверстия, форма импульса треугольная. В случае применения нескольких роторов (вращающихся с разной скоростью) с отверстиями расположенными неравномерно и разной формы, можно получить шумовой сигнал. Акустическая мощность сирен может 9 достигать десятков кВт. Если в поле излучения мощной сирены поместить вату, то она воспламенится, а стальные стружки нагреваются докрасна. Принцип действия УЗ генератора-свистка почти такой же, как и обычного милицейского свистка, но размеры его значительно больше. Поток воздуха с большой скоростью разбивается об острый край внутренней полости генератора, вызывая колебания с частотой, равной собственной частоте резонатора. При помощи такого генератора можно создавать колебания с частотой до 100 Кгц при относительно небольшой мощности. Для получения больших мощностей применяют газоструйные генераторы, у которых скорость истечения газа выше. Жидкостные генераторы (рис. 2) применяют для излучения УЗ в жидкость. В жидкостных генераторах в качестве резонансной системы служит двустороннее острие, в котором возбуждаются изгибные колебания. Рис. 2. Принцип действия жидкостного генератора. Струя жидкости, выходя из сопла с большой скоростью, разбивается об острый край пластинки, по обе стороны которой возникают завихрения, вызывающие изменения давления с большой частотой. Для работы жидкостного (гидродинамического) генератора необходимо избыточное давление жидкости 5 кГ/см2 . частота колебаний такого генератора определяется соотношением: , где v — скорость жидкости, вытекающей из сопла; d — расстояние между острием и соплом. 10 Гидродинамические излучатели в жидкости дают относительно дешевую УЗ-вую энергию на частотах до 30¸40 кГц при интенсивности в непосредственной близости от излучателя до нескольких Вт/см2 . Механические излучатели используются в низкочастотном диапазоне УЗ и в диапазоне звуковых волн. Они относительно просты по конструкции и в эксплуатации, их изготовление не дорого, но они не могут создавать монохроматическое излучение и тем более излучать сигналы строго заданной формы. Такие излучатели отличаются нестабильностью частоты и амплитуды, однако при излучении в газовых средах они имеют относительно высокую эффективность и мощность излучения: их кпд составляет от нескольких % до 50%, мощность от нескольких ватт до десятков кВт. Электроакустические преобразователи. Излучатели второго типа основываются на различных физических эффектах электромеханического преобразования. Как правило, они линейны, то есть воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал. В низкочастотном УЗ-ом излучатели излучающие и диапазоне применяются электродинамические магнитострикционные преобразователи и пьезоэлектрические преобразователи. Наиболее широкое распространение получили излучатели магнитострикционного и пьезоэлектрического типов. В 1847 г. Джоуль заметил, что ферромагнитные материалы, помещенные в магнитное поле, изменяют свои размеры. Это явление назвали магнитострикционным эффектом. Если по обмотке, наложенной на ферромагнитный стержень, пропустить переменный ток, то под воздействием изменяющегося магнитного поля стержень будет деформироваться. Никелевые сердечники, в отличии от железных, в магнитном поле укорачиваются. При пропускании переменного тока по обмотке излучателя его стержень деформируется в одном направлении при любом направлении магнитного поля. Поэтому частота механических колебаний будет вдвое больше частоты переменного тока. 11 Чтобы частота возбуждающего тока, колебаний в излучателя обмотку соответствовала излучателя подводят частоте постоянное напряжение поляризации. У поляризованного излучателя увеличивается амплитуда переменной магнитной индукции, что приводит к увеличению деформации сердечника и повышению мощности. Магнитострикционный эффект используется при изготовлении УЗ-ых магнитострикционных преобразователей. (рис. 3). Рис. 3. Магнитострикционный преобразователь. Эти преобразователи деформациями, повышенной отличаются большими механической относительными прочностью, малой чувствительностью к температурным воздействиям. Магнитострикционные преобразователи имеют небольшие значения электрического сопротивления, в результате чего для получения большой мощности не требуются высокие напряжения. Чаще всего применяют преобразователи из никеля (высокая стойкость против коррозии, низкая цена). Магнитострикционные сердечники могут быть изготовлены и из ферритов. У ферритов высокое удельное сопротивление, в результате чего потери на вихревые токи в них ничтожно малы. Однако феррит – хрупкий материал, что вызывает опасность их перегрузки при большой мощности. 