Вопрос 11

Инфразву́к (от лат. infra — ниже, под) — упругие волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту ниже воспринимаемой человеческим ухом. За верхнюю границу частотного диапазона инфразвука обычно принимают 16—25 Гц. Нижняя же граница инфразвукового диапазона условно определена как 0.001 Гц. Практический интерес могут представлять колебания от десятых и даже сотых долей герц, то есть с периодами в десяток секунд

Инфразвук. Действие инфразвука на биологические объекты. Инфразвук - колебательные процессы с частотами ниже 20 Гц. Инфразвуки – не воспринимаются слухом человека. Инфразвук оказывает неблагоприятное влияние на функциональное состояние ряда систем организма: усталость, головная боль, сонливость, раздражение и др.Предполагается, что первичный механизм действия инфразвука на организм имеет резонансную природ.

Ультразвук — упругие звуковые колебания высокой частоты

Способы получения ультразвука: 1. магнитострикционный (получают ультразвук до 200кГц). Магнитострикция – это изменение формы и объёма ферромагнетика (железо, его сплавы с никелем) при помещении его в переменное магнитное поле. Переменное магнитное поле – это поле, вектор магнитной индукции которого изменяется во времени по гармоническому закону, т.е. изменение указанного параметра характеризуется определённой частотой. Это поле действует как вынуждающая сила, заставляющая стержень из железа сжиматься и растягиваться в зависимости от изменения величины магнитной индукции во времени. Частота сжатий и растяжений будет определяться частотой переменного магнитного поля. При этом в воздухе у концов стержня возникают деформации сжатия, которые распространяются в виде УЗ – волн.   Увеличения амплитуды УЗ-волн добиваются путём подбора такой частоты переменного магнитного поля, при которой наблюдается резонанс между собственными и вынужденными колебаниями стержня.   2. обратный пьезоэлектрический эффект (получают ультразвук более 200кГц). Пьезоэлектрики – вещества кристаллического строения, имеющие пьезоэлектрическую ось, то есть направление, в котором они легко деформируются (кварц, сегнетова соль, титанат бария и др.) Когда такие вещества помещают в переменное электрическое поле (по гармоническому закону колеблется напряжённость электрического поля), пьезоэлектрики начинают сжиматься и растягиваться вдоль пьезоэлектрической оси с частотой переменного электрического поля. При этом вокруг кристалла возникают механические возмущения – деформации сжатия и разряжения, которые распространяются в виде УЗ-волн. В достижении нужной амплитуды играют роль резонансные явления.   Эффект назван обратным, поскольку исторически раньше был открыт прямой пьезоэлектрический эффект – явление возникновения переменного электрического поля при деформации пьезоэлектриков.   Наличие прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта очень важно для работы УЗ- диагностических приборов. Для того чтобы направить УЗ-волну на тело пациента, необходимо получить её, что делают с помощью обратного пьезоэлектрического эффекта. Для того чтобы зарегистрировать и визуализировать отражённую УЗ-волну, необходимо её превратить в электрическое поле, чего достигают с помощью прямого пьезоэлектрического эффекта.

Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока — струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей — электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Распространение ультразвука - это процесс перемещения в пространстве и во времени возмущений, имеющих место в звуковой волне. Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, жидком или твердом состоянии, в том же направлении, в котором происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное разряжение и сжатие определенных объемов среды, причем расстояние между двумя соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны. Чем больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебаний. 

Взаимодействие ультразвука с веществом.

УЗ характеризуется следующими видами действия на вещество:   - механическое действие. Оно связано с деформацией микроструктуры вещества вследствие периодического сближения и отдаления составляющих вещество микрочастиц. Например, в жидкости УЗ-волна вызывает разрывы её целостности с образованием полостей – кавитаций. Это энергетически невыгодное состояние жидкостей, поэтому полости быстро закрываются с выделением большого количества энергии.   - тепловое действие. Связано с тем, что энергия, заключённая в УЗ-волне и выделяющаяся при закрытии кавитаций, частично рассеивается в тканях в виде тепла, что приводит к их нагреванию.   - физико-химическое действие. Проявляется в ионизации и диссоциации молекул веществ, ускорении химических реакций (например, окисления и восстановления) и т.д.

