מהו אולטרסאונד וכיצד משתמשים בו בתעשייה?

אולטרסאונד נקרא גלים אלסטיים (גלים המתפשטים במדיה נוזלית, מוצקה וגזי עקב פעולת כוחות אלסטיים), שתדירותם נמצאת מחוץ לתחום הנשמע לבני אדם - מכ-20 קילו-הרץ ויותר.

בתחילה, צלילים קוליים וקוליים היו מובחנים רק על בסיס תפיסה או אי-תפיסה על ידי האוזן האנושית. סף השמיעה של אנשים שונים משתנה בין 7 ל-25 קילו-הרץ, ונקבע כי אדם תופס אולטרסאונד בתדר של 30 - 40 קילו-הרץ באמצעות מנגנון הולכת עצם. לכן, הגבול התחתון של תדירות האולטרסאונד מקובל באופן קונבנציונלי.

הגבול העליון של תדר האולטרסאונד משתרע לתדרים 1013 - 1014 הרץ, כלומר. עד לתדרים שבהם אורך הגל הופך להיות דומה למרחקים הבין מולקולריים במוצקים ובנוזלים. בגזים, גבול זה ממוקם מתחת ונקבע על ידי הנתיב החופשי של המולקולה.

פונקציות שימושיות של גלים קוליים

ולמרות שמבחינה פיזית לאולטרסאונד יש אותו אופי של צליל נשמע, שונה רק בתנאי (תדר גבוה יותר), בדיוק בגלל התדר הגבוה יותר, האולטרסאונד ישים במספר כיוונים שימושיים.

אז, כאשר מודדים את מהירות האולטרסאונד בחומר מוצק, נוזלי או גזי, מתקבלות שגיאות קלות מאוד בעת התבוננות בתהליכים מהירים, בעת קביעת החום הספציפי (גז), בעת מדידת הקבועים האלסטיים של מוצקים.

תדר גבוה באמפליטודות נמוכות מאפשר להשיג צפיפות מוגברת של זרימות אנרגיה, שכן האנרגיה של גל אלסטי פרופורציונלית לריבוע התדר שלו. בנוסף, גלים קוליים, בשימוש נכון, יכולים לייצר מספר אפקטים ותופעות אקוסטיות מיוחדות מאוד.

אחת התופעות החריגות הללו היא קוויטציה אקוסטית, המתרחשת כאשר גל אולטרסאונד חזק מופנה לתוך נוזל. בנוזל, באזור הפעולה האולטראסונית, מתחילות לצמוח בועות קטנות של אדים או גז (בגודל תת-מיקרוסקופי) לקוטר של שברירי מילימטר, פועמות בתדירות הגל וקורסות בשלב הלחץ החיובי.

הבועה הקורסת מייצרת באופן מקומי דופק בלחץ גבוה הנמדד באלפי אטמוספרות, והופכת למקור של גלי הלם כדוריים. זרימות מיקרו אקוסטיות שנוצרו ליד בועות פועמות כאלה היו שימושיות להכנת אמולסיות, ניקוי חלקים וכו'.

על ידי מיקוד אולטרסאונד מתקבלות תמונות קול במערכות הולוגרפיה אקוסטית וראיית קול, ואנרגיית הקול מתרכזת ליצירת קרן כיוונית בעלת מאפייני כיווניות מוגדרים ומבוקרים.

שימוש בגל קולי כסורג עקיפה לאור, ניתן לשנות את מדדי השבירה של האור למטרות שונות, שכן הצפיפות בגל קולי, כמו בגל אלסטי, משתנה בדרך כלל מעת לעת.

לבסוף, המאפיינים הקשורים למהירות ההתפשטות של אולטרסאונד. במדיה אנאורגנית, אולטרסאונד מתפשט במהירות שתלויה בגמישות ובצפיפות המדיום.

לגבי מדיה אורגנית, כאן המהירות מושפעת מהגבולות ומהטבע שלהם, כלומר, מהירות הפאזה תלויה בתדירות (פיזור) אולטרסאונד דועך עם המרחק של חזית הגל מהמקור - החזית מתפצלת, האולטרסאונד. מפוזר, נספג.

