Jaká je frekvence ultrazvuku?

Pokud nějaké těleso kmitá v pružném prostředí rychleji, než ho médium stihne obtéci, jeho pohyb buď médium stlačí nebo zředí. Vrstvy vysokého a nízkého tlaku se rozptylují od kmitajícího tělesa do všech směrů a vytvářejí zvukové vlny. Pokud vibrace těla vytvářející vlnu následují po sobě nejméně 16krát za sekundu, ne častěji než 18 tisíckrát za sekundu, pak je lidské ucho slyší.

Frekvence mezi 16 a 18000 10 Hz, které lidské sluchadlo dokáže vnímat, se obvykle nazývají zvukové frekvence, například pištění komára »100 kHz. Ale vzduch, hlubiny moří a útroby země jsou naplněny zvuky, které leží pod a nad tímto rozsahem – infra a ultrazvuk. V přírodě se ultrazvuk vyskytuje jako součást mnoha přírodních zvuků: ve hluku větru, vodopádech, dešti, mořských oblázcích válených příbojem a v bouřkách. Mnoho savců, jako jsou kočky a psi, má schopnost vnímat ultrazvuk s frekvencí až XNUMX kHz a lokalizační schopnosti netopýrů, nočního hmyzu a mořských živočichů jsou všem dobře známy. Existence neslyšitelných zvuků byla objevena s rozvojem akustiky na konci XNUMX. století. Ve stejné době začaly první studie ultrazvuku, ale základy jeho využití byly položeny až v první třetině XNUMX. století.

Spodní hranice ultrazvukového rozsahu se nazývá elastické vibrace s frekvencí 18 kHz. Horní hranice ultrazvuku je dána povahou elastických vln, které se mohou šířit pouze za podmínky, že vlnová délka je výrazně větší než volná dráha molekul (v plynech) nebo meziatomové vzdálenosti (v kapalinách a plynech). V plynech je horní hranice »106 kHz, v kapalinách a pevných látkách »1010 kHz. Frekvence do 106 kHz se zpravidla nazývají ultrazvuk. Vyšší frekvence se běžně nazývají hyperzvuk.

Ultrazvukové vlny se svou podstatou neliší od vln ve slyšitelném rozsahu a řídí se stejnými fyzikálními zákony. Ale ultrazvuk má specifické vlastnosti, které určily jeho široké použití ve vědě a technice. Zde jsou ty hlavní:

• Krátká vlnová délka. Pro nejnižší ultrazvukový rozsah nepřesahuje vlnová délka u většiny médií několik centimetrů. Krátká vlnová délka určuje paprskovou povahu šíření ultrazvukových vln. V blízkosti zářiče se ultrazvuk šíří ve formě paprsků podobných velikosti jako zářič. Když ultrazvukový paprsek narazí na nehomogenity v médiu, chová se jako světelný paprsek, dochází k odrazu, lomu a rozptylu, což umožňuje vytvářet zvukové obrazy v opticky neprůhledných médiích pomocí čistě optických efektů (zaostření, difrakce atd.)
• Krátká perioda oscilace, která umožňuje emitovat ultrazvuk ve formě pulzů a provádět přesnou časovou volbu šířících se signálů v médiu.
• Možnost získání vysokých hodnot vibrační energie při nízké amplitudě, protože vibrační energie je úměrná druhé mocnině frekvence. To umožňuje vytvářet ultrazvukové paprsky a pole s vysokou úrovní energie, aniž by bylo potřeba velké zařízení.
• V ultrazvukovém poli vznikají významné akustické proudy. Vliv ultrazvuku na životní prostředí proto vyvolává specifické účinky: fyzikální, chemické, biologické a lékařské. Jako je kavitace, sonický kapilární efekt, disperze, emulgace, odplynění, dezinfekce, lokální ohřev a mnoho dalších.
• Ultrazvuk je neslyšitelný a nezpůsobuje nepohodlí pro obsluhující personál.

Historie ultrazvuku. Kdo objevil ultrazvuk?

