4 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Состав и принцип работы ультразвуковых установок

Электрохимико-механические установки,ультразвуковые установки(УЗУ)

В основе данного способа обработки лежит механическое воздействие на материал. Ультразвуковым он называется потому, что частота ударов соответствует диапазону неслышимых звуков (f = 6. 10 5 кГц).
Звуковые волны представляют собой механические упругие колебания, которые могут распространяться только в упругой среде.
При распространении звуковой волны в упругой среде материальные частицы совершают упругие колебания около своих положений со скоростью, которая называется колебательной.
Сгущение и разряжение среды в продольной волне характеризуется избыточным, так называемым звуковым давлением.
Скорость распространения звуковой волны зависит от плотности среды, в которой она движется.
Чем жестче и легче материал среды, тем больше скорость. При распространении в материальной среде звуковая волна переносит энергию, которая может использоваться в технологических процессах.
Достоинства ультразвуковой обработки:

— возможность получения акустической энергии различными техническими приемами;
— широкий диапазон применения ультразвука (от размерной обработки до сварки, пайки и так далее);
— простота автоматизации и эксплуатации

— повышенная стоимость акустической энергии по сравнению с другими видами энергии;
— необходимость изготовления генераторов ультразвуковых колебаний;
— необходимость изготовления специальных инструментов со специальными свойствами и формой.

Ультразвуковые колебания сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть использованы как базовые для разработки различных процессов:
— кавитация, т.е. образование в жидкости пузырьков (во время фазы растяжения) и лопание их (во время фазы сжатия); при этом возникают большие местные мгновенные давления, достигающие значений 10 2 Н/м 2 ;
— поглощение ультразвуковых колебаний веществом, в котором часть энергии превращается в тепловую, а часть расходуется на изменение структуры вещества.
Эти эффекты используются для:
— разделения молекул и частиц различной массы в неоднородных суспензиях;
— коагуляции (укрупнения) частиц;
— диспергирования (дробления) вещества и перемешивания его с другими;
— дегазации жидкостей или расплавов зв счет образования всплывающих пузырьков больших размеров.
Элементы УЗУ
Любая УЗУ включает в себя три основных элемента:
— источник ультразвуковых колебаний;
— акустический трансформатор скорости (концентратор);
— детали крепления.
Источники ультразвуковых колебаний могут быть двух видов — механические и электрические.
Механические источники преобразуют механическую энергию, например, скорость движения жидкости или газа.
К ним относятся ультразвуковые сирены и свистки.Электрические источники УЗК преобразуют электрическую энергию в механические упругие колебания соответствующей частоты. Преобразователи бывают электродинамические, магнитострикционные и пьезоэлектрические.
Наибольшее распространение получили магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи.
Принцип действия магнитострикционных преобразователей основан на продольном магнитострикционном эффекте, который проявляется в изменении длины металлического тела из ферромагнитных материалов (без изменения их объема) под действием магнитного поля.
Магнитострикционный эффект у разных металлов различен. Высокой магнитострикцией обладают никель и пермендюр.
Пакет магнитострикционного преобразователя представляет собой сердечник из тонких пластин, на котором размещена обмотка для возбуждения в нем переменного электромагнитного поля высокой частоты.
При магнитострикционном эффекте знак деформации сердечника не изменяется при изменении направления поля на обратное. Частота изменения деформации в 2 раза больше частоты (f) изменения переменного тока, проходящего по обмотке преобразователя, так как в положительный и отрицательный полупериоды происходит деформация одного знака.
Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на способности некоторых веществ изменять свои геометрические размеры (толщину и объем) в электрическом поле. Пьезоэлектрический эффект обратим. Если пластину из пьезоматериала подвергнуть деформации сжатия или растяжения, то на ее гранях появятся электрические заряды. Если пьезоэле-мент поместить в переменное электрическое поле, то он будет деформироваться, возбуждая в окружающей среде ультразвуковые колебания. Колеблющаяся пластинка из пьезоэлектрического материала является электромеханическим преобразователем.
Широкое распространение получили пьезоэлементы на основе титана бария, цирконата-титана свинца (ЦТС).
Акустические трансформаторы скорости (концентраторы продольных упругих колебаний) могут иметь различную форму (рис. 1.4-10).

Они служат для согласования параметров преобразователя с нагрузкой, для крепления колебательной системы и ввода ультразвуковых колебаний в зону обрабатываемого материала.
Эти устройства представляют собой стержни различного сечения, выполненные из материалов с коррозионной и кавитационной стойкостью, жаростойкостью, стойкостью к агрессивным средам и на истирание.
Концентраторы характеризует коэффициент концентрации колебаний (Ккк):

Увеличение амплитуды колебаний торца с малым сечением по сравнению с амплитудой колебаний торца большего сечения объясняется тем, что при одинаковой мощности колебаний во всех сечениях трансформатора скорости интенсивность колебаний малого торца в «Kкк» раз больше.

Технологическое использование УЗК

В промышленности ультразвук используется по трем основным направлениям: силовое воздействие на материал, интенсификация и ультразвуковой контроль процессов.
Силовое воздействие на материал применяется для механической обработки твердых и сверхтвердых сплавов, получения стойких эмульсий и т.п.
Наиболее часто применяются две разновидности ультразвуковой обработки на характерных частотах 16.. .30 кГц:
— размерную обработку на станках с применением инструментов,
— очистку в ваннах с жидкой средой.
Основным рабочим механизмом ультразвукового станка является акустический узел
( рис. 1.4-11). Он предназначен для приведения рабочего инструмента в колебательное движение.

