Ano ang ultrasound at paano ito ginagamit sa industriya?
Ang ultratunog ay tinatawag na elastic waves (mga alon na kumakalat sa likido, solid at gas na media dahil sa pagkilos ng elastic forces), ang dalas nito ay nasa labas ng saklaw na naririnig ng mga tao — mula sa humigit-kumulang 20 kHz at higit pa.
Sa una, ang mga ultrasonic at naririnig na tunog ay nakikilala lamang sa batayan ng perception o non-perception ng tainga ng tao. Ang threshold ng pandinig ng iba't ibang tao ay nag-iiba mula 7 hanggang 25 kHz, at ito ay itinatag na ang isang tao ay nakakakita ng ultrasound na may dalas na 30 - 40 kHz sa pamamagitan ng mekanismo ng bone conduction. Samakatuwid, ang mas mababang limitasyon ng dalas ng ultrasound ay karaniwang tinatanggap.
Ang pinakamataas na limitasyon ng dalas ng ultrasound ay umaabot sa mga frequency na 1013 — 1014 Hz, i.e. hanggang sa mga frequency kung saan ang haba ng daluyong ay nagiging maihahambing sa mga intermolecular na distansya sa mga solido at likido. Sa mga gas, ang hangganan na ito ay matatagpuan sa ibaba at tinutukoy ng libreng landas ng molekula.
Mga kapaki-pakinabang na pag-andar ng mga ultrasonic wave
At bagama't ang pisikal na ultratunog ay may parehong likas na katangian tulad ng naririnig na tunog, naiiba lamang sa kondisyon (mas mataas na dalas), ito ay tiyak na dahil sa mas mataas na dalas na ang ultrasound ay naaangkop sa ilang kapaki-pakinabang na direksyon.
Kaya, kapag sinusukat ang bilis ng ultrasound sa isang solid, likido o gas na sangkap, ang napakaliit na mga error ay nakuha kapag nagmamasid sa mga mabilis na proseso, kapag tinutukoy ang tiyak na init (gas), kapag sinusukat ang nababanat na mga constant ng solids.
Ang mataas na dalas sa mababang amplitude ay ginagawang posible upang makamit ang mas mataas na densidad ng mga daloy ng enerhiya, dahil ang enerhiya ng isang nababanat na alon ay proporsyonal sa parisukat ng dalas nito. Bilang karagdagan, ang mga ultrasonic wave, na ginagamit sa tamang paraan, ay maaaring makagawa ng isang bilang ng mga napaka-espesyal na acoustic effect at phenomena.
Ang isa sa mga hindi pangkaraniwang phenomena na ito ay acoustic cavitation, na nangyayari kapag ang isang malakas na ultrasound wave ay nakadirekta sa isang likido. Sa isang likido, sa rehiyon ng pagkilos ng ultrasonic, ang maliliit na bula ng singaw o gas (submicroscopic size) ay nagsisimulang lumaki sa mga fraction ng isang milimetro ang lapad, na pumipintig sa dalas ng alon at bumagsak sa bahagi ng positibong presyon.
Ang bumabagsak na bubble ay lokal na bumubuo ng isang high-pressure pulse na sinusukat sa libu-libong mga atmospheres, na nagiging pinagmulan ng mga spherical shock wave. Nakatulong ang mga acoustic microflow na nabuo malapit sa gayong mga tumitibok na bula para sa paghahanda ng mga emulsyon, paglilinis ng mga bahagi, atbp.
Sa pamamagitan ng pagtutok sa ultrasound, ang mga sound image ay nakukuha sa acoustic holography at sound vision system, at ang sound energy ay puro upang bumuo ng directional beam na may tinukoy at kinokontrol na mga katangian ng directivity.
Gamit ang isang ultrasonic wave bilang isang diffraction grating para sa liwanag, posible na baguhin ang mga refractive index ng liwanag para sa iba't ibang layunin, dahil ang density sa isang ultrasonic wave, tulad ng sa isang nababanat na alon, ay karaniwang nagbabago sa pana-panahon.
Sa wakas, ang mga katangian na nauugnay sa bilis ng pagpapalaganap ng ultrasound. Sa inorganic na media, ang ultrasound ay kumakalat sa bilis na depende sa elasticity at density ng medium.
Tulad ng para sa organic na media, dito ang bilis ay apektado ng mga hangganan at ang kanilang likas na katangian, iyon ay, ang bilis ng phase ay nakasalalay sa dalas (pagpakalat) Ang ultratunog ay nabubulok sa distansya ng harap ng alon mula sa pinagmulan - ang harap ay nag-iiba, ang ultrasound. ay nakakalat, hinihigop.