Pozornost na akustiku byla způsobena potřebami námořnictva předních mocností – Anglie a Francie, protože. akustický je jediný typ signálu, který se může ve vodě dostat daleko. V roce 1826 Francouzský vědec Colladon určuje rychlost zvuku ve vodě. Colladonův experiment je považován za zrod moderní hydroakustiky. Podvodní zvon v Ženevském jezeře byl zasažen se současným zapálením střelného prachu. Záblesk střelného prachu pozoroval Colladon na vzdálenost 10 mil. Slyšel také zvuk zvonu pomocí podvodní sluchové trubice. Změřením časového intervalu mezi těmito dvěma událostmi Colladon vypočítal rychlost zvuku na 1435 m/s. Rozdíl oproti moderním výpočtům je pouze 3 m/s.

V roce 1838 byl v USA poprvé použit zvuk k určení profilu mořského dna za účelem položení telegrafního kabelu. Zdrojem zvuku, stejně jako v Colladonově experimentu, byl zvon znějící pod vodou a přijímačem byly velké naslouchací trubice spuštěné přes bok lodi. Výsledky experimentu byly zklamáním. Zvuk zvonu (jako skutečně exploze nábojnic se střelným prachem ve vodě) vydával příliš slabou ozvěnu, téměř neslyšitelnou mezi ostatními zvuky moře. Bylo nutné přejít do oblasti vyšších frekvencí, umožňujících tvorbu směrovaných zvukových paprsků.

První ultrazvukový generátor vyrobený v roce 1883 Angličanem Francis Galton. Ultrazvuk vznikl jako píšťalka na ostří nože, když na něj fouknete. Roli takového hrotu v Galtonově píšťalce sehrál válec s ostrými hranami. Vzduch nebo jiný plyn vycházející pod tlakem prstencovou tryskou o průměru shodném s okrajem válce nabíhal na okraj a docházelo k vysokofrekvenčním oscilacím. Foukáním na píšťalu vodíkem bylo možné získat oscilace až 170 kHz.

V roce 1880 Pierre a Jacques Curie učinil objev, který byl pro ultrazvukovou technologii rozhodující. Bratři Curieové si všimli, že při působení tlaku na krystaly křemene se generoval elektrický náboj, který byl přímo úměrný síle působící na krystal. Tento jev se nazýval „piezoelektřina“ z řeckého slova, které znamená „lisovat“. Prokázali také inverzní piezoelektrický efekt, ke kterému došlo, když byl na krystal aplikován rychle se měnící elektrický potenciál, což způsobilo jeho vibraci. Od této chvíle je technicky možné vyrábět vysílače a přijímače ultrazvuku malých rozměrů.

Smrt Titaniku při srážce s ledovcem a potřeba bojovat s novými zbraněmi – ponorkami – si vyžádaly rychlý rozvoj ultrazvukové hydroakustiky. V roce 1914 francouzský fyzik Paul Langevin společně s talentovaným ruským emigrantským vědcem Konstantinem Vasiljevičem Šilovským nejprve vyvinuli sonar sestávající z ultrazvukového zářiče a hydrofonu – přijímače ultrazvukových vibrací, založený na piezoelektrickém jevu. Sonar Langevin-Shilovsky, byl první ultrazvukové zařízení, používané v praxi. Ve stejné době ruský vědec S. Ya Sokolov vyvinul základy ultrazvukové detekce defektů v průmyslu. V roce 1937 německý psychiatr Karl Dussick spolu se svým bratrem Friedrichem, fyzikem, poprvé použili ultrazvuk k detekci mozkových nádorů, ale výsledky, které získali, se ukázaly jako nespolehlivé. V lékařské praxi se ultrazvuk začal poprvé používat až v 50. letech XNUMX. století v USA.

Příjem ultrazvuku.

Ultrazvukové zářiče lze rozdělit do dvou velkých skupin:

1) Kmity jsou vybuzeny překážkami v dráze proudu plynu nebo kapaliny nebo přerušením proudu plynu nebo kapaliny. Používají se v omezené míře především k získání výkonného ultrazvuku v plynném prostředí.