Акустический узел получает питание от генератора электрических колебаний (обычно ламповый), к которому подключается обмотка (2)
Главным элементом акустического узла является магнитострикционный (или пьезоэлектрический) преобразователь энергии электрических колебаний в энергию механических упругих колебаний — вибратор (1).
Колебания вибратора, который попеременно удлиняется и укорачивается с ультразвуковой частотой в направлении магнитного поля обмотки, усиливаются концентратором (4), присоединенным к торцу вибратора.
К концентратору крепится стальной инструмент (5) так, чтобы между его торцом и обрабатываемой деталью (6) оставался зазор.
Вибратор помещается в эбонитовый кожух (3), куда подается проточная охлаждающая вода.
Инструмент должен иметь форму заданного сечения отверстия. В пространство между торцом инструмента и обрабатываемой поверхностью детали из сопла (7) подается жидкость с мельчайшими зернами абразивного порошка.
От колеблющегося торца инструмента зерна абразива приобретают большую скорость, ударяются о поверхность детали и выбивают из нее мельчайшую стружку.
Хотя производительность каждого удара ничтожно маяа, производительность установки относительно высока, что обусловлено высокой частотой колебаний инструмента (16. 30 кГц) и большим количеством зерен абразива (20. 100 тыс/см3), движущихся одновременно с большим ускорением.
По мере снятия слоев материала производится автоматическая подача инструмента.
Абразивная жидкость подается в зону обработки под давлением и вымывает отходы обработки.
С помощью ультразвуковой технологии можно выполнять такие операции, как прошивка, долбление, сверление, резание, шлифование н другие.
Примером могут быть выпускаемые промышленностью ультразвуковые станки прошивочные (модели 4770,4773А) и универсальные (модели 100А).
Ультразвуковые ванны (рис. 1.4-12) применяются для очистки поверхностей металлических деталей от продуктов коррозии, пленок окислов, минеральных масел и т.п.

Работа ультразвуковой ванны основана на использовании эффекта местных гидравлических ударов, возникающих в жидкости под действием ультразвука.
Принцип действия такой ванны состоит в следующем. Обрабатываемая деталь (1) погружается (подвешивается) в бачок (4), заполненный жидкой моющей средой (2).
Излучателем ультразвуковых колебаний является диафрагма (5), соединенная с магнитострикцноииым вибратором (б) с помошью клеяшего состава (8).
Ванна установлена на подставке (7). Волны ультразвуковых колебаний (3) распространяются в рабочей зоне, где производится обработка.
Наиболее эффективна ультразвуковая очистка при удалении загрязнений из труднодоступных полостей, углублений и каналов небольших размеров.
Кроме того, этим методом удается получить стойкие эмульсии таких несмешивающихся обычными способами жидкостей как вода и масло, ртуть и вода, бензол, вода и другие.
Аппаратура УЗУ сравнительно дорога, поэтому экономически целесообразно применять ультразвуковую очистку небольших по размеру деталей только в условиях массового производства.
Интенсификация технологических процессов.
Ультразвуковые колебания существенно изменяют ход некоторых химических процессов.
Например, полимеризация при определенной силе звука идет более интенсивно. При снижении силы звука возможен обратный процесс — деполимеризация.
Поэтому это свойство используется для управления реакцией полимеризации. Изменяя частоту и интенсивность ультразвуковых колебаний, можно обеспечить требуемую скорость реакции.
В металлургии введение упругих колебаний ультразвуковой частоты в расплавы приводит к существенному измельчению кристаллов и ускорению образования наростов в процессе кристаллизации, уменьшению пористости, повышению механических свойств звтвердевших расплавов и снижению содержания газов в металлах.
Ряд металлов (например, свинец и алюминий) не смешиваются в жидком виде. Наложение же на расплав ультразвуковых колебаний способствует «растворению» одного металла в другом. Ультразвуковой контроль процессов.
С помощью ультразвуковых колебаний можно непрерывно контролировать ход технологического процесса без проведения лабораторных анализов проб.
Для этой цели первоначально устанавливается зависимость параметров звуковой волны от физических свойств среды, а затем по изменению этих параметров после действия на среду с достаточной точностью судят о ее состоянии. Как правило, применяются ультразвуковые колебания небольшой интенсивности.
По изменению энергии звуковой волны можно контролировать состав различных смесей, ие являющихся химическими соединениями. Скорость звука в таких средах ие изменяется, а наличие примесей взвешенного вещества влияет на коэффициент поглощения звуковой энергии. Это дает возможность определить процентное содержание примесей в исходном веществе.
По отражению звуковых волн на границе раздела сред («просвечивание» ультразвуковым лучом) можно определить наличие примесей в монолите и создать приборы ультразвуковой диагностики.

Состав и принцип работы ультразвуковых установок

В состав любой ультразвуковой технологической установки, в том числе и в состав многофункциональных аппаратов входят источник энергии (генератор) и ультразвуковая колебательная система.

УЗ колебательная система технологического назначения состоит из преобразователя, согласующего элемента и рабочего инструмента (излучателя).

В преобразователе (активном элементе) колебательной системы происходит преобразование энергии электрических колебаний в энергию упругих колебаний ультразвуковой частоты и создается знакопеременная механическая сила.

Согласующий элемент системы (пассивный концентратор) осуществляет трансформацию скоростей и обеспечивает согласование внешней нагрузки и внутреннего активного элемента.

Рабочий инструмент создает ультразвуковое поле в обрабатываемом объекте или непосредственно воздействует на него.

Важнейшей характеристикой УЗ колебательных систем является резонансная частота. Обусловлено это тем, что эффективность технологических процессов определяется амплитудой колебаний (значений колебательных смещений), а максимальные значения амплитуд достигаются при возбуждении УЗ колебательной системы на резонансной частоте. Значения резонансной частоты УЗ колебательных систем должны быть пределах разрешенных диапазонов (для многофункциональных УЗ аппаратов это частота 22 ± 1,65 кГц ).

Отношение накопленной в УЗ колебательной системе энергии к энергии, используемой для технологического воздействия за каждый период колебаний, называется добротностью колебательной системы. Добротность определяет максимальную амплитуду колебаний на резонансной частоте и характер зависимости амплитуды колебаний от частоты (т.е. ширину частотного диапазона).

Внешний вид типичной ультразвуковой колебательной системы показан на рисунке 2. Она состоит из преобразователя — 1, трансформатора (концентратора) — 2, рабочего инструмента — 3, опоры — 4 и корпуса — 5.

Рисунок 2 — Двухполуволновая колебательная система и распределение амплитуд колебаний А и действующих механических напряжений F

Распределение амплитуды колебаний А и сил (механических напряжений) F в колебательной системе имеет вид стоячих волн (при условии пренебрежения потерями и излучением).

