Ультразвук..........................4
Ультразвук как упругие волны................4

Специфические особенности ультразвука..............5

Источники и приемники ультразвука................7

Механические излучатели...................7

Электроакустические преобразователи............9

Приемники ультразвука...................11

Применение ультразвука......................11

Ультразвуковая очистка....................11

Механическая обработка сверхтвердых и хрупких

материалов.......................13

Ультразвуковая сварка...................14

Ультразвуковая пайка и лужение..............14

Ускорение производственных процессов............15

Ультразвуковая дефектоскопия................15

Ультразвук в радиоэлектронике................17

Ультразвук в медицине.....................18

Литература............................19

            ведение.           

Двадцать первый век - век атома, покорения космоса, радиоэлектроники и

ультразвука. 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

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.

      

льтразвук.

      

Ультразвук (УЗ) – упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 – 20

кГц. Нижняя граница области УЗ-вых 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-вых 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 » 109 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-вые 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 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). Степень отклонения от геометрической картины

распространения и необходимость 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.

[1]

При значительной интенсивности звуковых волн появляются нелинейные эффекты:

·        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».

               пецифические 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-вых

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-вых фокусирующих 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-вом 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

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.

               сточники  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-выми 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.