2) Kmity jsou buzeny transformací na mechanické kmity proudu nebo napětí. Většina ultrazvukových zařízení používá emitory této skupiny: piezoelektrické a magnetostrikční měniče.

Kromě měničů založených na piezoelektrickém jevu se k produkci výkonného ultrazvukového paprsku používají magnetostrikční měniče. Magnetostrikce je změna velikosti těles při změně jejich magnetického stavu. Jádro z magnetostrikčního materiálu umístěné ve vodivém vinutí mění svou délku v souladu s tvarem proudového signálu procházejícího vinutím. Tento jev, který objevil v roce 1842 James Joule, je charakteristický pro feromagnetika a ferity. Nejčastěji používanými magnetostrikčními materiály jsou slitiny na bázi niklu, kobaltu, železa a hliníku. Nejvyšší intenzity ultrazvukového záření lze dosáhnout slitinou permendur (49 % Co, 2 % V, zbytek Fe), která se používá u výkonných ultrazvukových zářičů. Zejména v akustických zařízeních proti vodnímu kameni Acoustic-T vyráběných naší společností.

Aplikace ultrazvuku.

Různé aplikace ultrazvuku lze rozdělit do tří oblastí:

• získání informací o látce
• vliv na látku
• zpracování a přenos signálu

Závislost rychlosti šíření a útlumu akustických vln na vlastnostech hmoty a procesech v nich probíhajících je využívána v následujících studiích:

• studium molekulárních procesů v plynech, kapalinách a polymerech
• studium struktury krystalů a jiných pevných látek
• řízení chemických reakcí, fázových přechodů, polymerace atd.
• stanovení koncentrace roztoku
• stanovení pevnostních charakteristik a složení materiálů
• stanovení přítomnosti nečistot
• stanovení průtoku kapaliny a plynu

Měření rychlosti zvuku v pevných látkách umožňuje určit elastické a pevnostní charakteristiky konstrukčních materiálů. Tento nepřímý způsob stanovení pevnosti je vhodný pro svou jednoduchost a možnost použití v reálných podmínkách.

Ultrazvukové analyzátory plynů monitorují hromadění nebezpečných nečistot. Závislost rychlosti ultrazvuku na teplotě se využívá pro bezkontaktní termometrii plynů a kapalin.

Ultrazvukové průtokoměry pracující na Dopplerově jevu jsou založeny na měření rychlosti zvuku v pohybujících se kapalinách a plynech, včetně nehomogenních (emulze, suspenze, buničiny). Podobné zařízení se používá pro stanovení rychlosti a průtoku krve v klinických studiích.

Velká skupina metod měření je založena na odrazu a rozptylu ultrazvukových vln na hranicích mezi prostředími. Tyto metody umožňují přesně určit umístění cizích těles v prostředí a používají se v oblastech, jako jsou:

• sonar
• nedestruktivní testování a detekce chyb
• lékařská diagnostika
• stanovení hladin kapalin a pevných látek v uzavřených nádobách
• určení velikosti produktu
• vizualizace zvukových polí – zvukové vidění a akustická holografie

Odraz, refrakce a schopnost zaostřit ultrazvuk se využívá při ultrazvukové detekci defektů, v ultrazvukových akustických mikroskopech, v lékařské diagnostice a při studiu makro-nehomogenit látek. Přítomnost nehomogenit a jejich souřadnice jsou určeny odraženými signály nebo strukturou stínu.

Metody měření založené na závislosti parametrů rezonančního kmitajícího systému na vlastnostech média, které jej zatěžuje (impedance), se používají pro kontinuální měření viskozity a hustoty kapalin a pro měření tloušťky součástí, které jsou pouze přístupné. z jedné strany. Na stejném principu jsou založeny ultrazvukové tvrdoměry, hladinoměry a hladinové spínače. Výhody ultrazvukových zkušebních metod: krátká doba měření, schopnost ovládat výbušné, agresivní a toxické prostředí, žádný vliv přístroje na řízené prostředí a procesy.

Vliv ultrazvuku na látku.

