Слайд 21.1 Природа и свойства УЗ
Ультразвук - периодические механические упругие колебания
с частотой, превышающей верхнюю границу слышимости человеческого уха.
Слышимые звуки
- от 16 до 16∙103Гц,
УЗ колебания - от 16∙103 до 1010 Гц.
Для технических целей используют УЗ колебания от 16 до 1600 кГц.
Слайд 3Среда распространения УЗ - газы, жидкости и твердые тела.
Периодически
изменяющее свои размеры тело создает в окружающей его среде периодические
процессы сжатия и разряжения, вызывающие колебания частиц среды около положения равновесия.
Слайд 4Звуковые волны – это чередующиеся процессы сжатия и разряжения в
среде, распространяющиеся во все стороны.
Различают три основных типа волн:
продольные,
поперечные,
поверхностные.
Если изменение объема тела во времени происходит по гармоническому закону, то и вызываемые им УЗ колебания будут гармоническими.
Слайд 5В этом случае смещение частицы в момент времени
(1)
- амплитуда смещения, м.
Скорость распространения волны
(2)
- длина волны, м
- частота, Гц
Слайд 6 Поверхность, проведенная через частицы, совершающие колебания в одной фазе, называется
волновой поверхностью.
Ультразвуковое поле - пространство, в котором распространяются
УЗ волны.
УЗ поле характеризуется:
колебательной скоростью частиц,
их ускорением,
давлением, распространяющимся в среде,
интенсивностью и др. параметрами.
Слайд 7Скорость колеблющейся частицы
(3)
Максимальное значение скорости
(4)
Ускорение частицы
(5)
Слайд 8Максимальное значение ускорения
(6)
Давление (Н/м2), создаваемое УЗ колебаниями в среде с плотностью
(кг/м3) и скоростью ультразвука (м/с)
(7)
Амплитуда давления
- удельное акустическое сопротивление среды, характеризующее акустические свойства данной среды.
Слайд 9Интенсивностью или силой УЗ колебаний называют мощность, приходящуюся на единицу
поверхности площадки, перпендикулярной направлению распространения звуковых колебаний.
Для синусоидальной бегущей волны
интенсивность ультразвука
(8)
Слайд 10Если вся УЗ энергия проходит окружающую источник колебания поверхность S
(м2), то мощность акустических колебаний
(9)
Среда поглощает часть энергии колебаний, которая переходит в тепловую энергию, а также расходуется на изменение структуры вещества.
Слайд 11Больше всего энергии звуковых волн поглощается в газах, меньше в
жидкостях и еще меньше в твердых телах, в частности в
металлах, кристаллах кварца и др.
При этом поглощение всегда растет с увеличением частоты колебаний.
Интенсивность и характер проявления эффектов ультразвука зависят от частоты и интенсивности колебаний, а также от свойств самих сред.
Слайд 121.2. Действия и характерные проявления УЗ колебаний
Эффекты ультразвуковых колебаний
проявляются в действиях:
- механических,
- акустических,
- термических,
- биологических.
Слайд 13Механическое действие
Механические проявления бывают в разнообразных формах вследствие появления в
газообразных и жидких средах переменного давления и переменного потока, кавитации
и поверхностного трения. В технологических процессах используют, главным образом, механические проявления ультразвука при высокой его интенсивности (более 103 Вт/м2).
Слайд 14Акустическое действие
Акустические проявления состоят в том, что ультразвук распространяется, частично
или полностью поглощается, отражается (на границах раздела фаз) в соответствии
с законами акустики. Эти свойства ультразвука используют в измерительной технике и дефектоскопии, применяя слабые интенсивности колебаний (10-2… 102 Вт/м2).
Слайд 15Термическое действие
Термические проявления — это следствие поверхностного трения в граничных
поверхностях и поглощения ультразвуковых колебаний в средах. Среда, в которой
происходит распространение колебаний, поглощает часть энергии колебаний, которая переходит в тепловую и нагревает среду, а также расходуется на изменение структуры вещества.
