Ультразвук – помощник человека

Частоты ультразвука, при которых используется ультразвуковая кавитация в технологических целях, лежат в области УНЧ. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости, частоты

Рис. 3. Фонтан жидкости, образующийся при падении ультразвукового пучка изнутри жидкости на её поверхность (частота ультразвука 1,5 МГц, интенсивность

15 Вт/см)

звука, температуры и других факторов. В воде на частоте 20 кГц она составляет около 0,3 Вт/см. На частотах диапазона УСЧ в ультразвуковом поле с интенсивностью от нескольких Вт/см может возникнуть фонтанирование жидкости (рис. 3) и распыление её с образованием весьма мелкодисперсного тумана.

Глава 2. Применение ультразвука

2.1. Ультразвуковая очистка

Качество ультразвуковой очистки несравнимо с другими способами. Например, при полоскании деталей на их поверхности остается до 80% загрязнений, при вибрационной очистке – около 55%, при ручной – около 20%, а при ультразвуковой – не более 0,5%. Кроме того, детали, имеющие сложную форму, труднодоступные места, хорошо можно очистить только с помощью ультразвука. Особое преимущество ультразвуковой очистки заключается в ее высокой производительности при малой затрате физического труда, возможности замены огнеопасных или дорогостоящих органических растворителей безопасными и дешевыми водными растворами щелочей, жидким фреоном и др.

Ультразвуковая очистка – сложный процесс, сочетающий местную кавитацию с действием больших ускорений в очищающей жидкости, что приводит к разрушению загрязнений. Если загрязненную деталь поместить в жидкость и облучить ультразвуком, то под действием ударной волны

кавитационных пузырьков поверхность детали очищается от грязи. Серьезной проблемой является борьба с загрязнением воздуха пылью, дымом, копотью, окислами металлов и т.д. Ультразвуковой метод очистки газа и воздуха может применяться в существующих газоотводах независимо от температуры и влажности среды. Если поместить ультразвуковой излучатель в пылеосадочную камеру, то эффективность ее действия возрастает в сотни раз. В чем сущность ультразвуковой очистки воздуха? Пылинки, которые беспорядочно движутся в воздухе, под действием ультразвуковых колебаний чаще и сильнее ударяются друг о друга. При этом они сливаются и размер их увеличивается. Процесс укрупнения частиц называется коагуляцией. Улавливаются укрупненные и утяжеленные частицы специальными фильтрами.

2. 2. Механическая обработка сверхтвердых и хрупких материалов                        

Если между рабочей поверхностью ультразвукового инструмента и обрабатываемой деталью ввести абразивный материал, то при работе излучателя частицы абразива будут воздействовать на поверхность детали. Материал разрушается и удаляется при обработке под действием большого числа направленных микроударов (рис. 4).

Рис.4. Ультразвуковая обработка материалов

                                              1 – ультразвуковой инструмент;

2 – абразивные зерна;

3 – обрабатываемая деталь.

Кинематика ультразвуковой обработки складывается из главного движения – резания, т.е. продольных колебаний инструмента и вспомогательного движения – движения подачи. Продольные колебания являются источником энергии абразивных зерен, которые и производят разрушение обрабатываемого материала. Вспомогательное движение – движение подачи – может быть продольным, поперечным и круговым.

Ультразвуковая обработка обеспечивает большую точность зависимости от зернистости абразива. Применяя инструменты различной формы можно выполнять не только отверстия, но и сложные вырезы. Кроме того, можно вырезать криволинейные оси, изготавливать матрицы, шлифовать, гравировать и даже сверлить алмаз. Материалы, используемые  в качестве абразива – алмаз, корунд, кремень, кварцевый песок.

