|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Генерация ультразвука |
 | |
Анимация
Описание
Генерация (от лат. generatio - рождение) ультразвука - создание упругих колебаний и волн, частота которых превышает область слышимого (воспринимаемого человеком) звука.
Ультразвук (УЗ) - упругие колебания и волны с частотой более » 20 кГц. Излучение УЗ происходит вследствие электромеханического преобразования электрического сигнала в упругий гармонический или импульсный сигнал, или при наличии препятствий на пути постоянного потока газа или жидкости (свистки, сирены). УЗ присутствует в природе в составе спектра многих естественных шумов, может генерироваться некоторыми животными и птицами. Нижняя граница области УЗ - частот, отделяющая ее от области слышимого звука, во многом является условной, поскольку определяется субъективными особенностями человеческого слуха. В научной литературе, во избежание неопределенности, за пороговое значение частоты УЗ обычно принимают частоту 20 кГц. Верхняя граница УЗ-частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться в материальной среде при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях или твердых телах. Так, в газах верхняя граница частот УЗ порядка 109 Гц, а в жидкостях и твердых телах - 1012 - 1013 Гц. Упругие волны с частотами 109 - 1013 Гц принято называть гиперзвуком.
УЗ - волны как упругие волны по своей природе не отличаются от упругих волн звукового или инфразвукового диапазонов. Их распространение описывается общими волновыми уравнениями. В газах и жидкостях распространяются только продольные волны, а в твердых телах - продольные и поперечные волны. Для УЗ также применимы законы отражения звука, преломления звука, рефракции звука, дифракции звука, интерференции волн. При распространении УЗ волн в среде происходит их затухание вследствие поглощения и рассеяния. В сильно неоднородных и ограниченных средах имеет место дисперсия скорости УЗ. Ниже будут рассмотрены специфические особенности УЗ.
Особенности УЗ обусловлены относительно высокими его частотами и соответственно малыми длинами волн. Так, длины волн УЗ варьируют, в зависимости от частоты, от нескольких сантиметров вблизи нижней границы УЗ-диапазона до 10-5 см - для гиперзвуковых частот. Вследствие малости длины волны процесс распространения УЗ - волн носит лучевой характер. Параметр, определяющий степень отклонения волновой картины от геометрической (при котором необходимо учитывать дифракционные эффекты), имеет вид:
P=sqrt(l·r)/D
где l - длина волны;
r - расстояние от точки наблюдения до объекта;
D - характерный размер объекта.
Даже при относительно небольшой величине D для среднего и высокочастотного диапазонов УЗ параметр Р невелик. Таким образом, попадая на крупные препятствия, дефекты или неоднородности среды УЗ - луч испытывает регулярные отражение и преломление. При попадании УЗ луча на малые препятствия возникает рассеянная волна, что позволяет обнаружить в среде весьма малые неоднородности - порядка 0.1 и 0.01 мм. Эта особенность УЗ нашла широкое применение в УЗ-диагностике и дефектоскопии.
Отражение и рассеяние УЗ на неоднородностях среды позволяют формировать в оптически непрозрачных средах акустические изображения предметов с использованием УЗ фокусирующих систем подобно тому, как это делается с помощью световых лучей. Для фокусировки УЗ применяют акустические линзы, рефлекторы, излучатели вогнутой формы; размеры этих устройств должны быть много больше длины волны. Фокусировка УЗ позволяет не только получать звуковые изображения в системах звуковидения и акустической голографии, но и концентрировать звуковую энергию для создания в среде высокой интенсивности звука, что находит практическое применение во многих технических системах и технологических процессах (см. "Примеры использования в технике").
Важной особенностью УЗ является возможность получения высокой интенсивности при относительно небольших амплитудах колебательного смещения, так как при данной амплитуде интенсивность пропорциональна квадрату частоты. Соответственно с частотой возрастает и роль нелинейных эффектов в УЗ-вом поле большой интенсивности. В частности, могут развиваться акустические течения, скорость которых мала по сравнению с колебательной скоростью частиц. С увеличением частоты возрастает радиационное давление, величина которого пропорциональна интенсивности УЗ. На тела, находящиеся в УЗ-вом поле большой интенсивности действуют пондеромоторные силы акустического и гидродинамического происхождения, пропорциональные квадрату колебательной скорости частиц. Важнейшим нелинейным эффектом в УЗ-вом поле является акустическая кавитация. Связанные с ней эффекты оказывают разнообразное влияние на вещество: происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), возникает перемешивание жидкости, снижается ее вязкость, инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Разнообразные практические применения УЗ различных частотных диапазонов представлены в таблице 1.
Реализации эффекта
Техническая реализация эффекта
Для инициирования УЗ в твердой, жидкой или газообразной среде достаточно вывести какую-либо область среды из состояния равновесия - вызвать его упругую деформацию путем электромеханического преобразования электрического сигнала УЗ частоты, или воздействуя на данную область коротким импульсом, спектр которого содержит УЗ -вые компоненты. Источником начального возмущения может быть, например, электроакустический преобразователь любого типа (пьезокерамический, магнитострикционный и т.п.), находящийся в непосредственном контакте со средой или соединенный с ней посредством дополнительных звеньев, склеек и др., рис. 1.
Ультразвук
Рис. 1
Обозначения:
1 - генератор электрического сигнала (а - импульсного, b - гармонического с частотой более 20кГц);
2 - пьезоэлектрический излучатель с собственной частотой более 20 кГц;
3 - среда, в которую излучается УЗ-вой сигнал импульсного (а) или гармонического (b) типа.
Литература
1. Ультразвук / Под ред. И.П. Голяминой.- М.: Советская Энциклопедия, 1979.
2. Ультразвуковые преобразователи / Под ред. Е. Кикучи.- М.: Мир, 1972.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
