4.3. Ультразвук

Дифракция света на ультразвуке– явление при котором свет испытывает дифракцию, проходя через среду, в которой присутствует ультразвуковая волна.

Дифракция света была обнаружена американскими и французскими учеными в 1932 г.

Упругие деформации в звуковой волне приводят к периодическому изменению показателя преломления п среды, в результате чего в среде возникает структура, аналогичная дифракционной решетке, с периодом, равным длине звуковой волны Л. Если в такой среде распространяется луч света, то в среде, помимо основного (0-го порядка), возникают дифракционные пучки света, характеристики которых – направление в пространстве, поляризация и интенсивность зависят от параметров звукового поля (частоты и интенсивности ультразвука, толщины звукового пучка), а также от угла, под которым падает свет на звуковой пучок.

Наблюдается так называемая резонансная дифракция, для которой характерна зависимость эффективности от длины пути, пройденного в области ультразвука. Свет может дифрагировать на НЧ звуке (несколько десятков МГц) и на гиперзвуке (звук ВЧ).

Применение: для определения характеристик звуковых полей, модулей упругости 2-го и 3-го порядков.

Дифракция используется для модуляции и отклонения света, для приема сигналов в УЗ-линиях задержки и др. [3].

Ультразвук– продольные колебания в газах, жидкостях и твердых телах в диапазоне частота 20·10³Гц. Применение ультразвука связано в основном с двумя его характерными особенностями: лучевым распространением и большой плотностью энергии.

Из-за малой длины волны распространение ультразвуковых волн с сопровождающими эффектами: отражением

Большая частота ультразвука позволяет сравнительно легко создавать ультразвуковые пучки с большой плотностью энергии, распространение которых в жидких и твердых телах сопровождается рядом эффектов, часто приводящих к необратимым явлениям. Эти эффекты – радиационное давление (избыточное давление испытуемое препятствием вследствие воздействия на него ультразвуковой волны и определяемое импульсом, передаваемом волной в единицу времени единице поверхности препятствия), акустическая кавитация (см. раздел 4.8) и акустические потоки, носящие вихревой характер и возникающие в свободном неоднородном поле и вблизи препятствий, находящихся в ультразвуковом поле.

Пластическая деформация и упрочнение. Воздействие ультразвука на процесс пластической деформации обусловлено влиянием его на контактные условия, свойства и структуру деформируемого металла. В этом случае возможны два нелинейных эффекта:акустическое разупрочнениеиакустическое упрочнение. Первый наблюдается в процессе воздействия интенсивным ультразвуком и заключается в уменьшении статического напряжения, необходимого для осуществления пластической деформации. Акустическое упрочение металлов достигается после воздействия ультразвуковых волн достаточно высокой интенсивности. Акустическое разупрочнение является результатом активации дислокаций, происходящей в результате поглощения акустической энергии в местах дефектов кристаллической решетки и других структурных несовершенств. Благодаря этому за малое время происходит локальный нагрев вокруг этих источников поглощения, снятие напряжений, разблокировка дислокаций, увеличение их подвижности, что обеспечивает более интенсивный ход пластической деформации.

Если валики прокатного стана колебать в направлении параллельном осям их вращения, с ультразвуковой частотой, то усилие деформации снижается в 1,5-2 раза, а степень деформации увеличивается на 20-50 %, причем контактное трение резко снижается.

При достижении определенного уровня акустической энергии, зависящего от свойства облучаемого металла, последний может пластически деформироваться при комнатной температуре без приложения внешней нагрузки.

Под действием ультразвука изменяются основные физико-химические свойства расплавов: вязкость, поверхностное натяжение на границе "расплав – форма" или "расплав – твердая фаза", температура и диффузия.

После ультразвуковой обработки расплава вязкость уменьшается на 10-50 %, причем характер изменения вязкости не позволяет считать, что уменьшение вязкости вызывается только тепловым воздействием ультразвука, поскольку на ряду с тепловым воздействием наблюдаются и другие эффекты, например, изменение трения между твердыми нерастворимыми примесями, находящихся в расплаве.

Воздействие ультразвука на расплав в процессе кристаллизации уменьшает поверхностное натяжение между расплавом и кристаллом при двухфазном состоянии, за счет чего уменьшается переохлаждение расплавов и увеличивается количество кристаллических зародышей, а структура расплава получается более мелкозернистой.

Ультразвуковая обработка металлов в жидком состоянии и во время кристаллизации приводит к изменению характера температурного поля. Возникновение акустических потоков в расплаве под действием ультразвука связано с потерей энергии в расплаве. Эти потери зависят от интенсивности ультразвука и акустических свойств среды. Акустические потоки вызывают интенсивное перемешивание расплава, выравнивание температуры и интенсификацию конвективной диффузии. При выравнивании температуры расплава увеличивается теплообмен со стенками и окружающей средой, в результате чего увеличивается скорость охлаждения, физическая сущность влияния ультразвука на теплообмен при естественной или вынужденной конвекции заключается в проникновении акустических потоков в пограничный и ламинарный подслой, что приводит к деформации этих слоев, их турбулизации и перемешиванию. В результате этого в несколько раз увеличивается коэффициент теплопередачи и скорость теплообмена.