12 Кпд магнитострикционных преобразователей при излучении в жидкость и твердое тело составляет 50¸90%., интенсивность излучения достигает нескольких десятков Вт/см2 . В 1880 году братья Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектрический эффект — если деформировать пластинку кварца, то на ее гранях появляются противоположные по знаку электрические заряды. Наблюдается и обратное явление — если к электродам кварцевой пластинки подвести электрический заряд, то ее размеры уменьшатся или увеличатся в зависимости от полярности подводимого заряда. При изменении знаков приложенного напряжения кварцевая пластинка будет то сжиматься, то разжиматься, то есть она будет колебаться в такт с изменениями знаков приложенного напряжения. Изменение толщины пластинки пропорционально приложенному напряжению. Принцип пьезоэлектрического эффекта используется при изготовлении излучателей УЗ-ых колебаний, которые преобразуют электрические колебания в механические. В качестве пьезоэлектрических материалов применяют кварц, титанат бария, фосфат аммония. КПД пьезоэлектрических преобразователей достигает 90%, интенсивность излучения — несколько десятков Вт/см2 . Для увеличения интенсивности и амплитуды колебаний используют УЗ- вые концентраторы. В диапазоне средних УЗ-ых частот концентратор представляет собой фокусирующую систему, чаще всего пьезоэлектрического преобразователя вогнутой формы, в виде излучающего сходящуюся волну. В фокусе подобных концентраторов достигается интенсивность 105 –106 Вт/см2. [3]. 3. Применение ультразвука В качестве приемников ультразвука на низких и средних частотах чаще всего применяют электроакустические преобразователи пьезоэлектрического типа. Такие приемники позволяют воспроизводить форму акустического сигнала, то есть временную зависимость звукового давления. В зависимости 13 от условий применения приемники делают либо резонансными, либо широкополосными. Для получения усредненных по времени характеристик звукового поля используют термическими приемниками звука в виде покрытых звукопоглощающим веществом термопар или термисторов. Интенсивность и звуковое давление можно оценивать и оптическими методами, например, по дифракции света на УЗ. Многообразные применения УЗ, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством УЗ-ых волн, второе — с активным воздействием на вещество и третье — с обработкой и передачей сигналов. При каждом конкретном применении используется УЗ определенного частотного диапазона. Расскажем лишь о некоторых из многочисленных областей, где нашел применение УЗ. 3.1. Ультразвуковая очистка. Качество УЗ очистки несравнимо с другими способами. Например, при полоскании деталей на их поверхности остается до 80% загрязнений, при вибрационной очистке — около 55%, при ручной — около 20%, а при ультразвуковой — не более 0,5%. Кроме того, детали, имеющие сложную форму, труднодоступные места, хорошо можно очистить только с помощью ультразвука. Особое преимущество УЗ-вой очистки заключается в ее высокой производительности при малой затрате физического труда, возможности замены огнеопасных или дорогостоящих органических растворителей безопасными и дешевыми водными растворами щелочей, жидким фреоном и др. Ультразвуковая очистка — сложный процесс, сочетающий местную кавитацию с действием больших ускорений в очищающей жидкости, что приводит к разрушению загрязнений. Если загрязненную деталь поместить в жидкость и облучить ультразвуком, то под действием ударной волны кавитационных пузырьков поверхность детали очищается от грязи. 14 Серьезной проблемой является борьба с загрязнением воздуха пылью, дымом, копотью, окислами металлов и т.