Кавита́ция (от лат. cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения эффекта. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырёк захлопывается, излучая при этом ударную волну.

Применение ультразвука в эхолокации

В рыбной промышленности применяют ультразвуковую эхолокацию для обнаружения косяков рыб. Ультразвуковые волны отражаются от косяков рыб и приходят в приёмник ультразвука раньше, чем ультразвуковая волна, отразившаяся от дна.

Применение ультразвука в дефектоскопии

Ультразвук хорошо распространяется в некоторых материалах, что позволяет использовать его для ультразвуковой дефектоскопии изделий из этих материалов. В последнее время получает развитие направление ультразвуковой микроскопии, позволяющее исследовать подповерхностный слой материала с хорошей разрешающей способностью.

Ультразвуковое диспергирование – это технологический процесс, предназначенный для размельчения твёрдых тел. Обычно ультразвуковое диспергирование происходит в жидкой фазе. В результате проведенного процесса получаются высокодисперсные и практически однородные смеси. На сегодняшний день этот процесс стал проводиться достаточно часто.  Скорость ультразвукового диспергирования  напрямую зависит от хрупкости диспрегируемого вещества, а также обратно связано со спайностью веществ.  В пищевой промышленности с помощью ультразвукового диспергирования происходит обработка животных и растительных клеток. Например, ультразвуковое диспергирование применяется для получения сухого молока, осветления растительных масел, старения коньячных спиртов. Его также применяют и в других отраслях: для обработки аморфных веществ, порошков всевозможных оксидов и прочего. Для того чтобы диспергирование возникло, необходимо обработать сырьё с помощью звукового поля или ультразвука, который  должен обладать необходимой частотой и интенсивностью.  В конце процесса диспергирования вводится поверхностно активное вещество, или так называемое ПАВ. Это необходимо делать для того, чтобы предотвратить слипание, или обратное диспергирование вещества.

Ультразвуковое резание

Наложение ультразвуковых колебаний на режущий инструмент - резец, сверло, метчик и другие режущие инструменты улучшает условия резания.

Работа при резании металла затрачивается, главным образом, на пластическую деформацию срезаемого слоя и на внешнее трение на рабочих гранях инструмента.Ультразвуковые колебания, сообщаемые режущему инструменту, могут оказывать значительное влияние на обе основные составляющие работы резания: создаваемые ими знакопеременные напряжения ускоряют движение и образование дислокаций, обеспечивая возникновение пластической деформации при более низких напряжениях, а циклические перемещения контактных поверхностей вызывают периодический поворот векторов сил трения на рабочих гранях инструмента, значительно уменьшающей сопротивление сходу стружки и облегчающий процесс стружкообразования. Кроме того, при резании вязких материалов на рабочей поверхности инструмента часто возникает торможение, или "застой" металла (называемый "наростом"), и наблюдается своеобразное трение покоя, сопровождающееся большой силой трения и ухудшением качества поверхности. Ультразвуковые колебания устраняют "застой" металла на инструменте, уменьшают силу трения и улучшают качество поверхности.

Эффект действия ультразвуковых колебаний на процесс резания зависит отамплитуды и частоты колебаний, отношения колебательной скорости инструмента и скорости перемещения инструмента относительно заготовки, величины сечения срезаемого слоя, физико-механических и теплофизических свойств материала инструмента и заготовки.

Наиболее широко ультразвуковые колебания применяются при обработке жаропрочных и титановых сплавов.

Использование ультразвуковых колебаний при резании материалов из хрупких неметаллов и полимерных материалов также приводит к повышению качества обрабатываемых поверхностей, уменьшению нагрева материала, снижению вероятности "сколов" (для хрупких неметаллов) и "подтеков" (для полимеров), увеличивает срок службы инструмента.