Слайд 16Биологическое действие
Биологические эффекты связаны с изменениями в протекании биологических процессов
в клетках организмов, возникающими под действием ультразвуковых колебаний. При высокой
интенсивности ультразвука это может привести к необратимым повреждениям и даже отмиранию тканей.
Слайд 171.3. Характерные явления в средах.
Кавитация
Это процесс образования полостей и пузырьков
в ультразвуковом поле жидкости во время фазы разряжения и их
захлопывания во время фазы сжатия, сопровождающейся возникновением местных больших мгновенных давлений, приводящих к механическим разрушениям поверхности твердого тела вблизи мест захлопывания.
Слайд 18Интенсивность кавитационных явлений зависит главным образом от интенсивности ультразвука, температуры
среды, внешнего давления, свойств среды и других факторов.
Значения интенсивности ультразвука,
при которой возникает кавитация, в зависимости от частоты УЗ колебаний:
Частота, кГц 20 200 500 3000
Интенсивность 1 10 200 50 000
УЗ, Вт/см2
Слайд 19Диспергирование
Диспергирование заключается в мелком дроблении вещества и перемешивании его с
другими.
Под действием ультразвука между взвешенными твердыми частицами и колеблющимися
частицами жидкости возникают силы трения, которые также могут оказаться достаточными для размельчения твердых частиц.
Слайд 20Диспергирование при помощи УЗ колебаний позволяет получить устойчивые эмульсии.
Металлы
и другие вещества могут быть диспергированы в жидкостях или расплавах.
На этом явлении основаны многие технологические процессы - ультразвуковая пайка, ультразвуковая очистка, обработка твердых хрупких материалов и др.
Слайд 21Разделение частиц
Разделение частиц в неоднородных суспензиях возможно на основании того,
что в УЗ поле переменное движение частиц, обладающих неодинаковой массой,
различно и зависит от частоты колебательного процесса. С увеличением частоты колеблются только наиболее мелкие частицы, а относительно крупные совершают движения по сложным траекториям.
Слайд 22Коагуляция
Коагуляция заключается в образовании из мелких частиц более крупных.
Под воздействием
ультразвука и гидродинамических сил притяжения частицы соударяются и укрупняются, а
затем осаждаются.
Это явление используют при очистке дымовых газов. Вследствие поглощения ультразвука частицами коагуляция проводится на низких частотах.
Слайд 23Дегазация
Дегазация состоит в укрупнении мелких пузырьков газа, которые образуются под
действием кавитации и вследствие колебания и движения сталкиваются, объединяются и
образуют пузырьки больших размеров, которые всплывают.
Слайд 24Звуковое давление
Звуковое давление представляет собой чередование сжатий и разряжений, причем
амплитуда сжатия равна амплитуде разряжения. На препятствие, находящееся в поле
звуковой волны, звуковое давление действует таким образом, что создает на поверхности этого препятствия силу, меняющую свой знак в соответствии с частотой колебаний звуковой волны.
Слайд 25Радиационное давление
Радиационное давление существует наряду со звуковым и выражается в
том, что поверхность препятствия испытывает постоянное по силе и знаку
давление, стремящееся сдвинуть это препятствие по направлению распространения волны.
Слайд 26Звуковой ветер
Звуковой ветер представляет собой постоянное движение частиц среды в
виде постоянного потока в направлении распространения волны.
Это перемещение проявляется в
виде сильных течений, приводящих к интенсивному перемешиванию жидкостей под действием ультразвуков.
Слайд 27Фонтанирование жидкости
Фонтанирование жидкости возникает на поверхности жидкости под действием звукового
ветра при определенных интенсивностях ультразвука.
С увеличением интенсивности УЗ колебаний
увеличивается число одновременно вырывающихся с поверхности капель и они сливаются в один общий фонтан.
Слайд 28
2. УСТРОЙСТВО УЗ УСТАНОВОК
2.1. Основные элементы УЗ установок
Слайд 29Источники питания
Источники питания (ультразвуковые генераторы) - это устройства, предназначенные для
преобразования электрической энергии переменного тока промышленной частоты в энергию тока
высокой частоты, равной частоте ультразвука.