д. Ультразвуковой метод очистки газа и воздуха может применяться в существующих газоотводах независимо от температуры и влажности среды. Если поместить УЗ-ой излучатель в пылеосадочную камеру, то эффективность ее действия возрастает в сотни раз. В чем сущность УЗ-ой очистки воздуха? Пылинки, которые беспорядочно движутся в воздухе, под действием ультразвуковых колебаний чаще и сильнее ударяются друг о друга. При этом они сливаются и размер их увеличивается. Процесс укрупнения Улавливаются укрупненные и частиц утяжеленные называется частицы коагуляцией. специальными фильтрами. [4]. 3.2. Механическая обработка сверхтвердых и хрупких материалов Если между рабочей поверхностью УЗ-го 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. 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, 15 используемые в качестве абразива — алмаз, корунд, кремень, кварцевый песок. 3.3. 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-ая сварка незаменима. Ее иногда называют холодной, потому что детали соединяются в холодном состоянии. Окончательного представления о механизме образования соединений при УЗ-ой 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-ой 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). 3.4. Ультразвуковая пайка и лужение В промышленности все большее значение приобретает УЗ-ая пайка и лужение алюминия, нержавеющей стали и других материалов. Трудность пайки алюминия состоит в том, что его поверхность всегда покрыта тугоплавкой пленкой окиси алюминия, которая образуется практически 16 мгновенно при соприкосновении металла с кислородом воздуха. Эта пленка препятствует соприкосновению расплавленного припоя с поверхностью алюминия. В настоящее время одним из эффективных методов пайки алюминия является ультразвуковой, пайка с применением УЗ производится без флюса. Введение механических колебаний ультразвуковой частоты в расплавленный припой в процессе пайки способствует механическому разрушению окисной пленки и облегчает смачивание припоем поверхности. Принцип УЗ-ой пайки алюминия заключается в следующем. Между паяльником и деталью создается слой жидкого расплавленного припоя. Под действием УЗ-ых колебаний в припое возникает кавитация, разрушающая оксидную пленку. Перед пайкой детали нагревают до температуры, превышающей температуру плавления припоя. Большим преимуществом метода является то, что его можно с успехом применять для пайки керамики и стекла. 3.5. Ускорение производственных процессов с помощью ультразвука 1) Применение ультразвука позволяет значительно ускорить смешивание различных жидкостей и получить устойчивые эмульсии (даже таких как вода и ртуть). 2) Воздействуя УЗ-выми колебаниями большой интенсивности на жидкости, можно получать тонкодисперсные аэрозоли высокой плотности. 3) Сравнительно недавно начали применять УЗ для пропитки электротехнических намоточных изделий. Применение УЗ позволяет сократить время пропитки в 3¸5 раз и заменить 2-3 кратную пропитку одноразовой. 4) Под действием УЗ значительно ускоряется процесс гальванического осаждения металлов и сплавов. 5) Если в расплавленный металл вводить УЗ-вые колебания, заметно измельчается зерно, уменьшается пористость. 17 6) Ультразвук применяется при обработке металлов и сплавов в твердом состоянии, что приводит к «разрыхлению» структуры и к искусственному их старению. 7) УЗ при прессовании металлических порошков обеспечивает получение прессованных изделий более высокой плотности и стабильности размеров. [5]. 3.6. Ультразвуковая дефектоскопия Рис. 4. Ультразвуковой дефектоскоп. Ультразвуковая дефектоскопия — один из методов неразрушающего контроля. (рис. 4) 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-ые колебания для выявления дефектов (раковины, трещины, расслоения и т.п.) в металлических деталях без их разрушения. 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 10-6 мм). 18 УЗ-ые 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-ых волн при наличии внутри детали дефектов, создающих УЗ-ую тень. При этом методе используется два преобразователя. Один из них излучает ультразвуковые колебания, другой принимает их. 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. 