Ультразвук ускоряет диффузионные процессы в металлических расплавах и на границе с твердой фазой. В этом случае под действием ультразвука происходит более легкое перемещение атомов из одного устойчивого состояния в другое благодаря образованию кавитационных пузырьков. При этом необходимо учитывать влияние вторичных эффектов акустических потоков, повышение температуры, акустического давления, вызывающих турбулентное перемещение и разрушение пограничного слоя между жидкой и твердой фазой при ускорении диффузии на границе жидкость твердое тело.

Дегазационный эффект. Под действием ультразвука растворенный газ сначала выделяется в виде пузырьков в зонах разряжения ультразвуковых волн, после этого пузырьки соединяются и при достижении достаточно большого размера всплывают на поверхность. Эффект можно объяснить следующим образом, при воздействии ультразвука в расплаве возникает кавитация: в образованные кавитационные пустоты проникает растворенный газ. При захлопывании кавитационных пузырей этот газ не успевает снова раствориться в металле и образует газовые пузырьки. Зародыши газовых пузырьков образуются и в полупериод разряжения при распространении упругих ультразвуковых колебаний в расплаве, т.к. при уменьшении давления растворимость газов уменьшается. После этого газовые пузырьки под влиянием колебательных движений коанулируют и, достигая определенных размеров, всплывают. Ускорение диффузии под действием ультразвука тоже может способствовать нарастанию газовых пузырьков.

Ультразвуковой капиллярный эффект. Явление капиллярности заключается в том, что при помещении в жидкость капилляра, смачиваемого жидкостью, в нем под действием сил поверхностного натяжения происходит подъем жидкости на некоторую высоту. Если жидкость в капилляре совершает колебания под влиянием источника ультразвука, то капиллярный эффект резко возрастает, высота столба жидкости увеличивается в несколько десятков раз, значительно возрастает и скорость подъема.

Экспериментально доказано, что в этом случае жидкость толкает вверх не радиационное давление и капиллярные силы, а стоячие ультразвуковые волны. Ультразвук снова и снова как бы сжимает столб жидкости и поднимает его вверх. Открытый эффект уже очень хорошо используется в промышленности, например, при пропитке изоляционными составами обмоток электродвигателей, окраске тканей, в тепловых трубах и т.п.

Трудно перечислить все эффекты, возникающие в результате воздействия ультразвука на вещество, поэтому кратко перечислим основные области применения ультразвука и приведем в заключение несколько интересных изобретений, показывающих широкие возможности использования ультразвука в изобретательстве.

Твердые вещества:

– размерная обработка сверхтвердых и хрупких материалов (сверление отверстий сложной формы, шлифование, полирование, наклеп, волочение проволоки, прокатка фольги и т.д.);

– лужение и паяние металлов, керамики, стекла и т.п.;

– сварка металлов и полимеров;

– диспергирование твердых порошкообразных материалов в жидкостях, эмульгирование несмешивающихся жидкостей;

– получение аэрозолей;

– полимеризация или деструкция высокомолекулярных соединений, ускорение массообразных и химических процессов;

– разрушение биологических объектов (микроорганизмов).

Действие ультразвука на жидкость базируется на использовании вторичных эффектов кавитации – высоких локальных давлений и температуры, образующихся при схлопывании кавитационных пузырьков.

Газы:

– сушка сыпучих, пористых и других материалов;

– очистка газов от твердых частиц и аэрозолей.

Акустомагнетоэлектрический эффект. Звук способен сортировать не только яблоки, но и электроны. Если поперек направления распространения звука в проводящей среде наложить магнитное поле, то электроны, которые увлекаются звуком, будут отклоняться в этом поле, что приведет к возникновению поперечного тока или, если образец "разомкнуть" в поперечном направлении, электродвижущей силы (ЭДС). Но магнитное поле в соответствии с законом Лоренца отклоняет электроны разных скоростей по разному, поэтому величина и даже знак ЭДС показывают, какие электроны увлекаются звуком, то есть каковы свойства электронного газа в данной среде. В каждом веществе звук увлекает за собой группу электронов характерных именно для данного вещества. Если звук проходит через границу двух веществ, то одни электроны должны смениться другими, например, более "холодные", более "горячими". При этом от границы будет тепло, а сама граница охлаждаться. Данный эффект похож на известный эффект Пельтье (см. раздел 8.2).

Однако принципиальное отличие этого эффекта от эффекта Пельтье состоит в том, что он не исчезает, даже при очень низких температурах и охлаждение может продолжаться до температур, близких к абсолютному нулю. Это открытие зарегистрировано под номером 133 в следующей формулировке:"Установлено неизвестное ранее явление возникновение в телах, проводящих ток, перемещенных в магнитном поле, при прохождении через них звука, электродвижущей силы поперек направления распространения звука, обусловленной взаимодействием со звуковой волной носителей заряда, находящихся в различных энергетических состояниях". На основе открытия уже сделано ряд изобретений.