Слайд 30УЗ генераторы: машинные, ламповые и полупроводниковые (транзисторные и тиристорные).
Принципиальные электрические
схемы УЗ генераторов подобны схемам ВЧ установок для индукционного и
диэлектрического нагрева. Ультразвуковые преобразователи более просты. В них применяют независимое возбуждение. Если в качестве преобразователя используют магнитострикционный, то создают цепочку для тока подмагничивания.
Слайд 31 Генераторы с независимым возбуждением многокаскадны.
Генератор малой мощности с самовозбуждением
вырабатывает электрические колебания ультразвуковой частоты, обеспечивая заданную форму тока и
напряжения. Последующие каскады усиливают сигнал до необходимой мощности. Основное преимущество таких схем - возможность широкого и плавного регулирования частоты.
Слайд 32Преобразователи
Преобразователи - источники ультразвуковых волн - могут быть механическими и
электроакустическими. Механические (свистки, сирены и др.) преобразуют скорость и давление
потока газа или жидкости в ультразвуковые колебания. Они просты по устройству, надежны, однако мощность и частота колебаний низки. Более распространены электроакустические преобразователи на основе магнитострикционного и пьезоэлектрического эффектов.
Слайд 33Акустические трансформаторы
Акустические трансформаторы - волноводы и концентраторы - служат для
ввода ультразвуковых колебаний в ту зону, где обрабатывают материал, а
также для согласования параметров преобразователя с нагрузкой.
Слайд 342.2.Принципы генерирования УЗ
1. Пьезоэлектрические преобразователи Работа основана на использовании обратного
пьезоэлектрического эффекта, и состоит в том, что при внесении кристаллов
некоторых материалов в переменное электрическое поле так, чтобы силовые линии совпадали с пьезометрической осью кристалла, последний будет сжиматься или растягиваться, т.е. изменит свои геометрические размеры.
Слайд 36 В качестве пьезоэлектрических материалов используют кварц, титанат-цирконат свинца, титанат бария.
С увеличением температуры эффект ослабевает и при 573 оС исчезает.
Пьезоэлектрические
преобразователи чаще всего имеют форму стержней или пластинок. Они работают в узком диапазоне частот вблизи резонанса их механической системы.
Слайд 37Пакетный пьезокерамический преобразователь
1 - пьезокерамические пластины;
2 и 4 - отражающая
и излучающая накладки;
3 - токоподвод;
5 - стягивающий болт;
6 - волновод-инструмент
Слайд 38Оптимальная частота преобразователя, Гц,
К - постоянная излучателя, равная для кварца, сегнетовой соли и титаната бария соответственно 2280,1540 и 2200 Гц∙м;
d- толщина пьезопластинки, м.
Слайд 39Интенсивность ультразвуковых колебаний, Вт/м2,
Кп - коэффициент, учитывающий свойства пьезоэлектрического излучателя, равный для кварца, сегнетовой соли и титаната бария соответственно 1,44∙10-8, 5,4∙10-6 и 1,44∙10-4 Вт∙Н∙с3/(В2 ∙м5);
U - напряжение возбуждения, В;
ρc - акустическое сопротивление среды, Н∙с/м3 .
Слайд 40Мощность, потребляемая излучателем для возбуждения акустических колебаний, Вт,
где S - площадь поверхности, излучающая акустические колебания, м2;
ηa - электроакустический КПД, равный для излучателей из кварца 0,6...0,8, из титаната бария 0,5...0,7.
Слайд 41Мощность пьезокерамических преобразователей ограничена значениями допустимой напряженности электрического поля и
механической прочности.
Напряжение питания 50...400 В для пьезокерамики и 2...20 кВ
для кварца, интенсивность ультразвука 100 кВт/м2, КПД 40...70 %,
рабочие частоты 40...16 000 кГц.
Слайд 422. Магнитострикционные преобразователи
Прямой магнитострикционный эффект - изменение размеров (деформация ферромагнетика)
при изменении окружающего магнитного поля - положен в основу работы
магнитострикционных преобразователей, или магнитострикторов.
Выполняют их в виде замкнутых двух- и многостержневых магнитопроводов из пластин никеля, железа, кобальта или сплавов пермендюр и альфер.