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 10-6 мм). УЗ-ые 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-ых волн при наличии внутри детали дефектов, создающих УЗ-ую тень. При этом методе используется два преобразователя. Один из них излучает ультразвуковые колебания, другой принимает их. 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. 19 Рис. 5. Импульсный метод ультразвуковой дефектоскопии Импульсный метод УЗ-вой дефектоскопии основан на явлении отражения ультразвуковых волн. (рис. 5) 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-ой энергии будет замечено. Преимущество импульсного метода состоит еще и в том, что он позволяет определить на какой глубине находится дефект. 3.7. Ультразвук в радиоэлектронике В радиоэлектронике часто возникает необходимость задержать один электрический сигнал относительно другого. Удачное решение нашли 20 ученые, предложив ультразвуковые линии задержки (ЛЗ). Действие их основано на преобразовании электрических импульсов в импульсы УЗ-ых 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. Входной преобразователь состоит из катушки, по которой протекает ток входного сигнала, участка звукопровода из магнитострикционного материала, в котором возникают механические колебания УЗ-ой 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 УЗ-вые 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 преобразования. магнитной Поглотители индукции для и подмагничивания уменьшения уровня зоны 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 21 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). пьезоэлектрический Ко второму концу преобразователь. стержня Сигнал, прикреплен подойдя к второй входному преобразователю, вызывает механические колебания УЗ-вой частоты, которые затем распространяются в звукопроводе. Достигнув второго преобразователя, УЗ-ые колебания вновь преобразуются в электрические. Но так как скорость распространения УЗ 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 УЗ и электромагнитных сигналов на определенном участке. 3.8. Ультразвук в медицине Применение УЗ для активного воздействия на живой организм в медицине основывается на эффектах, возникающих в биологических тканях при прохождении через них УЗ-ых волн. Колебания частиц среды в волне вызывают своеобразный микромассаж тканей, поглощение УЗ — локальное нагревание их. Одновременно под действием УЗ происходят физикохимические превращения в биологических средах. При умеренной интенсивности звука эти явления не вызывают необратимых повреждений, а лишь улучшают обмен веществ и, следовательно, способствуют жизнедеятельности организма. Эти явления находят применение в УЗвой терапии (интенсивность УЗ до 1 Вт/см2 ). При больших интенсивностях сильное нагревание и кавитация вызывают разрушение тканей. Этот эффект находит применение в УЗ-ой хирургии. Для хирургических операций используют фокусированный УЗ, который позволяет производить локальные 22 разрушения в глубинных структурах, например мозга, без повреждения окружающих тканей (интенсивность УЗ достигает сотен и даже тысяч Вт/см2 ). В хирургии применяют также УЗ-ые инструменты, рабочий конец которых имеет вид скальпеля, пилки, иглы и т.п. Наложение УЗ-ых колебаний на такие, обычные для хирургии, инструменты придает им новые качества, существенно снижая требуемое усилие и, следовательно, травматизм операции; кроме того, проявляется кровоостанавливающий и обезболивающий эффект. Контактное воздействие тупым УЗ-ым инструментом применяется для разрушения некоторых новообразований. Воздействие мощного УЗ на биологические ткани применяется для разрушения микроорганизмов в процессах стерилизации медицинских инструментов и лекарственных веществ. УЗ нашел применение в зубоврачебной практике для снятия зубного камня. Он позволяет безболезненно, бескровно, быстро удалять зубной камень и налет с зубов. При этом не травмируется слизистая полость рта и обеззараживаются «карманы» полости, а пациент вместо боли испытывает ощущение теплоты. [6]. 