החיכוך הפנימי של המדיום (צמיגות גזירה) מוביל לספיגה הקלאסית של אולטרסאונד, יתרה מכך ספיגת ההרפיה עבור אולטרסאונד עדיפה על זו הקלאסית. בגז האולטרסאונד נחלש חזק יותר, במוצקים ובנוזלים הוא חלש הרבה יותר. במים, למשל, הוא מתפרק פי 1000 לאט יותר מאשר באוויר. לפיכך, היישומים התעשייתיים של אולטרסאונד קשורים כמעט לחלוטין למוצקים ולנוזלים.

השימוש באולטרסאונד

השימוש באולטרסאונד מתפתח בכיוונים הבאים:

• טכנולוגיית אולטרסאונד, המאפשרת הפקת השפעות בלתי הפיכות על חומר נתון ועל מהלך תהליכים פיזיקו-כימיים באמצעות אולטרסאונד בעוצמה של יחידות של W/cm2 עד מאות אלפי W/cm2;
• בקרה קולית המבוססת על תלות הקליטה ומהירות האולטרסאונד במצב המדיום שדרכו הוא מתפשט;
• שיטות מיקום אולטרסאונד, קווי השהיית אותות, אבחון רפואי וכו', המבוססות על יכולת התפשטותן של רעידות אולטרסאוניות בתדרים גבוהים יותר בקרני ישר (קרניים), לעקוב אחר חוקי האקוסטיקה הגיאומטרית ובמקביל להתפשט במהירות נמוכה יחסית.

אולטרסאונד ממלא תפקיד מיוחד בחקר המבנה והמאפיינים של חומר, שכן בעזרתם קל יחסית לקבוע את המאפיינים המגוונים ביותר של סביבות חומר, כגון קבועים אלסטיים ויסקו אלסטיים, מאפיינים תרמודינמיים, צורות של משטחי פרמי, נקעים, פגמים בסריג קריסטל וכו'. הענף הרלוונטי של חקר האולטרסאונד נקרא אקוסטיקה מולקולרית.

אולטרסאונד בבדיקת אקו וסונאר (מזון, הגנה, כרייה)

אב הטיפוס הראשון של סונאר נוצר כדי למנוע התנגשויות של ספינות עם גושי קרח וגרגירי קרח על ידי המהנדס הרוסי שילובסקי יחד עם הפיזיקאי הצרפתי לנגווין ב-1912.

המכשיר משתמש בעיקרון של השתקפות וקליטה של ​​גלי קול. האות היה מכוון לנקודה מסוימת, ועל ידי השהיית אות התגובה (הד), בידיעת מהירות הקול, ניתן היה להעריך את המרחק למכשול המשקף את הקול.

שילובסקי ולנגווין החלו במחקר מעמיק של הידרואקוסטיקה ועד מהרה יצרו מכשיר המסוגל לזהות צוללות אויב בים התיכון במרחק של עד 2 קילומטרים. כל הסונרים המודרניים, כולל אלה הצבאיים, הם צאצאים של המכשיר הזה.

קולות הד מודרניים ללימוד התבליט התחתון מורכבים מארבעה בלוקים: משדר, מקלט, מתמר ומסך.תפקידו של המשדר הוא לשלוח פולסים קוליים (50 קילו-הרץ, 192 קילו-הרץ או 200 קילו-הרץ) לעומק המים, המתפשטים במים במהירות של 1.5 קמ"ש, שם הם משתקפים בדגים, אבנים, חפצים אחרים. ולמטה, לאחר שהד זה מגיע למקלט, מעבד ממיר והתוצאה מוצגת בתצוגה בצורה נוחה לתפיסה חזותית.

אולטרסאונד בתעשיית האלקטרוניקה והחשמל

תחומים רבים של הפיזיקה המודרנית לא יכולים להסתדר בלי אולטרסאונד. הפיזיקה של מוצקים ומוליכים למחצה, כמו גם אקוסטיאלקטרוניקה, קשורות במובנים רבים לשיטות מחקר אולטרסאונד - עם אפקטים בתדר של 20 קילו-הרץ ומעלה. מקום מיוחד כאן תופס על ידי אקוסטיאלקטרוניקה, שבה גלים קוליים מקיימים אינטראקציה עם שדות חשמליים ואלקטרונים בתוך גופים מוצקים.