2. 3. Применение ультразвука в сельском хозяйстве

Ультразвуковая обработка зерна и семян перед посадкой интенсифицирует процесс прорастания, повышает урожайность различных культур в среднем на 20–40% . Так, обработанные ультразвуком зерна ячменя дают всходы на 2–3 дня раньше, чем контрольные посадки, длина колоса и количество зерен в нем увеличиваются на 30%, количество стеблей от одного зерна также увеличивается на 25–30%. Механизм ультразвукового воздействия на зерна и семена до конца не исследован. Ясно только, что ультразвук способен стимулировать жизненные силы, заложенные природой в каждую сельскохозяйственную культуру. Экспериментальные исследования позволили установить, что ультразвуковое воздействие в большей или меньшей степени, но всегда положительно влияет на процесс прорастания зерен и семян и увеличивает урожайность. Максимальное повышение урожайности отмечено у дынь – на 46%. Обработка семян огурцов перед посадкой приводит к тому, что междоузлия на взрослом растении (места образования плодов) формируются в полтора раза чаще, получаемые плоды отличаются от контрольных вкусом. Обработка семян томатов ультразвуком позволила установить, что после посадки кусты разрослись сильнее, плодов образовалось больше, созрели они быстрее, чем контрольные. Анализ состава плодов показал, что обработанные ультразвуком томаты имели большее количество витаминов, чем контрольные. Хорошие результаты были получены при обработке ультразвуком семян капусты, моркови, свеклы, лука. При обработке семян ультразвуком в них можно вносить необходимые микроэлементы, уничтожать возбудителей болезней и вредителей, активизировать ферменты. Так, например, ультразвуковая обработка семян редиса в растворе органических удобрений повышает урожайность на менее чем в 2 раза. При ультразвуковой обработке зерна и семян необходимо учитывать следующее. Обработка семян и зерен может осуществляться в воде или в водном растворе микроэлементов и удобрений. Обычно в качестве такого раствора используется водный раствор марганцовокислого калия. Признаком достаточной обработки может служить изменение цвета водного раствора марганцовокислого калия с розового до светло-желтого. При обработке семян в маленьких стеклянных объемах (менее 200 мл) время обработки должно быть уменьшено до 3 мин. При обработке зерна в больших объемах (например, в трехлитровых банках) допускается обрабатывать до 1 кг зерна, обеспечивая его перемешивание. В этом случае время обработки составляет 20 мин и перемешивание зерна осуществляется через каждые 1–2 мин. С помощью фитомиксера можно приготовить растворы и экстракты удобрений, в том числе экстракты дезинфицирующих веществ

2. 4. Ультразвуковая сварка

Из существующих методов ни один не подходит для сварки разнородных металлов или если к толстым деталям нужно приварить тонкие пластины. В этом случае ультразвуковая сварка незаменима. Ее иногда называют холодной, потому что детали соединяются в холодном состоянии. Окончательного представления о механизме образования соединений при ультразвуковой сварке нет. В процессе сварки после ввода ультразвуковых колебаний между свариваемыми пластинами образуется слой высокопластичного металла, при этом пластины очень легко поворачиваются вокруг вертикальной оси на любой угол. Но как только ультразвуковое излучение прекращают, происходит мгновенное «схватывание» пластин.

Ультразвуковая сварка происходит при температуре значительно меньшей температуры плавления, поэтому соединение деталей происходит в твердом состоянии. С помощью ультразвука можно сваривать многие металлы и сплавы (медь, молибден, тантал, титан, многие стали). Наилучшие результаты получаются при сварке тонколистовых разнородных металлов и приварке к толстым деталям тонких листов. При ультразвуковой сварке минимально изменяются свойства металла в зоне сварки. Требования к качеству подготовки поверхности значительно ниже, чем при других методах сварки. Ультразвуковой сварке хорошо поддаются и неметаллические материалы (пластмасса, полимеры).

2. 5. Очистка сточных вод

Сточные воды многих пищевых производств содержат вещества, которые могут быть использованы в качестве корма для сельскохозяйственных животных. Применение ультразвука в ряде случаев существенно облегчает выделение этих веществ. После обработки ультразвуком, например, из сточных вод рыбоперерабатывающих комбинатов, удастся извлечь значительное количество кормового белка и жира, что не только позволяет получить цепные кормовые вещества, но и ускорить дальнейшую очистку сточных вод.

Стимуляция сообществ микроорганизмов ультразвуком низкой интенсивности в бассейнах биологической очистки интенсифицирует их обмен веществ, увеличивает скорость биосинтеза биологически активных соединений, ускоряет адаптацию клеток к новым условиям. Так, стимуляция ультразвуком клеток плесени As-pergilus niger, играющих важную роль в процессе очистки воды, и полтора раза ускоряет их развитие, увеличивает скорость утилизации веществ в сточных водах, например, рыбоперерабатывающих комбинатов. Развивающаяся в бассейнах плесень выделяет мощные ферменты - целлюлозу и целлобиазу, разрушающие клетчатку. Выделяющаяся при этом глюкоза полностью используется клетками плесени, пре-вращающими ее в углекислый газ и воду. Параллельно усиливается превращение сероводорода и серы в безвредные сульфаты. В процессе жизнедеятельности клетками плесени Aspergilus niger выделяются лимонная кислота и некоторые другие органические кислоты, создающие неблагоприятную для развития бактериальных клеток среду. Усиливается и выработка антибиотиков, которые вместе с органическими кислотами быстро снижают в сточной воде количество бактерий, в том числе болезнетворных. Клетки той же плесени после обработки ультразвуком активно концентрируют и себе соединения тяжелых металлов.