4. Применение ультразвукового зондирования 4.1. Ультразвуковое зондирование свай Электроразведочные методы прикладной геофизики (именно к таковым относится вертикальное электрическое зондирование) считаются одними из наиболее эффективных. Определяется это не только надежностью и точностью результатов, сроками их получения, но и финансовыми затратами на проведение работ. Основным фактором, позволяющим проводить подобные исследования, является изменение параметров электромагнитного поля (ЭМП). В разных случаях используют либо искусственное поле, либо измеряют колебание параметров естественного ЭМП. Также значение имеет источник ЭМП, есть методы, основанные на постоянном токе, на низкочастотном, высокочастотном и квазипостоянном электрическом токе. 23 Также классификация подразумевает разделение на методы сопротивлений (именно в эту категорию входит вертикальное зондирование) и индукционные, которые подразделяются на энное количество модификаций. Вертикальное электрическое зондирование грунтов. Среди вышеупомянутых методов сопротивлений особо стоит отметить метод вертикального электрического зондирования. Он нескольких принципах и физических законах. Первое основан на — разности потенциалов электрического поля, создаваемого штучным путем с помощью генератора. Второе — свойства электрического тока при прохождении в разных слоях земной коры. В процессе используют 2 пары электродов — питающие и приемные, первая пара обязательно должна быть заземленной. Важную роль играет расстояние между ними, так как большая дистанция отрицательно повлияет на результаты. Но в процессе модернизации метода с помощью нехитрых приспособлений ученые устранили мелкие факторы. Например, используется переменный низкочастотный ток (частота не выше 4,88 Гц). Кроме дешевизны и простоты, есть и другие факторы, повышающие эффективность и популярность метода вертикального электрического зондирования. Самый главный — сохранность почвенного покрова, ведь нет необходимости делать почвенные разрезы или бурить скважины. С помощью компьютерного моделирования рассчитать сопротивление на разных глубинах не станет нерешаемой дилеммой, и на основе данных определяются генетические почвенные горизонты. Практическую ценность ультразвукового электрического зондирования почвы сложно переоценить. Данные исследования используют для оценки: — идентификации состава залегающих горизонтов и их мощности; — степени загрязнения грунтов (сточными водами, нефтепродуктами или же органическими веществами); — степени оторфованности почвенного покрова; 24 — оценки неоднородности грунтов вследствие развития биогеоценозов. Все исследования проходят на поверхности, поэтому с практической точки это очень выгодно. Таким методом также легко установить уровень залегания грунтовых вод или установить зоны подтопления. 4.2. Ультразвуковое зондирование в медицине Методы ультразвуковых исследований присутствуют практически во всех областях медицины. С каждым годом спектр ультразвуковых исследований расширяется. С развитием ультразвуковой техники появляются новые возможности диагностики патологических процессов, дифференциальная диагностика которых ранее представляла определенные сложности. Появились принципиально новые подходы к исследованию, дополнительные режимы сканирования. Это позволяет более углубленно изучать структуры исследуемой ткани, более четко визуализировать патологический очаг, его кровоснабжение. В ноябре 2016г. Клиникой «МКЦ» был приобретен ультразвуковой сканер Affiniti 70 производитель: «Филипс Ультрасаунд, Инк», США. Affinity 70 — это полностью цифровая универсальная ультразвуковая система высокого класса с возможностью чреспищеводной эхокардиографии и трехмерного сканирования в режиме реального времени с использованием моторизованных объёмных датчиков. Ультразвуковые системы серии Affiniti — это системы с высокой разрешающей способностью, предназначенные для общей визуализации, инвазивной радиологии, кардиологии, сосудистых исследований, акушерских и гинекологических исследований и анализа. Систему можно использовать для работы в следующих режимах визуализации: 2D, 3D, 4D, 3D свободной руки и автоматизированный 3D, Мрежим, режим Допплера и режим цветового картирования. Изображения можно также получать в дуплексном и триплексном режимах. Стандартным режимом системы является стресс-эхокардиография, 25 а в качестве дополнительных пакетов доступны подключаемые модули программного обеспечения углубленного количественного анализа QLAB Q-Apps. Система поддерживает широкий спектр датчиков. Система предоставляет инструменты измерений, функции анализа и возможности сети DICOM. Эргономично спроектированная тележка системы обладает высокой мобильностью и возможностью регулировки под различных пользователей и разные условия эксплуатации. 