Ультразвук

 

 

 

 

 

 

ФГОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет»

                   Институт управления рисками и БЖД в АПК

                                        Кафедра «Физики»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                               Реферат

                         По дисциплине «Биофизика клетки»

                                   На тему «Ультразвук»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                               Выполнил: студент 21  

                         группы

                                                                               Специальности

              «Биоэкология»

                                                                               Калачев Е.В.

                                                                               Проверила: Степовик Л.В.

 

 

 

                                            Оренбург 2012

 

 

 

 

 

                                              Содержание

Введение……………………………………………………………………3

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                Введение. 

 

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.   

 

Ультразвук.

 

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».        

                 

 

                 Cпецифические 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.       

 

 

                    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-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.

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).

 
Поступающий под большим давлением  в камеру воздух выходит через  отверстия обоих дисков. При вращении диска-ротора (3) его отверстия будут  совпадать с отверстиями неподвижного диска-статора (2) 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 достигать десятков кВт. Если в поле излучения мощной сирены поместить вату, то она воспламенится, а стальные стружки нагреваются докрасна.