Ультразвук. Источники и приемники ультразвуковых волн. Применение ультразвука.

УЛЬТРАЗВУК

Ультразвук- упругие волны с частотами от 20 кГц до 1 ГГц. Ультразвук (УЗ) подразделяют на три диапазона: УЗ низких частот (до 10⁵ Гц), УЗ средних частот (10⁵ – 10⁷ Гц), УЗ высоких частот (10⁷ – 10⁹ Гц). Каждый из этих диапазонов характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приема, распространения и применения. Длина волны УЗ высокой частоты в воздухе составляет 3,4·10^-3 - 3,4·10^-5 см, что значительно меньше длины волны звуковых волн. Из-за малых длин волн УЗ, как и свет, может распространяться в виде строго направленных пучков большой интенсивности.

УЗ в газах, и в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием. Жидкости и твердые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой хорошие проводники УЗ, затухание в них значительно меньше. В воздухе и газах применяют только УЗ низких частот, для которых затухание меньше.

Устройства для генерации УЗ разделяют на две группы- механические и электромеханические.

Механические излучатели УЗ – воздушные и жидкостные свисткии сирены, они отличаются простотой устройства и эксплуатации, не требуют электрической энергии высокой частоты. Их недостаток – широкий спектр излучаемых частот и нестабильность частоты и амплитуды, что не позволяет использовать их для контрольно-измерительных целей; они применяются главным образом в промышленной УЗ-вой технологии и частично – как средство сигнализации.

Основными излучателями УЗ являются электромеханические, преобразующие электрические колебания в механические, которые используют в основном два явления: пьезоэлектрический эффект и магнитострикцию.

Обратный пьезоэлектрический эффект – это возникновение под действием электрического поля деформации в вырезанной определенным образом кварцевой пластине или пластине титаната бария. Если такую пластину поместить в высокочастотное переменное эл. поле, то можно вызвать ее вынужденные колебания. Для увеличения амплитуды колебаний и излучаемой в среду мощности, как правило, применяются резонансные колебания пьезоэлектрических элементов (пластин) на их собственной частоте. Предельные интенсивности излучения УЗ определяются прочностными свойствами материала излучателей. Для получения очень больших интенсивностей УЗ используют его фокусировку (параболоид).

Магнитострикция – это возникновение деформации в ферромагнетиках под действием магнитного поля. В ферромагнитном стержне (никель, железо и др.), помещенном в быстропеременное магнитное поле возбуждаются механические колебания, амплитуда которых максимальна в случае резонанса.

Приемники УЗ. Вследствие обратимости пьезоэффекта пьезоэлектрические преобразователи используются и для приема УЗ. Ультразвуковые колебания, воздействуя на кварц, вызывают в нем упругие колебания, в результате чего на противоположных поверхностях кварца возникают электрические заряды, которые измеряются электроизмерительными приборами.

Применение УЗ. УЗ широко используется в технике, например для направленной подводной сигнализации, обнаружении подводных предметов и определении глубин (гидролокатор, эхолот). Принцип локации: посылается импульс УЗ и регистрируется время t до его возвращения после отражения от предмета, расстояние L до которого измеряется.

L = Vt/2.

По данным измерения поглощения УЗ можно осуществлять контроль за протеканием технологических процессов (контроль состава жидкостей, концентрации газов и т.д.). Используя отражение УЗ на границе различных сред с помощью УЗ-вых приборов измеряют размеры изделий (УЗ-вые толщиномеры), определяют уровни жидкостей в емкостях, недоступных для прямого измерения. УЗ используется в дефектоскопии для неразрушающего контроля изделий из твердых материалов (рельс, крупных отливок, качества проката и т.д.). Отдельно следует отметить, что при помощи УЗ осуществляется звуковое видение: преобразуя УЗ-вые колебания в электрические, а последние в световые, оказывается возможным увидеть те или иные предметы в непрозрачной для света среде (например, УЗИ брюшной полости, и т.д.). УЗ применяют для воздействия на различные процессы (кристаллизацию, диффузию, тепло- и массообмен в металлургии и т.д.) и биологические объекты, для изучения физических свойств веществ (поглощения, структуры вещества и т.д.). Ультразвуковая хирургия, микромассаж тканей,…