Как видно из рисунка 2, существуют плоскости, в которых смещения и механические напряжения всегда равны нулю. Эти плоскости называются узловыми. Плоскости, в которых смещения и напряжения минимальны называются пучностями. Максимальные значения смещений (амплитуд) всегда соответствую в минимальным значениям механических напряжений и наоборот. Расстояния между двумя соседними узловыми плоскостями или пучностями всегда равны половине длины волны.

В колебательной системе всегда имеются соединения, обеспечивающие акустическую и механическую связь её элементов. Соединения могут быть неразъемными, однако при необходимости смены рабочего инструмента соединения выполняются резьбовыми.

УЗ колебательная система вместе с корпусом, устройствами подвода питающего напряжения, и вентиляционными отверстиями выполняется обычно в виде отдельного узла. В дальнейшем, используя термин УЗ колебательная система, мы будем говорить обо всем узле в целом.

Используемая в многофункциональных УЗ аппаратах технологического назначения колебательная система должна удовлетворять ряду общих требований.

1) Работать в заданном частотном диапазоне;

2) Работать при всех возможных в ходе технологического процесса изменениях нагрузки;

3) Обеспечивать необходимую интенсивность излучения или амплитуду колебаний;

4) Иметь максимально возможный коэффициент полезного действия;

5) Части УЗ колебательной системы, контактирующие с обрабатываемыми веществами должны обладать кавитационной и химической стойкостью;

6) Иметь жесткое крепление в корпусе;

7) Должна иметь минимальные габариты и вес;

8) Должны выполняться требования техники безопасности.

Ультразвуковая колебательная система, показанная на рисунке 2, является двух полуволновой колебательной системой. В ней преобразователь имеет резонансный размер, равный половине длины волны УЗ колебаний в материале преобразователя. Для увеличения амплитуды колебаний и согласования преобразователя с обрабатываемой средой используется концентратор, имеющий резонансный размер, соответствующий половине длины волны УЗ колебаний в материале концентратора.

Если показанная на рисунке 2 колебательная система выполнена из стали (скорость распространения УЗ колебаний в стали более 5000 м/с ), то ее общий продольный размер соответствует L = С2p/w

Для выполнения требований высокой компактности и малого веса используются полуволновые колебательные системы, состоящие из четвертьволновых преобразователя и концентратора. Такая колебательная систем схематично показана на рисунке 3. Обозначения элементов колебательной системы соответствуют обозначениям на рисунке 3.

Рисунок 3 — Двухчетвертьволновая колебательная система

В этом случае удается обеспечить минимально возможные продольный размер и массу УЗ колебательной системы, а также уменьшить число механических соединений.

Недостатком такой колебательной системы является соединение преобразователя с концентратором в плоскости наибольших механических напряжений. Однако этот недостаток удается частично устранить путем смещения активного элемента преобразователя от точки максимальных действующих напряжений.[2]

Применение УЗ аппаратов

Мощный ультразвук уникальное экологически чистое средство стимуляции физико-химических процессов. Ультразвуковые колебания частотой 20 000 — 60 000 Герц и интенсивностью свыше 0,1 Вт./кв.см. могут вызывать необратимые изменения в среде распространения. Это предопределяет возможности практического использования мощного ультразвука в следующих областях.

Технологические процессы: переработка минерального сырья, обогащение и процессы гидрометаллургии руд металлов и т.д.

Нефтяная и газовая промышленность: рекуперация нефтяных скважин, экстракция вязкой нефти, процессы разделения в системе песок – тяжелая нефть, повышение жидкотекучести тяжелых нефтепродуктов и т.д.

Металлургия и машиностроение: рафинирование металлических расплавов, измельчение структуры слитка / отливки, обработка металлической поверхности для ее упрочнения и снятия внутренних напряжений, очистка внешних поверхностей и внутренних полостей деталей машин и т.д.

Химическая и биохимическая технологии: процессы экстракции, сорбции, фильтрации, сушки, эмульгирования, получения суспензий, смешения, диспергирования, растворения, флотации, дегазации, испарения, коагуляции, коалесценции, процессы полимеризации и деполимеризации, получение наноматериалов и т.д.

Энергетика: сжигание жидкого и твердого топлива, приготовление топливных эмульсий, производство биотоплива и т.д.

Сельское хозяйство, пищевая и легкая промышленность: процессы прорастания семян и роста растений, приготовлении пищевых добавок, кондитерской технологии, приготовлении алкогольных и безалкогольных напитков и т.д.

Коммунальное хозяйство: рекуперация водных скважин, подготовка питьевой воды, снятие отложений с внутренних стенок теплообменных аппаратов и т.д.

Защита окружающей среды: очистка сточных вод, загрязненных нефтепродуктами, тяжелыми металлами, стойкими органическими соединениями, очистка загрязнённых почв, очистка промышленных газовых потоков и т.д.

Переработка вторичного сырья: девулканизация резины, очистка металлургической окалины от масляных загрязнений и т.д.[3]

Ультразвуковая обработка материалов

1. Физические свойства и особенности распространения ультразвука

Ультразвуковыми называются упругие колебания материальной среды с частотой, превышающий предел слышимости (15–20 кГц). Ультразвуковые колебания могут распространяться в любых упругих средах: жидких, твёрдых, газообразных. Различают три вида ультразвуковых волн – продольные, поперечные и поверхностные. В твёрдых телах могут распространяться волны всех трёх видов, в жидких и газообразных – только продольные волны разрежения – сжатия.

Ультразвук в газах, и в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием. Жидкости и твердые тела представляют собой хорошие проводники, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука в 1000 раз меньше чем в воздухе.

Малая длина ультразвуковых волн является основанием для того, чтобы рассматривать их распространение методами геометрической акустики. Физически это приводит к лучевой картине распространения. Отсюда вытекают такие свойства ультразвука, как возможность геометрического отражения и преломления, а так же фокусировка звука. Следующая важная особенность ультразвука – возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть описаны лишь законами нелинейной акустики.

Важной особенностью ультразвука является возможность концентрации энергии при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов. Так, распространению ультразвуковых волн в газах и жидкостях сопутствует движение среды, которое называется акустическим течением.

