Алена А. Новик
ООО «Ультразвуковая техника – ИНЛАБ»
т. (812) 329-4961, факс 329-4962
E-mail: inlab@mail.wplus.net
Введение в ультразвуковую технику и технологию.
1. Звуковая волна
Если в сплошной среде – газах, жидкостях или твердых телах частица среды окажется выведенной из положения равновесия, то упругие силы, действующие на нее со стороны других частиц, будут возвращать ее в положение равновесия, и частица будет совершать колебательное движение. Процесс распространения в сплошной среде упругих колебаний звуковой частоты образует звуковую волну.
Звуковые колебания относятся к разряду упругих механических колебаний. Колебания с частотой от единиц Гц до 20 Гц называются инфразвуковыми, при частоте от 20 Гц до 20 кГц колебания создают слышимые звуки, ультразвуковые колебания соответствуют частотам от 20 кГц до 108 Гц, а колебания с частотой более 108 Гц получили название гиперзвуков. На рис. 1 показана логарифмическая шкала частот, выполненная на основе выражения lg2f = 1, 2, 3 …, n, где 1, 2, 3 …, n – номера октав.
Рис. 1
Физическая природа звуков одинакова во всем диапазоне частот. Однако, в среде, где распространяются ультразвуковые колебания, в зависимости от их частоты, интенсивности и других факторов возникают специфические эффекты. Эти эффекты и используются в технологических процессах.
Форма звуковой волны - это форма волнового фронта, т.е. совокупности точек, обладающих одинаковой фазой. Колебания плоскости создают плоскую звуковую волну, если излучателем служит цилиндр, периодически сжимающийся и расширяющийся по направлению своего радиуса, то возникает цилиндрическая волна. Точечный излучатель, или пульсирующий шарик, размеры которого малы по сравнению с длиной излучаемой волны, воздает сферическую волну.
Звуковые волны различаются по своему типу: они могут быть продольными, поперечными, изгибными, крутильными – в зависимости от условий возбуждения. В жидкостях и газах распространяются только продольные волны, в твердых телах могут возникать также поперечные и другие названные типы волн. В продольной волне направление колебаний частиц совпадает с направлением распространения волны (рис. 2, а), поперечная волна распространяется перпендикулярно направлению колебаний частиц (рис. 2, б).
а)
б)
Рис. 2. а) Движение частиц среды при распространении продольной волны; б) Движение частиц среды при распространении поперечной волны.
Любая волна, как колебание, распространяющееся во времени и в пространстве, может быть охарактеризована частотой, длиной волны и амплитудой (рис. 3). При этом длина волны ? связана с частотой fчерез скорость распространения волны в данном материале c: ? = c/f.
Рис. 3. Характеристики колебательного процесса
Частота – это количество колебаний, совершаемых системой в единицу времени; длина волны – это расстояние, которое проходит волна за время равное периоду колебаний T (T = 1/f), т. е. за время, затраченное на одно колебание; амплитуда колебаний – это максимальное отклонение колебательной системы от положения равновесия.
2. Характеристики ультразвуковых колебательных систем
Важнейшей характеристикой колебательной системы является ее резонансная частота. В простейшем случае условия резонанса таковы, что на одном из линейных размеров тела укладывается кратное число полуволн. Таким образом, имеется бесконечное множество резонансных частот, каждая и которых отличается своей модой (формой) колебаний тела.
В ультразвуковой технологии явление резонанса имеет особое значение при настройке колебательных систем, разработке оптимальных технологических режимов и т.д. Если частота возбуждающей силы совпадает с собственной частотой колебательной системы, то тело будет постепенно раскачиваться, и амплитуда колебаний будет возрастать. В установившемся режиме при гармоническом возбуждении колебания будут также гармоническими, и частота их совпадает с частотой внешней силы.
Другой характеристикой колебательной системы является ее механический импеданс (или входное сопротивление). В общем виде он может быть определен как отношение силы, действующей в данной точке тела, к колебательной скорости в этой точке. Механический импеданс системы имеет ярко выраженный резонансный характер, минимум импеданса наблюдается на частоте, совпадающей с частотой резонанса системы.
Следующей характеристикой колебательной системы является ее добротность. Она определяет остроту пиков амплитудно-частотной зависимости (рис. 4): чем выше добротность, тем уже резонансный пик; и длительность свободных колебаний системы.
Рис. 4. Вид резонансной кривой в зависимости от добротности системы: добротность уменьшается от Q1 до Q3.
Величина добротности численно равна числу периодов, за которое амплитуда колебаний системы уменьшается в e раз. Для нагруженной системы значение добротности существенно зависит от величины внешней механической нагрузки, падая по мере ее увеличения. По виду кривой амплитудно-частотной зависимости можно приближенно определить добротность, используя выражение Q = fрез/?f, где Q – искомая добротность, fрез – частота резонанса, ?f – диапазон частот, отсекаемый уровнем 0.707 от максимума кривой.
3. Составные части технологической ультразвуковой колебательной системы
Типовая ультразвуковая система включает в себя (рис. 5):
- ультразвуковой генератор;
- электроакустический
преобразователь (магнитострикционный
или пьезоэлектрический);
- волновод-излучатель.
Рис. 5. Составные части типовой технологической УЗ системы
В некоторых случаях система может состоять только из генератора и электроакустического преобразователя, иногда она может содержать дополнительные акустические звенья, предназначенные для увеличения амплитуды ультразвуковых колебаний на торце волновода-излучателя, т. н. бустеры. Конструкция волновода зависит от конкретного применения ультразвуковой системы.
Генератор формирует переменный сигнал, который, вследствие проявления одного из указанных физических эффектов – магнитострикционного или пьезоэлектрического, вызывает механические колебания преобразователя, который, в свою очередь, передает их волноводу-излучателю. Ультразвуковая система работает на частоте механического резонанса акустики (преобразователь + волновод). Существует ряд ультразвуковых частот, разрешенных к промышленному применению: 22 кГц ±10%, 44 кГц±10% и т. д., соответствующие частоты и используются в ультразвуковых технологических установках.
- Б. А. Агранат, В. И. Башкиров, Ю. И. Китайгородский, Н. Н. Хавский. Ультразвуковая технология. М., «Металлургия», 1974. 504 с. cил.