Слайд 43~U
L
ΔL ΔL
Относительное удлинение ΔL/L=10-5…10-6
Слайд 44Мощность магнитострикционных преобразователей выше, чем пьезоэлектрических, но они более инерционные.
Чаще их используют на частоте 18…100 кГц при напряжении питания
200…400 В.
Слайд 45Для увеличения степени удлинения преобразователя помимо обмотки возбуждения (2) выполняют
обмотку подмагничивания (1), благодаря которой рабочая точка кривой ΔL (Н)
смещается на участок наибольшего изменения длины преобразователя ΔL.
≈
≈
4
5
1
3
2
3
1
≈
≈
Слайд 46Для ферромагнетиков отношение
для ферритов
В технике чаще используют альфер (железоалюминиевые
сплавы Ю-10, Ю-12, Ю-14) и пермендюр (железокобальтовые сплавы У49Ф2 и
К50Ф2).
Слайд 47Магнитострикционный преобразователь типа ПСМ
Слайд 48График изменения магнитострикционной деформации
без подмагничивания и с подмагничиванием
Слайд 49Расчет магнитострикционного преобразователя
1. Выбирают удельную излучающую мощность в зависимости от
материала, Вт/м2: для никеля 50∙104 , альфера (30...35)∙104, пермендюра (70...75)∙104
.
2. В зависимости от вида технологического процесса по рекомендуемой интенсивности I ультразвука определяют частоту f, с-1, и амплитуду B, м, колебаний:
где za- акустическое сопротивление передающей среды, Па∙с/м.
Слайд 503. Находят мощность, подводимую к преобразователю, Вт,
где Su - излучающая
поверхность преобразователя, м2; ηa = 0,4...0,8 - электроакустический КПД излучателя.
4. Выбирают
напряжение Uв питания обмотки возбуждения, которое лежит в пределах
200...400 В.
Слайд 515. Рассчитывают силу тока обмотки возбуждения, А,
где сosφ = 0,5...0,7 - коэффициент мощности преобразователя.
6. Определяют число витков обмотки
где Bc - магнитная индукция, которую находят по кривой намагничивания материала в зоне, близкой к насыщению, Тл;
Sc- площадь поперечного сечения стержня, м2.
Слайд 527. Вычисляют силу тока подмагничивания, А,
где H0 - напряженность магнитного поля подмагничивания, определяемая по кривой
при желаемой амплитуде колебаний и с учетом рекомендаций по выбору рабочей точки (см. рис.), А/м;
lм - длина пути магнитного потока, м.
Слайд 538. Рассчитывают суммарную силу тока в обмотке, А,
и площадь сечения провода обмотки, м2,
где jдоп - допустимая плотность тока в проводе с учетом условий укладки и охлаждения обмотки преобразователя, А/м2 .
Слайд 54Промышленность выпускает магнитострикционные преобразователи типа ПМС мощностью 0,4...4 кВт при
частоте 18...44 кГц; типа ПМ мощностью 1,6...4 кВт при частоте
18 кГц; типов МЭ, ЦМС и ПП мощностью 63...1600 Вт; ферритовые типов УЗДМ, 2С-25 и 2С-44 мощностью 25...630 Вт. Интенсивность ультразвука таких преобразователей достигает сотен кВт/м2, КПД 50...65 %.
Слайд 55Акустические трансформаторы
Акустические трансформаторы представляют собой стержни разнообразной формы, выбираемой с
учетом назначения и нагрузки. Они должны иметь малый коэффициент потерь,
высокую прочность, коррозионную кавитационную химическую стойкость. Длину стержня рассчитывают таким образом, чтобы на ней могло "уложиться" целое нечетное число полуволн.
Слайд 56Концентратор
Концентратор представляет собой акустический волновод, служащий для увеличения амплитуды получаемых
в преобразователе колебаний.
Конструктивно их выполняют в виде стержней с
переменной площадью сечения, благодаря чему амплитуда ультразвуковых колебаний усиливается в 10...15 раз.