К числу важных явлений акустического течения относится кавитация, заключающаяся в росте в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкости, которые начинают пульсировать с частотой ультразвука и захлопываются в положительной фазе давления. При захлопывании пузырьков газа возникают большие давления, порядка тысяч атмосфер и образуются сферические ударные волны. Возле пульсирующих пузырьков возникают акустические микропотоки. Ультразвуковые явления в кавитационном поле используются при получении эмульсий, аэрации жидкостей, очистке поверхностей от загрязнений, обезжиривании и травлении, ультразвуковом диспергировании, акустическом эмульгировании и т. д.

Основными параметрами ультразвуковых колебаний являются: длина волны λ – расстояние между двумя смежными точками, находящимися в одной фазе; амплитуда колебаний А – наибольшее смещение колеблющейся точки от положения равновесия; частота колебаний f – количество колебаний в единицу времени; период колебаний T – время распространения волнового движения на расстояние, равное длине волны; средняя скорость колебательных движений V; скорость распространения звуковых волн С.

2. Принцип действия установок для генерации ультразвуковых колебаний

Ультразвуковые установки, используемые для размерной обработки материалов (рис. 1) содержат: генератор электрических колебаний; акустический преобразователь; ультразвуковую колебательную систему, систему подачи и отвода охлаждающей жидкости и суспензии с абразивом.

Рисунок 1 – Схема установки для ультразвуковой размерной обработки (а) и схемы концентраторов: экспоненциального (б), конического (в) и ступенчатого (г): 1 – генератор; 2 – акустический преобразователь; 3-ультразвуковая колебательная система; 4 – система подачи охлаждающей жидкости и суспензии с абразивом

Ультразвуковые генераторы предназначены для преобразования электрического тока промышленной частоты (50 Гц) в ток высокой частоты.

Акустический преобразователь предназначен для преобразования электрических высокочастотных колебаний в механические. Для целей размерной обработки преимущественно применяются магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи.

В магнитострикционных преобразователях используется эффект продольной магнитострикции, заключающийся в изменении длины сердечника из ферромагнитного материала, помещенного в магнитное поле. Простейший магнитострикционный преобразователь представляет собой сердечник, выполненный в виде стержня или рамки с обмоткой возбуждения. При прохождении по обмотке переменного электрического тока в сердечнике наводится переменное магнитное поле, и возникают упругие деформации, вызывающие продольные колебания сердечника.

Для уменьшения потерь на токи Фуко металлические сердечники набирают из штампованных тонких пластин или наматывают из тонкой ленты. Магнитострикционные преобразователи выполняются с водяным охлаждением. Их максимальный электроакустический КПД в диапазоне частот 20…30 кГц составляет 50…70 %. С повышением частоты колебаний его значение уменьшается.

Магнитострикционные преобразователи изготавливают также из ферритов. Потери на вихревые токи у них практически отсутствуют. Поэтому сердечники из ферритов выполняют монолитными. Для их подмагничивания используют пластины ферритовых постоянных магнитов, которые вставляют или вклеивают в магнитопровод преобразователя. Электроакустический КПД ферритовых преобразователей достигает 80…85 %. Они не требуют высокого напряжения питания, принудительного водяного охлаждения.

В пьезоэлектрических преобразователях используется пьезоэлектрический эффект, сущность которого состоит в том, что в кристаллах с определённым типом решёток под действием электрического тока возникают внутренние напряжения, пропорциональные напряженности электрического поля. В результате размеры кристалла изменяются в соответствии с изменением электрического тока.

Все пьезоэлектрические материалы подразделяются на естественные и искусственные. Естественные – это кварц, сегнетовая соль, турмалин; искусственные – керамики титаната бария ЦТС-19 и титаната свинца ЦТС-23.

Преобразователи из кварца дорогие, а их размеры ограничены. Пьезокерамика значительно дешевле и требует меньших возбуждающих напряжений.

Колебательная система предназначена для передачи возникающих в преобразователе колебаний к рабочим узлам установки и в конечном итоге к обрабатываемой поверхности. В состав колебательной системы входят: волновод, концентратор, инструмент.

Волновод – это стержень или труба постоянного сечения, соединяющая акустический преобразователь с концентратором.

Концентратор предназначен для увеличения амплитуды механических колебаний инструмента путём обеспечения резонанса частот вибратора (магнитострикционного или пьезоэлектрического) с исполнительным инструментом. Основные формы концентраторов представлены на рисунке 1 б, в, г.

3. Физическая сущность ультразвуковой обработки

Ультразвуковая обработка основана на ударном воздействии торца инструмента на вершины наиболее крупных абразивных зёрен. Этот метод состоит из двух основных процессов: ударного вдавливания абразивных зёрен, вызывающего появление трещин и отделение небольших частиц хрупкого материала; циркуляции и смены абразива в рабочей зоне. Происходит хрупкое разрушение обрабатываемых материалов и одновременно вязкое разрушение инструмента.

При ударе торца инструмента по абразивным зернам вершины зерен вдавливаются в поверхностные слои детали и инструмента (рис. 2 а). Внедрение частиц абразива в инструмент приводит только к пластическим деформациям, и в поверхностном слое обрабатываемой детали возникает сетка напряжений (рис. 2 б). Под влиянием напряжений, создаваемых последующими ударами торца инструмента, происходит расширение микротрещин и образование новых. Возникает зона разрушения от деления частиц в тот момент, когда максимальные касательные напряжения в зоне вдавливания превосходят сопротивление сдвигу. Несущая абразив вода расширяет микротрещины, облегчает образование сколов, доставляет новый абразив в зону обработки, а также охлаждает инструмент и деталь.

Рисунок 2 – Схемы процессов резания (а) и разрушения (б) при ультразвуковой обработке: 1 – деталь; 2 – инструмент; 3 – суспензия с абразивом

Количественной оценкой целесообразности ультразвуковой обработки материала является критерий хрупкости

где – εp сопротивление материалов сдвигу; σp– сопротивление на отрыв. Наиболее эффективно обрабатываются материалы первой группы (табл. 1.11), у которых коэффициент хрупкости tx ≥ 2 . Мягкие материалы: медь, свинец, стали и др., у которых коэффициент хрупкости tx 6 сек, а плотность тока должна быть не менее (10 5 -10 6 )А/см 2 . При этом скорость деформации должна быть меньше или соизмерима со скоростью дрейфа Ve свободных электронов

где j – плотность тока в зоне деформации, А/см 2 ; e – заряд электрона, Кул.; n – концентрация свободных электронов см -3 , .