גלים קוליים נפחיים משמשים בקווי השהייה ובמהודי קוורץ לייצוב התדר במערכות אלקטרוניות מודרניות לעיבוד והעברת מידע.גלים אקוסטיים פני השטח תופסים מקום מיוחד במסנני פס פס לטלוויזיה, בסינתיסייזרים תדרים, במכשירים להעברת גלים אקוסטיים, במכשירי זיכרון וקריאת תמונות. לבסוף, מתאמים וקונבולורים משתמשים באפקט האקוסטיאלקטרי הרוחבי בפעולתם.

רדיו-אלקטרוניקה ואולטרסאונד

קווי השהיה אולטראסוניים שימושיים לעיכוב אות חשמלי אחד ביחס לאחר.פולס חשמלי מומר לרטט מכני פועם בתדר קולי, המתפשט לאט פי כמה מפולס אלקטרומגנטי; הרטט המכני מומר בחזרה לפולס חשמלי ומופק אות שמתעכב ביחס לקלט המקורי.

להמרה כזו, בדרך כלל משתמשים במתמרים פיזואלקטריים או מגנטוסטריקטיבים, וזו הסיבה שקווי השהיה נקראים גם פיזואלקטריים או מגנטוסטריקטיבים.

בקו השהייה פיזואלקטרי, אות חשמלי מופעל על לוחית קוורץ (מתמר פיזואלקטרי) המחוברת בקשיחות למוט מתכת.

מתמר פיזואלקטרי שני מחובר לקצה השני של המוט. מתמר הכניסה קולט את האות, מייצר רעידות מכניות שמתפשטות לאורך המוט, וכשהרעידות מגיעות אל המתמר השני דרך המוט, נוצר שוב אות חשמלי.

מהירות ההתפשטות של רעידות לאורך המוט קטנה בהרבה מזו של אות חשמלי, לכן האות העובר דרך המוט מתעכב ביחס לקלט בכמות הקשורה להפרש במהירויות של רעידות אלקטרומגנטיות ואולטרסוניות.

קו ההשהיה המגנטוסטריקטי יכיל את מתמר הקלט, מגנטים, חוט קול, מתמר פלט ובולמים. אות הכניסה מופעל על הסליל הראשון, תנודות תדר אולטרסאונד - תנודות מכניות - מתחילים במוליך האקוסטי של המוט העשוי מחומר מגנטוסטריקטי - המגנט יוצר כאן מגנטיזציה קבועה באזור הטרנספורמציה ואינדוקציה מגנטית ראשונית.

במוט, רעידות מתפשטות במהירות של 5000 מ' לשנייה, למשל, עבור אורך מוט של 40 ס"מ, ההשהיה תהיה 80 מיקרון. מחלשים בשני קצוות המוט מונעים השתקפויות לא רצויות של אותות. הפרעות מגנטוסטריקטיביות יגרמו לשינוי באינדוקציה בפיתול השני (ממיר פלט) EMF.

אולטרסאונד בתעשיית הייצור (חיתוך וריתוך)

חומר שוחק (חול קוורץ, יהלום, אבן וכו') מונח בין מקור האולטרסאונד לחומר העבודה. אולטרסאונד פועל על חלקיקים שוחקים, אשר בתורם פוגעים בחלק בתדירות של אולטרסאונד. החומר של חומר העבודה בהשפעת מספר עצום של מכות קטנות מגרעינים שוחקים נהרס - כך מתבצע העיבוד.

חיתוך מתווסף עם תנועת ההזנה, בעוד תנודות חיתוך אורכיות הן העיקריות. דיוק הטיפול האולטראסוני תלוי בגודל הגרגירים של החומר השוחק ומגיע ל-1 מיקרון. בדרך זו מתבצעים חיתוכים מורכבים, הנחוצים בייצור חלקי מתכת, השחזה, חריטה וקידוח.

אם יש צורך לרתך מתכות שונות (או אפילו פולימרים) או לשלב חלק עבה עם פלטה דקה, אולטרסאונד שוב בא לעזרה. זה מה שנקרא ריתוך קולי קר... בהשפעת אולטרסאונד באזור הריתוך, המתכת הופכת לפלסטיק מאוד, החלקים יכולים להסתובב בקלות רבה במהלך ההצטרפות בכל זווית. וכדאי לכבות את האולטרסאונד - החלקים יתחברו מיד, יתפוס.

