1. Поняття про ультразвук та його властивості

Ультразвуком (УЗ) називають пружні механічні коливання, які поширюються в середовищі з частотою понад 20 кГц.

Ультразвукові хвилі (як і світлові) відбиваються від перешкод, які зустрічаються на шляху їх поширення. Ці хвилі можна збирати у пучок і спрямовувати на об'єкт оброблення чи дослідження. Падаючи на межу двох середовищ, наприклад, повітря - вода, кварц - алюміній, ультразвукові хвилі частково відбиваються, а частково проникають у друге середовище. Найкраще УЗ проходить через межу однофазних сере­довищ, наприклад із твердої речовини у тверду, значно гірше - через межу різнофазних, наприклад з рідини у тверду речовину і навпаки, і зовсім погано - із газу у рідину чи тверду речовину і навпаки.

2. /Іжерела ультразвуку

Джерелом ультразвуку є коливне тіло, частота коливань якого перевищує 20 кГц.

За принципом дії джерела УЗ поділяють на електродинамічні, магнетострикційні та п'єзоелектричні (електрострикційні). Вони відріз­няються діапазоном частот ультразвуку, які випромінюють.

Так, електродинамічні джерела випромінюють УЗ коливання з частотою 30-40 кГц, магнетострикційні - до 200 кГц, а п'єзоелек­тричні - від 100 кГц до 50 мГц. Для отримання УЗ коливань найчастіше застосовують магнетострикційні або п'єзоелектричні джерела.

1. Магнетострикційні джерела УЗ. В основі принципу дії магне- тострикційного випромінювача лежить явище магнетострикції, яке у 1847 р. відкрив англійський фізик Дж. Джоуль. Вивчаючи вплив магнетного поля на лінійні розміри металів, Дж. Джоуль зауважив, що залізний стрижень у слабкому магнетному полі видовжується, а у сильному - скорочується. Нікелевий стрижень тільки скорочується.

Магнетострикцією називають зміну розмірів феромагнетних матеріялів під дією магнетного поля.

Явище магнетострикції сильно проявляється у нікелі, нержавіючій сталі. Великий магнетострикційний ефект має сплав пермендюр, який складається з 49% заліза, 49% кобальту і 2% ванадію. Саме з цього сплаву виготовляють магнетострикційні випромінювачі ультразвуку. Залежно від призначення магнетострикційні випромінювачі можуть мати різну форму. Найчастіше вони мають вигляд стрижня або труби з обмоткою, по якій проходить струм потрібної частоти, торцеві поверхні яких випромінюють ультразвук. Магнетострикційні випромінювачі мають просту будову, велику міцність, тривалий термін служби і є дешевими. Для отримання УЗ коливань великої потужності такі випромінювачі не потребують великих напруг. Проте за допомогою магнетострикційних випромінювачів можна отримати УЗ коливання значної інтенсивності тільки з частотами близько 200 кГц. Для отримання УЗ коливань більших частот довжина стрижня магнетострикційного випромінювача не повинна перевищувати один сантиметр.

2. П'єзоелектричні джерела УЗ. П'єзоелектричний ефект відкрито у 1880 р. французькими вченими братами П'єром і Жоржем Кюрі в процесі дослідження властивостей кристалів кварцу. Якщо на кварцеву пластинку подати електричну напругу, то вона змінить свої розміри - стиснеться або розтягнеться. Чим вища напруга, тим більшою буде деформація пластинки. Якщо на грані пластинки подати змінну напругу, то в такт коливанню напруги пластинка буде стискатись або розтя­гуватися, створюючи навколо себе звукові хвилі. Якщо прикладена напруга змінюватиметься з ультразвуковою частотою, то пластинка буде джерелом УЗ коливань. Крім кварцу, який є дуже крихким, п'єзоелектричні властивості мають інші кристалеві матеріяли. Останнім часом усе частіше в різних установках використовують титанат барію, п'єзоелектричний ефект якого у 200 разів перевищує п'єзоефект кварцу. Титанат барію дешевший ніж кварц. Випромінювачі УЗ коливань з титанату барію виготовляють способом порошкової металургії.

Ультразвукові перетворювачі живляться електричною енергією. Для цього використовують генератори, які виробляють струм великої частоти. Потужність, розміри та частоту коливань генератора вибирають згідно з його призначенням. Наприклад, в ультразвукових верстатах для механічного оброблення твердих сплавів і очищення поверхонь деталей потрібні генератори потужністю до 20 кВт, а для установок ультразвукової фізіотерапії-потужністю 10-20 Вт.

14.3. Використання ультразвуку

Ультразвук використовують при виконанні певних видів робіт та для прискорення технологічних процесів. Так, намокання у розчині деяких сортів шкіри при дубленні триває 5 діб, а з допомогою УЗ час намокання скорочується у 8 разів.

Важливу роль відіграє УЗ у процесі виробництва цементу: краще подрібнюється цементний клінкер.

Останнім часом усе ширше використовують УЗ для прискорення технологічних процесів у харчовій промисловості: соління м'ясних виробів, виготовлення овочевих консервів, пюре, майонезу, кремів, маргарину, дозрівання сиру тощо.

Широко використовують УЗ і при висушуванні сировини та готової продукції, особливо це дуже важливо у фармацевтичній і хемічній промисловостях, де висушування за високих температур може спричинити розпад та руйнування речовин. При висушуванні УЗ коливання поширюються назустріч рухові висушуваних речовин, тобто мають місце зустрічні процеси.

З кожним днем у машино- та приладобудуванні все ширше використовують тверді та крихкі конструкційні матеріяли, такі як надтверді сплави, загартовані сталі, кераміку, скло, алмаз, кварц тощо. Оброблювати їх різанням на верстатах за допомогою інструментів (різців, свердел, фрез тощо) дуже важко, а то й зовсім неможливо. УЗ коливання використовують для різання матеріялів, які проводять електричний струм і які не проводять його: виготовляють отвори, канавки, нарізають різь на виробах, виготовлених в основному з крихких матеріялів (скло, кераміка, коштовне каміння тощо). Економічно невигідно обробляти за допомогою УЗ в'язкі матеріяли, такі як мідь, латунь.

Ультразвук допомагає виявити приховані дефекти у деталях, не руй­нуючи їх. Прилади для виявлення дефектів називають дефектоскопами.

За допомогою УЗ очищають поверхні виробів перед нанесенням на них покрить і перед паянням.

У процесі виробництва сірчаної кислоти за допомогою УЗ вловлюють сірчисті гази, які повертають у технологічний процес, а не забруднюють довкілля.

Ультразвук використовують військові моряки для виявлення підводних човнів, а також пошуку затоплених.

4