Слайд 57Формы концентратора
экспоненциальная, коническая, ступенчатая.
Наиболее эффективный экспоненциальный, но он сложен в
расчетах. Поэтому наиболее распространены конические и ступенчатые.
Слайд 583. ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА
Слабые ультразвуковые колебания применяют в измерительной технике и
дефектоскопии. Ультразвук может распространяться узким пучком и отражаться от границы
раздела фаз, что дает возможность определять толщину заготовок, сред, глубину залегания дефектов (эхолот), измерять толщину сального покрова у свиней и пр.
Слайд 59 Скорость распространения УЗ в разных средах неодинакова. Это свойство используют
при измерении плотности веществ и его состава (жирности молока, содержания
белка и т. д.).
Средние УЗ колебания (удельная мощность 1...12 кВт/м2 ) используют для отпугивания грызунов, профилактики и терапии глаз, лечения костных повреждений, фурункулеза. Выпускают аппараты УРСК-7Н, УТС-1, ВУТ-1 и др.
Слайд 60Мощные УЗ колебания применяют для очистки и мойки деталей, их
пайки, сварки, размерной обработки, интенсификации технологических процессов и др.
УЗ пайка
и сварка
Применяют частоту 18…23 кГц
Интенсивность УЗ (0,25..1)106 Вт/м2.
Слайд 62 УЗ-сварка применима к легко окисляемым металлам и сплавам. Соединяемые изделия
прижимают небольшим участком и под действием преобразователя они приводятся в
колебательные движения друг относительно друга с частотой ультразвука.
Слайд 63 УЗ мойка деталей
В основе мойки деталей в УЗ поле лежит
явление кавитации, гидродинамический и другие эффекты, благодаря которым, преодолевают силы,
удерживающие загрязнения на поверхности. Для очистки детали погружают в ванну с моющей жидкостью, в которой возбуждают УЗ колебания.
Трудоемкость снижается в 2…10 раз, уменьшается расход химикатов, повышается качество.
Слайд 64 Для очистки простых по форме деталей применяют частоты 20…25 кГц,
сложных и мелких – 200…1600 кГц. Интенсивность УЗ (5…10)104 Вт/м2.
В среднем для очистки на 1 м3 жидкости требуется около 10 кВт УЗ энергии. Жидкость для очистки: кальцинированная сода, жидкое стекло. Температура раствора 60…80 0С. После очистки промывают в холодной воде.
Слайд 65Схемы очистки:
мелкие детали – в металлических корзинах
Слайд 66 крупные детали – конвейерные установки
Слайд 67УЗ обработка с/х продуктов
Пастеризация молока. В основе бактерицидного действия ультразвука
лежит механическое воздействие на клетки, вызывающие их раздробление (в зоне
кавитации).
Гомогенизация молока – раздробление под действием ультразвука жировых шариков. В таком состоянии молоко не отстаивается, лучше усваивается и сохраняется. Применяют в качестве специального детского питания.
Слайд 68Обработка семян. Обработанные семена быстрее прорастают, ускоряется рост, повышается всхожесть
и урожайность (редиса и салата увеличивается до 40…42 %). Применяемая
частота 760 кГц.
Ультразвуковая стерилизация почвы. Уничтожение вредителей с/х растений в почве УЗ полем дешевле, процесс менее трудоемок, чем обработка ядохимикатами, не дает побочных последствий.
Слайд 70Смешивание несмешивающихся жидкостей
(приготовление эмульсий, смешивание бензина, нефти, рыбьего жира
с водой).
Мельчайшие шарики воды (30 %) в нефти мгновенно нагреваются
и разрываются, превращаясь в пар. При этом они разбивают нефть на мелкие частицы, которые сгорают быстрее и полнее, а выход токсичных отработавших газов снижается.
Аналогично смешивается рыбий жир с водой для выпойки животным и птице
Слайд 71Другие применения ультразвука
очистка дымовых газов, основанная на коагуляции твердых частиц
в газах;
очистка котлов от накипи;
сверление и резание твердых материалов;
дегазация жидкостей
диспергирование
– мелкое дробление материалов и перемешивание их с другими