4.3. Ультразвуковое зондирование земли Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) — наблюдение поверхности Земли наземными, авиационными и космическими средствами, оснащёнными различными видами съемочной аппаратуры. Рабочий диапазон длин волн, принимаемых съёмочной аппаратурой, составляет от долей микрометра (видимое оптическое излучение) до метров (радиоволны). Методы зондирования могут быть пассивные, то есть использующие естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью, и активные — использующие вынужденное искусственным источником излучение направленного объектов, действия. инициированное Данные ДЗЗ, полученные с космического аппарата (КА), характеризуются большой степенью зависимости от прозрачности атмосферы. Поэтому на КА используется многоканальное оборудование пассивного и активного типов, регистрирующее электромагнитное излучение в различных диапазонах. Аппаратура ДЗЗ первых КА, запущенных в 1960—70-х гг. была трассового типа — проекция области измерений на поверхность Земли представляла собой линию. Позднее появилась и широко распространилась аппаратура ДЗЗ панорамного типа — сканеры, проекция области измерений на поверхность Земли которых представляет собой полосу. Космические аппараты дистанционного зондирования Земли используются для изучения природных ресурсов Земли и решения задач 26 метеорологии. КА для исследования природных ресурсов оснащаются в основном оптической или радиолокационной аппаратурой. Преимущества последней заключаются в том, что она позволяет наблюдать поверхность Земли в любое время суток, независимо от состояния атмосферы. Дистанционное зондирование является методом получения информации об объекте или явлении без непосредственного физического контакта с данным объектом. Дистанционное зондирование является подразделом географии. В современном понимании, термин в основном относится к технологиям воздушного или космического зондирования местности с целью обнаружения, классификации и анализа объектов земной поверхности, а также атмосферы и океана, при помощи распространяемых сигналов (например, электромагнитной радиации). Разделяют на активное (сигнал сначала излучается самолётом или космическим спутником) и пассивное дистанционное зондирование (регистрируется только сигнал других источников, например, солнечный свет). Пассивные сенсоры дистанционного зондирования регистрируют сигнал, излучаемый или отраженный объектом либо прилегающей территорией. Отраженный солнечный свет — наиболее часто используемый источник излучения, регистрируемый пассивными сенсорами. Примерами пассивного дистанционного зондирования являются цифровая и пленочная фотография, применение инфракрасных, приборов с зарядовой связью и радиометров. Активные приборы, в свою очередь, излучают сигнал с целью сканирования объекта и пространства, после чего сенсор имеет возможность обнаружить и измерить излучение, отраженное или образованное путём обратного рассеивания целью зондирования. Примерами активных сенсоров дистанционного зондирования являются радар и лидар, которыми измеряется задержка во времени между излучением и регистрацией возвращенного сигнала, таким образом определяя размещение, скорость и направление движения объекта. возможность получать Дистанционное данные об 27 зондирование опасных, предоставляет труднодоступных и быстродвижущихся объектах, а также позволяет проводить наблюдения на обширных участках местности. Примерами применения дистанционного зондирования может быть мониторинг вырубки лесов (например, в бассейне Амазонки), состояния ледников в Арктике и Антарктике, измерение глубины океана с помощью лота. Дистанционное зондирование также приходит на замену дорогостоящим информации с и сравнительно поверхности Земли, медленным методам