Электропластический эффект проявляется при различных видах силового нагружения под действием импульса тока в процессах обработки давлением электропроводящих материалов. В результате эффекта происходит резкое (на десятки процентов) снижение усилий деформации, а также повышение в 1,5 раза допустимых единичных обжатий. При этом отпадает необходимость в операциях промежуточных отжигов.

Общим для всех способов электропластической обработки металлов является подведение тока большой плотности непосредственно в зону деформации металла и минимизация области действия тока размерами зоны деформации.

Ограничением применения электропластического эффекта являются размеры поперечного сечения заготовок, так как пропускание тока плотностью 10 5 …10 6 А/см 2 через большие заготовки нерентабельно из-за дороговизны и громоздкости источника тока. Электропластическую деформацию целесообразно применять при сечениях заготовки не более 100 мм 2 .

Целесообразно электропластическую деформацию использовать для интенсификации процессов штамповки, волочения, плющения.

Электропластический эффект успешно применяется для интенсификации процессов листовой штамповки металлов при изготовлении деталей летательных аппаратов. При оптимальном электроимпульсном воздействии без снижения пластических свойств повышается статическая прочность материала изделия, предел выносливости и ресурс циклического нагружения. Так, повышение статической прочности на 10-15 % имело место при обработке сталей 12Х18Н10Т, 30ХГСА; возрастание предела выносливости на 25-35 % при обработке титанового сплава ВТ-8; повышение циклической прочности на 700-800 % при обработке титанового сплава ОТ4.

Электроимпульсное воздействие позволяет увеличивать ресурс деталей летательных аппаратов, работающих в неблагоприятных атмосферных условиях за счёт повышения их коррозионной стойкости. Например, время до начала коррозионного растрескивания образцов из сплава Д16Т возрастает в три раза, а скорость коррозии сплава АМr3М снижается на порядок.

В результате электроимпульсной штамповки происходит в 3-4 раза снижение величины остаточных напряжений и, как следствие, устраняется упругое пружинение.

Большой практический интерес представляет электропластическое волочение вольфрамовой и стальной проволоки, которое по сравнению с обычным волочением имеет ряд преимуществ:

  • увеличивается в 1,5 производительность;
  • уменьшается сопротивление волочению на 25-30 %, а остаточная пластичность увеличивается на 20-30 %;
  • отпадает необходимость в проведении промежуточных отжигов;
  • уменьшается обрывность проволоки.

Особенно эффективно использование электропластического эффекта в сочетании с другими способами плющения в приборостроении. На рисунке 7 представлена схема ультразвуковой установки для обработки трудно обрабатываемых материалов способом электропластической деформации.

Рисунке 7 – Схема ультразвуковой электропластической установки для плющения металлов: 1, 8 – приёмно-сдаточный и укладочный механизмы; 2, 7 – соответственно исходная проволока, 4- сплющенная лента; 3 – генератор ультразвуковых колебаний; 4, 5 – преобразователь и концентратор ультразвуковых колебаний; 6 – генератор импульсного тока; 9 – токоподводящие ролики;10 – наковальня; 11 – опорные ролики

Плющение проволоки производится между концентратором ультразвуковых колебаний 5 и наковальней 10. Одновременно в зону деформации через токоподводящие ролики 9 от генератора 6 поступают импульсы тока. Частота ультразвуковых колебаний составляет 18–20 КГц, амплитуда колебаний 20–60 мкм. Плющение проволоки одними ультразвуковыми колебаниями приводила к нарушению её целостности

(расслоение, расщепление). Обработка проволоки ультразвуком в сочетании с действием импульсного тока обеспечивала получение ленты высокого качества поверхности и боковых кромок. Амплитудная плотность тока составляла (1,1 – 4,5)10 2 А/мм 2 . Формирование ленты осуществлялось без защитной атмосферы. За один проход получали единичные обжатия 88–90 %, а толщина ленты достигала микронных размеров.

В настоящее время на основе электропластического эффекта разрабатываются различные варианты эффективных энергосберегающих технологий. Создаётся новое оборудование, проектируются специальные генераторы импульсов тока низкого напряжения, системы контактов, не вызывающие электроэрозию инструмента и заготовок, модернизируется под электропластическую деформацию существующие металлообрабатывающие оборудование.

Ультразвук. Применение и работа. Свойства и развитие. Особенности

Ультразвук представляет волны продольного вида, которые имеют частоту колебаний более 20 КГц. Это больше частоты колебаний, воспринимаемых человеческим слуховым аппаратом. Человек же может воспринимать частоты, находящиеся в пределах 16-20 КГц, они называются звуковыми. Ультразвуковые волны выглядят как череда сгущений и разряжений вещества или среды. Благодаря их свойствам они находят широкое применение во многих областях.

Что это

В ультразвуковой диапазон попадают частоты, начиная от 20 тысяч и до нескольких миллиардов герц. Это колебания высокой частоты, которые находятся за областью слышимости ухом человека. Однако ультразвуковые волны вполне воспринимают некоторые виды животных. Это дельфины, киты, крысы и другие млекопитающие.

По физическим свойствам ультразвуковые волны являются упругими, поэтому они не имеют отличий от звуковых. В результате разница между звуковыми и ультразвуковыми колебаниями весьма условна, ведь она зависит от субъективного восприятия слуха человека и равняется верхнему уровню слышимого звука.