בולט במיוחד שהריתוך מתבצע בטמפרטורה מתחת לנקודת ההיתוך של החלקים, והחיבור שלהם מתבצע למעשה במצב מוצק, אבל פלדות, טיטניום ואפילו מוליבדן מרותכים בצורה זו. יריעות דקות הן הקלות ביותר לרתך. שיטה זו של ריתוך אינה מרמזת על הכנה מיוחדת של פני החלקים, זה חל גם על מתכות ופולימרים.

בדיקות אולטרסאונד משמשות לאיתור פגמים מסוג שטוח במתכת במהלך הריתוך (סדקים, חוסר חדירה, חוסר הידבקות). שיטה זו יעילה מאוד עבור פלדות דגנים.

אולטרסאונד במטלורגיה (זיהוי פגמים אולטרסאונדים)

איתור פגמים על-קולי - איתור פגמים על סמך שינוי תנאי ההתפשטות של רעידות אלסטיות, בעיקר קוליות.

זיהוי פגמים על-קוליים היא אחת השיטות היעילות ביותר לבקרת איכות לא הרסנית של חלקי מתכת.

במדיום הומוגני, אולטרסאונד מתפשט בכיוון ללא הנחתה מהירה, והשתקפות אופיינית לו בגבול המדיום. אז חלקי מתכת נבדקים לאיתור חללים וסדקים בתוכם (ממשק אוויר למתכת) ומתגלה עייפות מתכת מוגברת.

אולטרסאונד יכול לחדור לחלק בעומק של 10 מטרים, וגודל הפגמים שהתגלו הוא בסדר גודל של 5 מ"מ. ישנן: צל, דופק, תהודה, ניתוח מבני, הדמיה, - חמש שיטות לזיהוי פגמים קוליים.

השיטה הפשוטה ביותר היא זיהוי פגמי צל על-קולי, שיטה זו מתבססת על הנחתה של גל על-קולי כאשר הוא נתקל בפגם במעבר דרך חלק, שכן הפגם יוצר צל על-קולי.שני ממירים עובדים: הראשון פולט גל, השני קולט אותו.

שיטה זו אינה רגישה, פגם מתגלה רק אם השפעתו משנה את האות ב-15% לפחות, בנוסף, אי אפשר לקבוע את העומק שבו נמצא הפגם בחלק. תוצאות מדויקות יותר מתקבלות בשיטת אולטרסאונד דופק, היא גם מראה את העומק.

עבור פליטת וקבלה נעשה שימוש בתנודות אלסטיות מתמרים פיזואלקטריים, ובטווח של סאונד ותדרים קוליים נמוכים - מתמרים מגנטוסטריקטיבים.

השיטות הבאות משמשות להעברת רעידות אלסטיות מהמתמר למוצר הנשלט ולהיפך:

• ללא מגע;
• מגע יבש (בעיקר עבור תדרים נמוכים);
• מגע עם חומר סיכה (לפני הבדיקה, שכבת שמן או מים בעובי הקטן בהרבה מאורך הגל האלסטי מוחלת על פני השטח המעובדים והנקיים של המוצר);
• מגע סילון (דרך זרם של נוזל שזורם ברווח קטן בין האלמנט הפיאזואלקטרי לבין פני המוצר);
• טבילה (המוצר המבוקר טובל באמבט ונוצר מגע באמצעות שכבת נוזל שעוביה חייב להיות לפחות 1/4 מעובי המוצר).

היתרון של טבילה, הזרקת דיו ושיטות ללא מגע הוא חוסר בלאי בראשי החיפוש ואפשרות שימוש במהירויות סריקה גבוהות יותר וכן אפשרות לאוטומציה של הניהול.

ראה גם:

חיתוך אולטרסאונד של מתכות

מתקנים לניקוי חלקים על-קוליים

חיישנים אולטראסוניים למערכות אוטומציה

חיישנים ומכשירי מדידה לקביעת הרכב ותכונות של חומרים