Ультразвук – помощник человека

Введение

Глава 1. Ультразвук и его свойства

1.1. Рождение ультразвука

1.2. Ультразвук и его свойства

Глава 2. Применение ультразвука

2.1. Ультразвуковая очистка

2. 2. Механическая обработка сверхтвердых и хрупких материалов

2. 3. Применение ультразвука в сельском хозяйстве

2. 4. Ультразвуковая сварка

2. 5. Очистка сточных вод

2. 6. Ультразвуковая пайка и лужение

2. 7. Ускорение производственных процессов с помощью ультразвука

2. 8. Ультразвуковая дефектоскопия

2. 9. Ультразвук в радиоэлектронике

2. 10. Ультразвук в медицине

2. 11. Ультразвук в гидролокации

Заключение

Литература

Введение

Понятие «ультразвук» приобрело в настоящее время более широкий смысл, чем просто обозначение высокочастотной части спектра акустических волн. С ним связаны целые области современной физики, промышленной технологии, информационной и измерительной техники, медицины и биологии. Хотя первые ультразвуковые исследования были выполнены ещё в позапрошлом веке, основы широкого практического применения ультразвука были заложены позже, в первой трети 20 в. Как область науки и техники ультразвук получил особенно бурное развитие в последние три-четыре десятилетия.

Ультразвук применяется в металлургии для воздействия на расплавленный металл, в микроэлектронике и приборостроении для прецизионной обработки тончайших деталей.

В качестве средства получения информации он служит как для измерения глубины, локации подводных препятствий в океане, так и для обнаружения микродефектов в ответственных деталях и изделиях.

Ультразвуковые методы используются для фиксации малейших изменений химического состава веществ и для определения степени затвердевания бетона в теле плотины.

Рассматривая многообразие практических применений ультразвуковых колебаний и волн, нельзя не упомянуть об ультразвуковой медицинской диагностике, которая даёт в ряде случаев более детальную информацию и является более безопасной, чем другие методы диагностики.

Наряду с применениями практического характера, ультразвук играет важную роль в научных исследованиях. Нельзя себе представить современную физику твёрдого тела без применения ультразвуковых и гиперзвуковых методов, без понятия о фотонах, их поведении и взаимодействиях с различными полями и возбуждениями в твёрдом теле. В изучении жидкостей и газов широко используются методы молекулярной акустики; всё большую роль играют ультразвуковые методы в биологии.

Интерес к ультразвуку, к ультразвуковой технике всё возрастает, благодаря его проникновению в самые различные области человеческой деятельности.

Таким образом, тема курсовой работы определена следующим образом:

«Ультразвук – помощник человека».

Целями данной работы являются:

1. Проанализировать литературу по данной теме.

2. Обобщить собранные данные об ультразвуке, выделить наиболее современные и актуальные.

3. Рассмотреть  примеры применения ультразвука в жизнедеятельности человека.

Предметом является  ультразвук и его использование.

Объектом данной работы являются различные сферы жизнедеятельности человека.

Цель и предмет исследования потребовали решения следующих задач:

1.      Изучить литературу по теме: «Ультразвук».

2. Описать способы применения ультразвука.

Глава 1. Ультразвук и его свойства

1.1. Рождение ультразвука

В 1880 году французские физики, братья Пьер и Поль Кюри, заметили, что при сжатии и растяжении кристалла кварца с двух сторон на его гранях, перпендикулярных направлению сжатия, появляются электрические заряды. Это явление было названо пьезоэлектричеством (от греческого «пьезо» - «давлю»), а материалы с такими свойствами - пьезоэлектриками. Позже это явление объяснили анизотропией кристалла кварца - разные физические свойства вдоль разных граней.

Во время первой мировой войны французский исследователь Поль Ланжевен предложил использовать пьезоэлектрический эффект для обнаружения подводных лодок. Если пьезоэлектрик встречает на своем пути ультразвуковую волну от винта лодки, которая распространяется со скоростью 1460 км/с, то она сжимает его грани, и на них появляются электрические заряды. Сжимаясь и разжимаясь, кристалл как бы генерирует переменный электрический ток, который можно измерить чувствительными приборами. Если же к граням кристалла приложить переменное напряжение, он сам начнет колебаться, сжимаясь и разжимаясь с частотой переменного напряжения. Эти колебания кристалла передаются среде, граничащей с кристаллом (воздуху, воде, твердому телу). Так возникает ультразвуковая волна.