2. 6. Ультразвуковая пайка и лужение

В промышленности все большее значение приобретает ультразвуковая пайка и лужение алюминия, нержавеющей стали и других материалов. Трудность пайки алюминия состоит в том, что его поверхность всегда покрыта тугоплавкой пленкой окиси алюминия, которая образуется практически мгновенно при соприкосновении металла с кислородом воздуха. Эта пленка препятствует соприкосновению расплавленного припоя с поверхностью алюминия.

В настоящее время одним из эффективных методов пайки алюминия является ультразвуковой, пайка с применением ультразвука производится без флюса. Введение механических колебаний  ультразвуковой частоты в расплавленный припой в процессе пайки способствует механическому разрушению окисной пленки и облегчает смачивание припоем поверхности.

Принцип ультразвуковой пайки алюминия заключается в следующем. Между паяльником  и деталью создается слой жидкого расплавленного припоя. Под действием ультразвуковых колебаний в припое возникает кавитация, разрушающая оксидную пленку. Перед пайкой  детали нагревают до температуры, превышающей температуру плавления припоя. Большим преимуществом метода является то, что его можно с успехом применять для пайки керамики и стекла.

2. 7. Ускорение производственных процессов с помощью ультразвука                           

Применение ультразвука позволяет значительно ускорить смешивание

различных жидкостей и получить устойчивые эмульсии (даже таких как вода и ртуть).

Воздействуя ультразвуковыми колебаниями большой интенсивности на жидкости, можно получать тонкодисперсные аэрозоли высокой плотности.

Сравнительно недавно начали применять ультразвук для пропитки

электротехнических намоточных изделий.

Применение ультразвука позволяет сократить время пропитки в 3¸5 раз и заменить 2-3 кратную пропитку одноразовой.

Под действием ультразвука значительно ускоряется процесс гальванического осаждения металлов и сплавов. Если в расплавленный металл вводить ультразвуковые колебания, заметно измельчается зерно, уменьшается пористость.

Ультразвук применяется при обработке металлов и сплавов в твердом

состоянии, что приводит к «разрыхлению» структуры и к искусственному их

старению.

Ультразвук при прессовании металлических порошков обеспечивает получение прессованных изделий более высокой плотности и стабильности размеров.

2. 8. Ультразвуковая дефектоскопия 

Ультразвуковая дефектоскопия – один из методов неразрушающего контроля.

Свойство ультразвука распространяться в однородной среде направленно и без существенных затуханий, а на границе раздела двух сред (например, металл – воздух) почти полностью отражаться позволило применить ультразвуковые колебания для выявления дефектов (раковины, трещины, расслоения и т.п.) в металлических деталях без их разрушении.

При помощи ультразвука можно проверять детали больших размеров, так как глубина проникновения ультразвука в металле достигает 8 - 10 м. Кроме того, ультразвуком можно обнаружить очень мелкие дефекты (до 10-6 мм).

Ультразвуковые дефектоскопы позволяют выявлять не только образовавшиеся дефекты, но и определять момент повышенной усталости металла.

Существует несколько методов ультразвуковой дефектоскопии, основными из которых являются теневой, импульсный, резонансный метод структурного анализа, ультразвуковой визуализации.

Теневой метод основан на ослаблении проходящих ультразвуковых волн при наличии внутри детали дефектов, создающих ультразвуковую тень. При этом методе используется два преобразователя. Один из них излучает ультразвуковые колебания, другой принимает их (рис. 5).

Рис. 5. Теневой метод ультразвуковой дефектоскопии

Теневой метод малочувствителен, дефект можно обнаружить

если вызываемое им изменение сигнала составляет не менее 15 - 20%.

Существенный недостаток теневого метода в том, что он не позволяет определить на какой глубине находится дефект.

         Импульсный метод ультразвуковой дефектоскопии основан на явлении отражения ультразвуковых волн. Принцип действия импульсного дефектоскопа показан на рис. 6.

Рис. 6. Импульсный метод ультразвуковой дефектоскопии

Высокочастотный генератор вырабатывает кратковременные импульсы. Посланный излучателем импульс, отразившись, возвращается обратно к преобразователю, который в это время работает на прием. С преобразователя сигнал поступает на усилитель, а затем на отклоняющие пластины электроннолучевой трубки. Для получения на экране трубки изображения зондирующих и отраженных импульсов предусмотрен генератор развертки. Работой высокочастотного генератора управляет синхронизатор, который с определенной частотой формирует высокочастотные импульсы. Частота посылки импульсов может изменяться с таким расчетом, чтобы отраженный импульс приходил к преобразователю раньше посылки следующего импульса.