Účinek ultrazvuku na látku, který vede k nevratným změnám v ní, je široce používán v průmyslu. Mechanismy působení ultrazvuku jsou přitom pro různá prostředí různé. V plynech jsou hlavním provozním faktorem akustické proudy, které urychlují procesy přenosu tepla a hmoty. Kromě toho je účinnost ultrazvukového míchání výrazně vyšší než u konvenčního hydrodynamického míchání, protože mezní vrstva má menší tloušťku a v důsledku toho větší teplotní nebo koncentrační gradient. Tento efekt se používá v procesech, jako jsou:

• sušení ultrazvukem
• spalování v ultrazvukovém poli
• aerosolová koagulace

Při ultrazvukovém zpracování kapalin je hlavním provozním faktorem kavitace. Na kavitačním efektu jsou založeny následující technologické procesy:

• prevence tvorby vodního kamene
• čištění ultrazvukem
• pokovování a pájení
• zvukově-kapilární efekt – pronikání kapalin do nejmenších pórů a trhlin. Používá se k impregnaci porézních materiálů a vyskytuje se při jakémkoli ultrazvukovém zpracování pevných látek v kapalinách.
• rozptýlení pevných látek v kapalinách
• odplyňování (odvzdušňování) kapalin
• krystalizace
• intenzifikace elektrochemických procesů
• získávání aerosolů
• ničení mikroorganismů a ultrazvuková sterilizace nástrojů

Akustické proudy – jeden z hlavních mechanismů působení ultrazvuku na hmotu. Vzniká absorpcí ultrazvukové energie v látce a v mezní vrstvě. Akustické proudění se od hydrodynamických proudění liší malou tloušťkou mezní vrstvy a možností jejího ztenčování s rostoucí frekvencí kmitání. To vede ke snížení tloušťky teplotní nebo koncentrační mezní vrstvy a ke zvýšení teplotních nebo koncentračních gradientů, které určují rychlost přenosu tepla nebo hmoty. To pomáhá urychlit procesy spalování, sušení, míchání, destilace, difúze, extrakce, impregnace, sorpce, krystalizace, rozpouštění, odplyňování kapalin a tavenin. U vysokoenergetického proudění se vliv akustické vlny uskutečňuje v důsledku energie samotného proudění, změnou jeho turbulence. V tomto případě může být akustická energie pouze zlomkem procenta energie proudění.

Při průchodu zvukové vlny o vysoké intenzitě kapalinou vzniká tzv akustická kavitace. V intenzivní zvukové vlně se během půlperiod řídnutí objevují kavitační bubliny, které se prudce zhroutí při pohybu do oblasti vysokého tlaku. V oblasti kavitace vznikají silné hydrodynamické poruchy ve formě mikrorázových vln a mikroproudů. Kolaps bublin je navíc doprovázen silným lokálním zahříváním látky a uvolňováním plynu. Taková expozice vede ke zničení i tak odolných látek, jako je ocel a křemen. Tohoto efektu se využívá k dispergování pevných látek, výrobě jemných emulzí nemísitelných kapalin, vybuzení a urychlení chemických reakcí, ničení mikroorganismů a extrakci enzymů z živočišných a rostlinných buněk. Kavitace také určuje takové účinky, jako je slabá záře kapaliny pod vlivem ultrazvuku – sonoluminiscencea abnormálně hluboké pronikání kapaliny do kapilár – sonokapilární efekt.

Kavitační disperze krystalů uhličitanu vápenatého (vodního kamene) je základem akustických zařízení proti vodnímu kameni. Pod vlivem ultrazvuku se částice ve vodě štěpí, jejich průměrná velikost klesá z 10 na 1 mikron, zvyšuje se jejich počet a celkový povrch částic. To vede k přenosu procesu tvorby vodního kamene z teplosměnné plochy přímo do kapaliny. Ultrazvuk také ovlivňuje vytvořenou vrstvu vodního kamene, tvoří v ní mikrotrhliny, které přispívají k odlamování kousků vodního kamene z teplosměnné plochy.