Ang panloob na alitan ng daluyan (paggupit ng lagkit) ay humahantong sa klasikal na pagsipsip ng ultrasound, bukod pa rito ang relaxation absorption para sa ultrasound ay higit na mataas sa klasikal. Sa gas, ang ultrasound ay humina nang mas malakas, sa mga solido at sa mga likido, ito ay mas mahina. Sa tubig, halimbawa, ito ay bumagsak ng 1000 beses na mas mabagal kaysa sa hangin. Kaya, ang mga pang-industriyang aplikasyon ng ultrasound ay halos ganap na nauugnay sa mga solido at likido.
Ang paggamit ng ultrasound
Ang paggamit ng ultrasound ay umuunlad sa mga sumusunod na direksyon:
- teknolohiya ng ultrasound, na nagbibigay-daan sa paggawa ng hindi maibabalik na mga epekto sa isang naibigay na sangkap at sa kurso ng mga proseso ng physico-kemikal sa pamamagitan ng ultrasound na may intensity ng mga yunit ng W / cm2 hanggang sa daan-daang libong W / cm2;
- ultrasonic control batay sa pag-asa ng pagsipsip at bilis ng ultrasound sa estado ng daluyan kung saan ito nagpapalaganap;
- mga pamamaraan ng lokasyon ng ultrasonic, mga linya ng pagkaantala ng signal, mga medikal na diagnostic, atbp., batay sa kakayahan ng mga ultrasonic vibrations ng mas mataas na mga frequency na magpalaganap sa mga rectilinear beam (ray), sundin ang mga batas ng geometric acoustics at sabay na magpalaganap sa medyo mababang bilis.
Ang ultratunog ay gumaganap ng isang espesyal na papel sa pag-aaral ng istraktura at mga katangian ng isang sangkap, dahil sa kanilang tulong ay medyo madali upang matukoy ang pinaka magkakaibang mga katangian ng mga materyal na kapaligiran, tulad ng nababanat at viscoelastic na mga pare-pareho, mga katangian ng thermodynamic, mga anyo ng mga ibabaw ng Fermi, mga dislokasyon , mga di-kasakdalan sa kristal na sala-sala, atbp. Ang nauugnay na sangay ng pag-aaral ng ultrasound ay tinatawag na molekular acoustics.
Ultrasound sa echolocation at sonar (pagkain, pagtatanggol, pagmimina)
Ang unang prototype ng sonar ay nilikha upang maiwasan ang mga banggaan ng barko sa mga bloke ng yelo at iceberg ng Russian engineer na si Shilovsky kasama ang French physicist na si Langevin noong 1912.
Ginagamit ng device ang prinsipyo ng sound wave reflection at reception. Ang signal ay naglalayong sa isang tiyak na punto, at sa pamamagitan ng pagkaantala ng signal ng tugon (echo), alam ang bilis ng tunog, posible na tantyahin ang distansya sa balakid na sumasalamin sa tunog.
Sinimulan nina Shilovsky at Langevin ang isang malalim na pag-aaral ng hydroacoustics at sa lalong madaling panahon ay lumikha ng isang aparato na may kakayahang makita ang mga submarino ng kaaway sa Mediterranean sa layo na hanggang 2 kilometro. Ang lahat ng mga modernong sonar, kabilang ang mga militar, ay mga inapo ng aparatong ito.
Ang mga modernong echo sounder para sa pag-aaral sa ibabang relief ay binubuo ng apat na bloke: isang transmitter, isang receiver, isang transducer at isang screen.Ang pag-andar ng transmitter ay magpadala ng mga ultrasonic pulse (50 kHz, 192 kHz o 200 kHz) nang malalim sa tubig, na kumakalat sa tubig sa bilis na 1.5 km/s, kung saan ang mga ito ay sinasalamin ng mga isda, bato, iba pang mga bagay. at sa ibaba, pagkatapos maabot ng echo na ito ang receiver, pinoproseso ang isang converter at ang resulta ay ipinapakita sa display sa isang form na maginhawa para sa visual na perception.
Ultrasound sa electronic at electrical industry
Maraming mga lugar ng modernong pisika ay hindi magagawa nang walang ultrasound. Ang physics ng solids at semiconductors, pati na rin ang acoustoelectronics, sa maraming paraan ay malapit na nauugnay sa mga pamamaraan ng pananaliksik sa ultrasonic — na may mga epekto sa dalas na 20 kHz at mas mataas. Ang isang espesyal na lugar dito ay inookupahan ng acoustoelectronics, kung saan ang mga ultrasonic wave ay nakikipag-ugnayan sa mga electric field at mga electron sa loob ng solid body.