Но наличие более высоких частот, а значит и небольшой длины волны, придает ультразвуковым колебаниям определенные особенности:
  • Ультразвуковые частоты имеют разную скорость перемещения через различные вещества, благодаря чему можно с высокой точностью определять свойство протекающих процессов, удельную тепловую емкость газов, а также характеристики твердого тела.
  • Волны значительной интенсивности обладают определенными эффектами, которые подчиняются нелинейной акустике.
  • При движении ультразвуковых волн со значительной мощностью в жидкостной среде возникает явление акустической кавитации. Данное явление очень важно, ведь в результате создается поле пузырьков, которые образуются из субмикроскопических частиц газа или пара в водной или иной среде. Они пульсируют с некоторой частотой и захлопываются с огромным локальным давлением. Это создает сферические ударные волны, что ведет к появлению акустических микроскопических потоков. Благодаря использованию этого явления ученые научились очищать загрязненные детали, а также создавать торпеды, которые движутся в воде быстрее скорости звука.
  • Ультразвук может быть сфокусирован и сконцентрирован, что позволяет создавать звуковые рисунки. Это свойство с успехом применяется в голографии и звуковом видении.
  • Ультразвуковая волна вполне может выступать в качестве дифракционной решетки.
Свойства
Ультразвуковые волны по своим свойствам схожи со звуковыми волнами, однако у них есть и специфические особенности:
  • Малая длина волны. Даже для низкой границы длина равняется менее нескольких сантиметров. Такой небольшой размер длины приводит к лучевому характеру перемещения ультразвуковых колебаний. Непосредственно рядом с излучателем волна идет в виде пучка, которая приближается к параметрам излучателя. Однако, оказываясь в условиях неоднородной среды, пучок перемещается как луч света. Он также может отражаться, рассеиваться, преломляться.
  • Малый период колебаний, благодаря чему появляется возможность использования ультразвуковых колебаний в виде импульсов.
  • Ультразвук нельзя услышать и он не создает раздражающего эффекта.
  • При воздействии ультразвуковых колебаний на определенные среды можно добиться получения специфических эффектов. К примеру, можно создать локальный нагрев, дегазацию, обеззаразить среду, кавитацию и многие иные эффекты.
Принцип действия
Для создания ультразвуковых колебаний используются различные устройства:
  • Механические, где в качества источника выступает энергия жидкости или газа.
  • Электромеханические, где ультразвуковая энергия создается из электрической.

В качестве механических излучателей могут выступать свистки и сирены, работающие с помощью воздуха или жидкости. Они удобны и просты, однако у них есть свои минусы. Так коэффициент полезного действия у них находится в пределах 10-20 процентов. Они создают обширный спектр частот с нестабильной амплитудой и частотой. Это ведет к тому, что такие устройства невозможно использовать в условиях, когда требуется точность. Чаще всего их применяют в качестве средств сигнализации.

Электромеханические устройства используют принцип пьезоэлектрического эффекта. Его особенность в том, что при образовании электрозарядов на гранях кристалла происходит его сжимание и растягивание. В результате создаются колебания с частотой, зависящей от периода смены потенциала на поверхностях кристалла.

Кроме преобразователей, которые базируются на пьезоэлектрическом эффекте, могут применяться и магнитострикционные преобразователи. Они используются для создания мощного ультразвукового пучка. Сердечник, который выполнен из магнитострикционного материала, размещенный в проводящей обмотке, изменяет собственную длину согласно форме электрического сигнала, поступающего на обмотку.

Применение

Ультразвук находит широкое применение в самых разнообразных областях.

Чаще всего его используют в следующих направлениях:
  • Получение данных о конкретном веществе.
  • Обработка и передача сигналов.
  • Воздействие на вещество.
Так при помощи ультразвуковых волн изучают:
  • Молекулярные процессы в различных структурах.
  • Определение концентрации веществ в растворах.
  • Определение, состава, прочностных характеристик материалов и так далее.
В ультразвуковой обработке часто используется метод кавитации:
  • Металлизация.
  • Ультразвуковая очистка.
  • Дегазация жидкостей.
  • Диспергирование.
  • Получение аэрозолей.
  • Ультразвуковая стерилизация.
  • Уничтожения микроорганизмов.
  • Интенсификация электрохимических процессов.
Воздействием ультразвуковых волн в промышленности производят следующие технологические операции:
  • Коагуляция.
  • Горение в ультразвуковой среде.
  • Сушка.
  • Сварка.

В медицине ультразвуковые волны используются в терапии и диагностике. В диагностике задействуют локационные методы с применением импульсного излучения. К ним относятся ультразвуковая кардиография, эхоэнцефалография и ряд иных методов. В терапии ультразвуковые волны применяются в качестве методов, основанных на тепловом и механическом воздействии на ткани. К примеру, довольно часто во время операций используют ультразвуковой скальпель.

Также ультразвуковыми колебаниями проводится:

  • Микромассаж структур ткани при помощи вибрации.
  • Стимуляция регенерации клеток, а также межклеточного обмена.
  • Увеличение проницаемости оболочек тканей.

Ультразвук может действовать на ткани угнетением, стимулированием или разрушением. Все это зависит от применяемой дозы ультразвуковых колебаний и их мощности. Однако не на все области тела человека разрешается использовать такие волны. Так с определенной осторожностью воздействуют на сердечную мышцу и ряд эндокринных органов. На мозг, шейные позвонки, мошонку и ряд иных органов воздействие вовсе не используется.

Ультразвуковые колебания применяются в случаях, когда невозможно использовать рентген в:
  • Травматологии используется метод эхографии, который с легкостью обнаруживает внутреннее кровотечение.
  • Акушерстве волны применяются для оценки развития плода, а также его параметров.
  • Кардиологии они позволяют обследовать сердечнососудистую систему.
Ультразвук в будущем

На текущий момент ультразвук широко применяется в различных областях, но в будущем он найдет еще большее применение. Уже сегодня планируется создание фантастических для сегодняшнего дня устройств.