одновременно сбора гарантируя невмешательство человека в природные процессы на наблюдаемых территориях или объектах. При помощи орбитальных космических аппаратов ученые имеют возможность собирать и передавать данные в различных диапазонах электромагнитного спектра, которые, в сочетании с более масштабными воздушными и наземными измерениями и анализом, обеспечивают необходимый спектр данных для мониторинга актуальных явлений и тенденций, таких как Эль-Ниньо и другие природные феномены, как в кратко-, так и в долгосрочной перспективе. Дистанционное зондирование также имеет прикладное значение в сфере геонаук (к примеру, природопользование), сельском хозяйстве (использование и сохранение природных ресурсов), национальной безопасности (мониторинг приграничных областей). Рынок дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) считается одним из самых быстрорастущих в мире. Новые компании, технологии, услуги и сервисы появляются каждый год. Большие перспективы связаны с использованием беспилотных аппаратов, лидаров, микроспутников. Метод ультразвукового зондирования при оценке предельного состояния металлоконструкций, связанного с появлением пластических деформаций. На примере деформации стали в области упругой и пластической деформации показано, что применение поверхностных волн Рэлея позволяет оценить напряженно-деформированное состояние конструкции как в области упругой, так и пластической деформации. Наиболее информативными 28 параметрами при анализе предельного состояния, связанного с появлением пластических деформаций, являются дисперсия и форма зондирующего сигнала. Показано, что представление процессов, определяющих влияние среды на параметры упругой волны статистической моделью в виде распределения Дирихле, позволяет выделить новый диагностический признак акустической распространение анизотропии ультразвуковых упругопластическому волн деформированию. в в конструкции, описывающей материале, подверженном Эти данные могут быть использованы для предварительной оценки уровня деформации конструкции, перед оценкой ее состояния по результатам измерения скорости волн. [7]. 29 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ: 1. Абрамов О.В. Кристаллизация металлов в ультразвуковом поле, М., Металлургия, 1972. // https://www.twirpx.org/file/3363081/. 2. Голямина И.П. Ультразвук. М.: Советская энциклопедия, 1979. // https://studizba.com/files/show/djvu/1812-1-golyamina-i-p--ul-trazvuk-malenkaya.html. 3. Ерофеев В.И. Метод ультразвукового зондирования при оценке предельного состояния металлоконструкций, связанного с появлением пластических деформаций / В.И. Ерофеев, А.В. Иляхинский, Е.А. Никитина [и др.] // Физическая мезомеханика. 2019. Т. 22. № 3. С. 65-70. // https://www.elibrary.ru/item.asp?id=38186333. 4. Кудрявцев Б.Б. О неслышимых звуках, М., Знание, 1958. // Кудрявцев Б.Б. О неслышимых звуках, М., Знание, 1961. 5. Северденко В.П. Применение ультразвука в промышленности / В.П. Северденко, В.В. Клубович / Минск : Наука и техника, 1967. // https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D 0%BD%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D0%B5_% D0%B7%D0%BE%D0%BD%D0%B4%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2% D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%97%D0%B5%D0%BC%D0%BB% D0%B8. 6. Хорбенко. И.Г. В мире неслышимых звуков. М. : Машиностроение, 1971. // https://search.rsl.ru/ru/record/01007057158. 7. Шутилов В.А. Основы физики ультразвука, 1980. // https://books.academic.ru/book.nsf/59540476/%D0%9E%D1%81%D0%BD%D0 %BE%D0%B2%D1%8B+%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0 %B8+%D1%83%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0 %B2%D1%83%D0%BA%D0%B0. 30 ПРИЛОЖЕНИЕ: 1) Рисунок 1, страница 9 (https://www.bestreferat.ru/images/paper/04/18/8931804.png). 2) Рисунок 2, страница 10 (https://www.bestreferat.ru/images/paper/06/18/8931806.png). 3) Рисунок 3, страница 12 (https://www.bestreferat.ru/images/paper/08/18/8931808.png). 4) Рисунок 4, страница 18 (https://www.bestreferat.ru/images/paper/12/18/8931812.jpeg). 5) Рисунок 5, страница 20 (https://www.bestreferat.ru/images/paper/15/18/8931815.png). 31