Ang mga volumetric na ultrasonic wave ay ginagamit sa mga linya ng pagkaantala at sa mga quartz resonator upang patatagin ang dalas sa mga modernong elektronikong sistema para sa pagproseso at pagpapadala ng impormasyon. Ang mga surface acoustic wave ay sumasakop sa isang espesyal na lugar sa mga filter ng bandpass para sa telebisyon, sa mga frequency synthesizer, sa mga aparato para sa pagpapadala ng mga acoustic wave, sa memorya at mga device sa pagbabasa ng imahe. Sa wakas, ginagamit ng mga correlator at convolver ang transverse acoustoelectric effect sa kanilang operasyon.
Radioelectronics at ultrasound
Ang mga linya ng pagkaantala ng ultrasonic ay kapaki-pakinabang para sa pagkaantala ng isang de-koryenteng signal na may kaugnayan sa isa pa.Ang isang de-koryenteng pulso ay na-convert sa isang pulsed mechanical vibration na may isang ultrasonic frequency, na nagpapalaganap ng maraming beses na mas mabagal kaysa sa isang electromagnetic pulse; ang mekanikal na panginginig ng boses ay ibinalik pabalik sa isang de-koryenteng pulso at isang senyas ay ginawa na naantala kaugnay sa orihinal na input.
Para sa naturang conversion, kadalasang ginagamit ang piezoelectric o magnetostrictive transducers, kaya naman ang mga delay line ay tinatawag ding piezoelectric o magnetostrictive.
Sa isang linya ng pagkaantala ng piezoelectric, ang isang de-koryenteng signal ay inilalapat sa isang quartz plate (piezoelectric transducer) na mahigpit na konektado sa isang metal rod.
Ang pangalawang piezoelectric transducer ay konektado sa kabilang dulo ng baras. Ang input transducer ay tumatanggap ng signal, bumubuo ng mga mekanikal na panginginig ng boses na kumakalat sa kahabaan ng baras, at kapag ang mga vibrations ay umabot sa pangalawang transduser sa pamamagitan ng baras, ang isang de-koryenteng signal ay ginawa muli.
Ang bilis ng pagpapalaganap ng mga vibrations sa kahabaan ng baras ay mas maliit kaysa sa isang de-koryenteng signal, samakatuwid ang signal na dumadaan sa baras ay naantala kaugnay sa input sa pamamagitan ng isang halaga na nauugnay sa pagkakaiba sa mga bilis ng electromagnetic at ultrasonic vibrations.
Maglalaman ang magnetostrictive delay line ng input transducer, magnets, sound wire, output transducer at absorbers. Ang input signal ay inilapat sa unang coil, ultrasonic frequency oscillations - mechanical oscillations - magsimula sa acoustic conductor ng rod na gawa sa magnetostrictive material - ang magnet ay lumilikha dito ng permanenteng magnetization sa transformation zone at paunang magnetic induction.
Sa baras, ang mga vibrations ay nagpapalaganap sa bilis na 5000 m / s, halimbawa, para sa isang haba ng baras na 40 cm, ang pagkaantala ay magiging 80 μs. Ang mga attenuator sa magkabilang dulo ng baras ay pumipigil sa mga hindi gustong pagmuni-muni ng signal. Ang magnetostrictive disturbances ay magdudulot ng pagbabago sa induction sa pangalawang winding (output converter) EMF.
Ultrasound sa industriya ng pagmamanupaktura (pagputol at hinang)
Ang isang nakasasakit na materyal (kuwarts na buhangin, brilyante, bato, atbp.) ay inilalagay sa pagitan ng pinagmumulan ng ultrasound at ng workpiece. Ang ultratunog ay kumikilos sa mga nakasasakit na particle, na tumama naman sa bahagi na may dalas ng ultrasound. Ang materyal ng workpiece sa ilalim ng impluwensya ng isang malaking bilang ng mga maliliit na suntok mula sa mga nakasasakit na butil ay nawasak - ito ay kung paano isinasagawa ang pagproseso.
Ang pagputol ay idinagdag sa paggalaw ng feed, habang ang mga longitudinal cutting oscillations ay ang mga pangunahing. Ang katumpakan ng ultrasonic na paggamot ay depende sa laki ng mga butil ng nakasasakit at umabot sa 1 micron. Sa ganitong paraan, ang mga kumplikadong pagbawas ay ginawa, na kinakailangan sa paggawa ng mga bahagi ng metal, paggiling, pag-ukit at pagbabarena.
Kung kinakailangan upang magwelding ng hindi magkatulad na mga metal (o kahit na polymers) o upang pagsamahin ang isang makapal na bahagi na may manipis na plato, ang ultrasound ay muling dumating upang iligtas. Ito ang tinatawag na malamig na ultrasonic welding… Sa ilalim ng impluwensya ng ultrasound sa welding zone, ang metal ay nagiging napaka-plastic, ang mga bahagi ay napakadaling paikutin sa panahon ng pagsali sa anumang anggulo. At ito ay nagkakahalaga na patayin ang ultrasound - ang mga bahagi ay agad na kumonekta, mahuli.