  • В медицинских целях разрабатывается технология ультразвуковой акустической голограммы. Данная технология предполагает расположение микрочастиц в пространстве для создания необходимого изображения.
  • Ученые работают над созданием технологии бесконтактных устройств, которые должны будут заменить сенсорные приборы. К примеру, уже сегодня созданы игровые устройства, которые распознают перемещения человека без непосредственного контакта. Прорабатываются технологии, которые предполагают создание невидимых кнопок, которые вполне можно ощутить руками и управлять ими. Развитие подобных технологий позволит создать бесконтактные смартфоны или планшеты. К тому же данная технология расширит возможности виртуальной реальности.
  • При помощи ультразвуковых волн уже сегодня можно заставить левитировать небольшие объекты. В будущем могут появиться машины, которые будут за счет волн парить над землей и в отсутствии трения перемещаться с огромной скоростью.
  • Ученые предполагают, что в будущем ультразвук позволит научить слепых людей видеть. Такая уверенность базируется на том, что летучие мыши распознают объекты с помощью отраженных ультразвуковых волн. Уже создан шлем, который преобразует отражаемые волны в слышимый звук.
  • Уже сегодня люди предполагают добывать полезные ископаемые в космосе, ведь там есть все. Так астрономы нашли алмазную планету, на которой полно драгоценных камней. Но как добывать такие твердые материалы в космосе. Именно ультразвук должен будет помочь в бурении плотных материалов. Такие процессы вполне возможны даже в отсутствии атмосферы. Такие технологии бурения позволят собирать образцы, проводить исследования и добывать полезные ископаемые там, где это сегодня считается невозможным.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Работа — ультразвуковая установка

Работа ультразвуковой установки заключается в следующем. В зону между обрабатываемой деталью и вибрирующим пуансоном ( инструментом), который очень близко подходит, но не касается обрабатываемой детали, поступает абразивный порошок, находящийся в жидкости во взвешенном состоянии. Одновременно пуансон постепенно опускается в выдолбленное таким способом пространство и процесс продолжается. [1]

Процесс работы ультразвуковой установки заключается в следующем. В зону между обрабатываемой заготовкой и вибрирующим пуансоном ( инструментом), который очень близко подходит, но не касается обрабатываемой заготовки, поступает абразивный порошок, находящийся в жидкости во взвешенном состоянии. От воздействия вибратора ( преобразовател я) абразивные зерна с большой силой, превышающей их вес в 5 — 10 тыс. раз, ударяются о заготовку и с большой скоростью выбивают из нее частицы материала. [2]

При работе ультразвуковых установок , предназначенных для очистки и травления деталей, а в некоторых случаях и для эмульгирования, диспергирования и интенсификации различных химических процессов, зачастую происходит выделение из рабочих сред вредных газов. Во избежание превышения предельно допустимых концентраций их, помещения, в которых эксплуатируются подобные установки, должны быть обеспечены вентиляцией, а сами установки должны иметь отсосы вредных паров и газов. [3]

При работе ультразвуковых установок вблизи проводов, соединяющих преобразователи с генератором, при отсутствии их экранировки обнаруживаются электромагнитные поля с основной частотой, равной рабочей частоте установки. [5]

Во время работы ультразвуковых установок в помещении, помимо ультразвуковых волн, возникает высокочастотный слышимый шум. Таким образом, работающие подвергаются воздействию не только ультразвуковых, но и высокочастотных звуковых колебаний. Воздействие этих колебаний осуществляется через воздух или же через непосредственный контакт с изучаемыми средами при соприкосновении рук рабочего с инструментами и деталями. [6]

При разборе принципов работы экспериментальной ультразвуковой установки было отмечено, что амплитуда исследуемых импульсов может быть грубо измерена путем визуального совмещения вершин импульсов, наблюдаемых на экране осциллографа, с выхода приемника с прямоугольным калибрующим видеоимпульсом. Калибрующий импульс формируется специальным генератором калибрующих импульсов, входящим в состав экспериментальной установки. [8]

Иногда, чтобы стабилизировать режим работы ультразвуковой установки , сделав его независящим от изменения напряжения питающей сети, бывает необходимо иметь на выходе генератора стабильную величину выходного напряжения. Такое требование предъявляется, в частности, к генераторам, питающим станки для ультразвуковой сварки. [9]

В ультразвуковых установках, работающих с жидкими технологическими средами трудно оценить, насколько полно используется ультразвуковое поле, так как работа технологических ультразвуковых установок основана на использовании кавита-ционного ультразвукового поля, являющегося нелинейной средой. Имеется ряд работ, которые рассматривают вопрос оценки ультразвукового кавитационного поля с точки зрения его эффективности. В работе [39] теоретически и экспериментально рассматривается эрозионная активность кавитационного поля, основанная на анализе динамики кавитационной полости, и оценивается ее величина в зависимости от параметров ультразвукового поля и физики химических свойств в жидкости. [10]

Так как нагрузка ( электромеханические преобразователи) имеет ограниченную рабочую полосу частот, определяемую добротностью механической колебательной системы, то нестабильность приводит к снижению эффективности работы ультразвуковой установки . [12]

Аналогичные процессы происходят попеременно в первом и во. Работа ультразвуковой установки контролируется с помощью световой сигнальной арматуры, расположенной на лицевой панели генератора, а также по характерному звуку самих преобразователей, приваренных электросваркой к наружной поверхности кот-лоагрегата. Частота звуковых сигналов равна частоте посылок импульсов тока в преобразователь. [14]

Ультразвуковые установки применяют как для чистки, так и для предотвращения отложений накипи на поверхности кожухотрубчатых теплообменников. Принцип работы ультразвуковой установки основан на упругих механических колебаниях частиц жидкости повышенной частоты. Колебания частиц жидкости вызывают кавитационные удары о загрязненную поверхность. Это нарушает сцепление между слоем ила или накипи и поверхностью аппарата, в результате чего загрязнения отделяются от этой поверхности. Для этих целей используют, например, магнитострикционные преобразователи ПМС-6. Чтобы предотвратить отложения накипи на внутренних поверхностях теплообменной аппаратуры, применяют импульсные ультразвуковые генераторы УНГ-61М, ИГ-58М, ИГУР. [15]

Принцип работы УЗИ

Если речь идет о техническом обслуживании, ремонте или работе на ультразвуковом оборудовании, в первую очередь необходимо понимать физические основы процессов, с которыми придется иметь дело. Конечно, как и в каждом деле, здесь есть очень много нюансов и тонкостей, но мы предлагаем Вам в первую очередь рассмотреть самую суть процесса. В данной статье мы коснемся следующих вопросов:

  1. Что такое ультразвук, каковы его характеристики и параметры
  2. Формирование ультразвука в современной технике на основе пьезокерамики
  3. Принципы работы УЗИ: цепь преобразований электрической энергии в энергию ультразвука и обратно.
  4. Основы формирования изображения на дисплее УЗИ-аппарата.

Обязательно посмотрите наше видео о том, как работает УЗИ

Наша основная задача — разобраться в том, что такое ультразвук, и какие его свойства помогают нам в современных медицинских исследованиях.