Ланжевен попробовал зарядить грани кварцевого кристалла электричеством от генератора переменного тока высокой частоты. При этом он заметил, что кристалл колеблется в такт изменению напряжения.

Чтобы усилить эти колебания, ученый вложил между стальными листами -электродами не одну, а несколько пластинок и добился возникновения резонанса - резкого увеличения амплитуды колебаний. Эти исследования Ланжевена позволили создавать ультразвуковые излучатели различной частоты

1.2. Ультразвук и его свойства

Ультразвук – упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 – 20 кГц. Нижняя граница области ультразвуковых 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 ультразвуковых 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 ультразвука составляет примерно 109 Гц, в жидкостях и твердых телах граничная частота достигает 1012-1013 Гц. В зависимости от длины волны и частоты ультразвук обладает различными специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область ультразвуковых частот подразделяют на три области:

                  низкие ультразвуковые частоты (1,5104 – 105 Гц);

                  средние (105 – 107 Гц);

                  высокие (107 – 109 Гц).

Упругие волны с частотами 109 – 1013 Гц принято называть гиперзвуком.

Ультразвуковые 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  и геометрическим размером D – размером источника звука или препятствия на пути волны, размером неоднородностей среды. При D 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 ультразвуковых 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 ультразвуковой 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.

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 ультразвука в жидкости возникает кавитация.

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.

По своей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этом он не отличается от звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами поэтому условна; она определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует усредненной верхней границе слышимого звука. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн имеет место ряд особенностей распространения ультразвука. Ультразвук в газах и, в частности, в воздухе распространяется с большим затуханием. Жидкости и твердые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Поэтому области использования УСЧ и УЗВЧ относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и газах применяют только УНЧ.

Ввиду малой длины волны ультразвука на характере его распространения сказывается молекулярная структура среды, поэтому, измеряя скорость ультразвука и коэффициент поглощения, можно судить о молекулярных свойствах вещества. Этими вопросами занимается молекулярная акустика.

Характерная особенность распространения ультразвука в газах и жидкостях — существование отчётливо выраженных областей дисперсии, сопровождающейся резким возрастанием его поглощения. Коэффициент поглощения ультразвука в ряде жидкостей существенно превосходит рассчитанный по классической теории и не обнаруживает предсказанного этой теорией увеличения, пропорционального квадрату частоты. Все эти эффекты находят объяснение в релаксационной теории, которая описывает распространение ультразвука в любых средах и является теоретической базой современной молекулярной акустики, а основной экспериментальный метод — измерение зависимости частоты и от внешних условий (температуры, давления и др.).

Совокупность уплотнений и разрежений, сопровождающая

распространение ультразвуковой волны, представляет собой своеобразную решётку, дифракцию световых волн на которой можно наблюдать в оптически прозрачных телах. Малая длина ультразвуковых волн является основой для того, чтобы рассматривать их распространение в ряде случаев методами геометрической акустики. Физически это приводит к лучевой картине распространения. Отсюда вытекают такие свойства ультразвука, как возможность геометрического отражения и преломления, а также фокусировки звука (рис. 1).

Рис. 1. Фокусировка ультразвукового пучка в воде плосковогнутой линзой из плексигласа (частота ультразвука 8 МГц)

Следующая важная особенность ультразвука — возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть описаны лишь законами нелинейной акустики. Так, распространению ультразвуковых волн в газах и в жидкостях сопутствует движение среды, которое называют акустическим течением (рис. 2). Скорость акустического течения зависит от вязкости среды, интенсивности ультразвука и его частоты.

Рис. 2. Акустическое течение, возникающее при распространении ультразвука частотой 5 МГц в бензоле

К числу важных нелинейных явлений, возникающих при распространении интенсивного ультразвука в жидкостях, относится акустическая кавитация — рост в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкостях до размеров в доли миллиметра, которые начинают пульсировать с частотой ультразвука и захлопываются в положительной фазе давления. При захлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысяч атмосфер, образуются сферические ударные волны. Возле пульсирующих пузырьков образуются акустические микропотоки. Явления в кавитационном поле приводят к ряду как полезных (получение эмульсий, очистка загрязнённых деталей и др.), так и вредных (эрозия излучателей) явлений.