Ito ay lalong kapansin-pansin na ang hinang ay isinasagawa sa isang temperatura sa ibaba ng punto ng pagkatunaw ng mga bahagi, at ang kanilang koneksyon ay aktwal na nagaganap sa isang solidong estado. Ngunit ang mga bakal, titanium at kahit molibdenum ay hinangin sa ganitong paraan. Ang mga manipis na sheet ay ang pinakamadaling magwelding. Ang pamamaraang ito ng hinang ay hindi nagpapahiwatig ng espesyal na paghahanda ng ibabaw ng mga bahagi, nalalapat din ito sa mga metal at polimer.
Ang ultrasonic na pagsubok ay ginagamit upang makita ang mga flat-type na depekto sa metal sa panahon ng hinang (mga bitak, kakulangan ng pagtagos, kakulangan ng pagdirikit). Ang pamamaraang ito ay napaka-epektibo para sa pinong butil na bakal.
Ultrasound sa metalurhiya (ultrasonic flaw detection)
Ultrasonic na pagtuklas ng mga depekto — pagtuklas ng mga depekto batay sa pagbabago ng mga kondisyon ng pagpapalaganap ng nababanat, pangunahin ang mga ultrasonic vibrations.
Ang ultrasonic flaw detection ay isa sa mga pinaka-epektibong pamamaraan para sa hindi mapanirang kontrol sa kalidad ng mga bahagi ng metal.
Sa isang homogenous na daluyan, ang ultrasound ay nagpapalaganap sa isang direksyon nang walang mabilis na pagpapalambing, at ang pagmuni-muni ay katangian nito sa hangganan ng daluyan. Kaya't ang mga bahagi ng metal ay sinusuri kung may mga void at mga bitak sa loob ng mga ito (air to metal interface) at nakita ang pagtaas ng pagkapagod ng metal.
Ang ultratunog ay maaaring tumagos sa isang bahagi sa lalim na 10 metro, at ang laki ng mga nakitang depekto ay nasa pagkakasunud-sunod ng 5 mm. Mayroong: anino, pulso, taginting, pagsusuri sa istruktura, paggunita, — limang paraan ng pagtuklas ng kapintasan ng ultrasonic.
Ang pinakasimpleng paraan ay ang ultrasonic shadow defect detection, ang pamamaraang ito ay batay sa pagpapalambing ng isang ultrasonic wave kapag nakatagpo ito ng depekto kapag dumadaan sa isang bahagi, dahil ang depekto ay lumilikha ng ultrasonic shadow.Gumagana ang dalawang converter: ang una ay naglalabas ng alon, ang pangalawa ay tumatanggap nito.
Ang pamamaraang ito ay hindi sensitibo, ang isang depekto ay napansin lamang kung ang impluwensya nito ay nagbabago ng signal ng hindi bababa sa 15%, bilang karagdagan, imposibleng matukoy ang lalim kung saan matatagpuan ang depekto sa bahagi. Ang mas tumpak na mga resulta ay nakuha sa pamamagitan ng pulsed ultrasound na paraan, ipinapakita din nito ang lalim.
Para sa paglabas at pagtanggap ng nababanat na mga vibrations ay ginagamit piezoelectric transducers, at sa hanay ng tunog at mababang ultrasonic frequency - magnetostrictive transducers.
Ang mga sumusunod na pamamaraan ay ginagamit upang ilipat ang mga nababanat na vibrations mula sa transduser patungo sa kinokontrol na produkto at vice versa:
- contactless;
- dry contact (pangunahin para sa mababang frequency);
- pakikipag-ugnay sa isang pampadulas (bago ang pagsubok, ang isang layer ng langis o tubig na may kapal na mas maliit kaysa sa nababanat na wavelength ay inilalapat sa malinis na naprosesong ibabaw ng produkto);
- jet contact (sa pamamagitan ng isang stream ng likido na dumadaloy sa isang maliit na puwang sa pagitan ng piezoelectric na elemento at sa ibabaw ng produkto);
- paglulubog (ang kinokontrol na produkto ay inilulubog sa isang paliguan at ang contact ay ginawa sa pamamagitan ng isang layer ng likido, ang kapal nito ay dapat na hindi bababa sa 1/4 ng kapal ng produkto).
Ang bentahe ng immersion, inkjet at non-contact na mga pamamaraan ay ang kakulangan ng pagsusuot sa mga ulo ng paghahanap at ang posibilidad ng paggamit ng mas mataas na bilis ng pag-scan, pati na rin ang posibilidad ng automation ng pamamahala.
Tingnan din:
Ultrasonic na pagputol ng mga metal
Mga pag-install para sa paglilinis ng ultrasonic ng mga bahagi
Ultrasonic sensor para sa mga sistema ng automation