V ultrazvukových čistících zařízeních se pomocí kavitace a mikroproudů, které vytváří, odstraňují nečistoty jak pevně vázané na povrch, jako je vodní kámen, okuje, otřepy, tak měkké nečistoty, jako jsou mastné filmy, špína atd. Stejného efektu se využívá k zintenzivnění elektrolytických procesů.

Pod vlivem ultrazvuku dochází k tak kurióznímu efektu, jako je akustická koagulace, tzn. konvergence a zvětšení suspendovaných částic v kapalině a plynu. Fyzikální mechanismus tohoto jevu není dosud zcela jasný. Akustická koagulace se používá pro depozici průmyslových prachů, výparů a mlhy při frekvencích nízkých pro ultrazvuk, až do 20 kHz. Je možné, že blahodárné účinky zvonění kostelních zvonů jsou založeny na tomto účinku.

Mechanické zpracování pevných látek pomocí ultrazvuku je založeno na následujících účincích:

• snížení tření mezi povrchy při ultrazvukových vibracích jednoho z nich
• snížení meze kluzu nebo plastické deformace pod vlivem ultrazvuku
• zpevnění a snížení zbytkových napětí v kovech při nárazu nástroje s ultrazvukovou frekvencí
• Při ultrazvukovém svařování se využívá kombinovaných účinků statické komprese a ultrazvukových vibrací

Existují čtyři typy obrábění pomocí ultrazvuku:

• rozměrové zpracování dílů z tvrdých a křehkých materiálů
• řezání obtížně obrobitelných materiálů s aplikací ultrazvuku na řezném nástroji
• odstraňování otřepů v ultrazvukové lázni
• broušení viskózních materiálů s čištěním brusného kotouče ultrazvukem

Účinky ultrazvuku na biologické objekty způsobuje různé účinky a reakce v tělesných tkáních, což je široce používáno v ultrazvukové terapii a chirurgii. Ultrazvuk je katalyzátor, který urychluje nastolení rovnováhy, z fyziologického hlediska stavu organismu, tzn. zdravý stav. Ultrazvuk má mnohem větší vliv na nemocné tkáně než na zdravé. Používá se také ultrazvukové rozprašování léků k inhalaci. Ultrazvuková chirurgie je založena na následujících účincích: destrukce tkáně samotným fokusovaným ultrazvukem a aplikace ultrazvukových vibrací na řezný chirurgický nástroj.

Ultrazvukové přístroje se používají pro konverzi a analogové zpracování elektronických signálů a pro řízení světelných signálů v optice a optoelektronice. Nízkorychlostní ultrazvuk se používá ve zpožďovacích linkách. Řízení optických signálů je založeno na difrakci světla ultrazvukem. Jeden z typů takové difrakce, tzv. Braggova difrakce, závisí na vlnové délce ultrazvuku, což umožňuje izolovat úzký frekvenční interval ze širokého spektra světelného záření, tzn. filtrovat světlo.

Ultrazvuk je nesmírně zajímavá věc a dá se předpokládat, že řadu jeho praktických aplikací lidstvo dosud nezná. Ultrazvuk milujeme a známe a rádi prodiskutujeme jakékoli nápady související s jeho aplikací.

Kde se používá ultrazvuk – souhrnná tabulka

Naše společnost Koltso-Energo LLC se zabývá výrobou a montáží akustických zařízení proti vodnímu kameni “Acoustic-T”. Přístroje vyráběné naší společností se vyznačují mimořádně vysokou úrovní ultrazvukového signálu, což jim umožňuje pracovat na kotlích bez úpravy vody a parovodních kotlích s artéskou vodou. Ale prevence vodního kamene je velmi malá část toho, co ultrazvuk dokáže. Tento úžasný přírodní nástroj má obrovské možnosti a my vám o nich chceme říct. Zaměstnanci naší společnosti pracují řadu let v předních ruských podnicích zabývajících se akustikou. O ultrazvuku toho víme hodně. A pokud se náhle objeví potřeba použití ultrazvuku ve vaší technologii, rádi vám pomůžeme.

• Odplyňování a ultrazvuková úprava kapalin
• Odvápnění deskových výměníků tepla.
• Odvápnění parních a horkovodních kotlů
• Rozptylování