О звуке.

Мы знаем, что частоты от 16 Гц до 18 000 Гц, которые способен воспринимать слуховой аппарат человека, принято называть звуковыми. Но в мире также много звуков, которые мы услышать не можем, поскольку они ниже или выше диапазона доступных нам частот: это инфра- и ультра звук соответственно.

Звук имеет волновую природу, то есть все существующие в нашей вселенной звуки — волны, как, в прочем, и многие другие природные явления.

С физической точки зрения волна — это возбуждение среды, которое распространяется с переносом энергии, но без переноса массы. Другими словами, волны — это пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины, например — плотности вещества или его температуры.

Охарактеризовать параметры волны (в том числе и звуковой) можно через ее длину, частоту, амплитуду и период колебания.

Рассмотрим параметры волны более подробно:

Максимумы и минимумы физической величины можно условно представить в виде гребней и впадин волны.

Длиной волны называют расстояние между этими гребнями или между впадинами. Поэтому, чем ближе находятся друг к другу гребни — тем меньше длина волны и тем выше ее частота, чем гребни дальше друг от друга — тем длина волны выше и наоборот — тем ниже ее частота.

Еще один важный параметр — амплитуда колебания, или степень отклонения физической величины от ее среднего значения.

Все эти параметры связаны друг с другом (для каждой взаимосвязи есть точное математическое описание в виде формул, но приводить их здесь мы не будем, поскольку наша задача — понять основной принцип, а описать его с физической точки зрения можно всегда). Важна каждая из характеристик, но чаще всего Вам придется слышать именно о частоте ультразвука.

Ваш УЗИ аппарат предоставляет плохое качество визуализации? Оставьте заявку на вызов инженера прямо на сайте и он проведет бесплатную диагностику и настроит Ваш УЗИ сканер

Звук высокой частоты: Как вызвать несколько тысяч колебаний в секунду

Существует несколько способов получить ультразвук, но чаще всего в технике используются кристаллы пьезоэлектрических элементов и основанный на их применении пьезоэлектрический эффект: природа пьезоэлектриков позволяет генерировать звук высокой частоты под воздействием электрического напряжения, чем выше частота напряжения, тем быстрее (чаще) начинает вибрировать кристалл, возбуждая высокочастотные колебания в окружающей среде.

Оказавшись в поле высокочастотных звуковых колебаний, пьезокристалл напротив начинает генерировать электроэнергию. Включив такой кристалл в электрическую цепь и определенным образом обрабатываю получаемые с него сигналы мы можем формировать изображение на дисплее УЗИ-аппарата.

Но чтобы этот процесс стал возможным, необходимо дорогое и сложно организованное оборудование.

Несмотря на десятки и даже сотни взаимосвязанных компонентов УЗИ сканер можно условно разделить на несколько основных блоков, участвующих в преобразовании и передаче различных видов энергии.

Все начинается с источника питания, способного поддерживать высокое напряжение заранее заданных значений. Затем, через множество вспомогательных блоков и под постоянным контролем специального программного обеспечения сигнал передается на датчик, основным элементов которого является пьезокристаллическая головка. Она преобразует электрическую энергию в энергию ультразвуковых колебаний.

Через акустическую линзу, сделанную из особых материалов и согласующий гель ультразвуковая волна попадает в тело пациента.

Как и любая волна, ультразвук имеет свойство отражаться от встречающейся на его пути поверхности.

Далее волна проходит обратных путь через различные ткани человеческого тела, акустический гель и линзу она попадает на пьезокристаллическую решетку датчика, которая преобразует энергию акустической волны в электрическую энергию.

Принимая и правильным образом интерпретируя сигналы с датчика мы можем моделировать объекты, находящиеся на различной глубине и недоступные человеческому глазу.

Принцип построения изображения на основе данных ультразвукового сканирования

Рассмотрим как именно полученная информация помогает нам в построении изображения на УЗИ сканере. В основе этого принципа лежит различный акустический импеданс или сопротивление газообразных, жидких и твердых сред.

Другими словами, кости, мягкие ткани и жидкости нашего тела пропускают и отражают ультразвук в различной степени, частично поглощая и рассеивая его.

На самом деле весь процесс исследования можно разбить на микропериоды, и лишь малую часть каждого периода датчик испускает звук. Остальное время уходит на ожидание ответа. При этом время межу передачей и получением сигнала напрямую переводится в расстояние от датчика до “увиденного” объекта.

Информация о расстоянии до каждой точки помогает нам построить модель изучаемого объекта, а также используется для измерений, необходимых при ультразвуковой диагностике. Данные кодируются цветом — в результате мы получаем на экране УЗИ необходимое нам изображение.

Чаще всего это Черно-белый формат, поскольку считается, что к оттенкам серого наш глаз более восприимчив и с большей точностью. увидит разницу в показаниях, хотя в современных аппаратах используется и цветное представление, например, для исследования скорости кровотока, и даже звуковое представление данных. Последнее вместе с видеорядом в допплеровских режимах помогает поставить диагноз более точно и служит дополнительным источником информации.

Но Вернемся обратно к построению простейшего изображения и рассмотрим подробнее три случая:

Примеры простейших изображений будем изучать на основе B-режима. Визуализация костной ткани и других твердых образований представляет из себя светлые участки (в основном — именно белого цвета), поскольку от твердых поверхностей звук отражается лучше всего и почти в полном объеме возвращается к датчику.

В качестве примера мы можем отчетливо видеть белые области — камни в почках пациента.

Визуализация жидкости или пустот напротив представлена черными участками на снимке, поскольку не встречая преград звук проходит дальше в тело пациента и мы не получаем никакого ответа

Мягкие ткани, как например, структура самой почки будут представлены областями с различной градацией серого цвета. Именно от качества визуализации таких объектов и будет во многом зависеть точность диагноза и здоровье пациента.

Итак сегодня мы с Вами узнали о том, что такое ультразвук и как он используется в УЗИ-сканерах для исследования органов человеческого тела.

Если на Вашем УЗИ аппарате плохое качество изображения, обращайтесь в наш сервисный центр. Инженеры ERSPlus с большим опытом и высокой квалификацией всегда готовы Вам помочь

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector