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 ~ 23 см.

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.

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.

Лабораторная установка SonoStep сочетает в себе ультразвуковую обработку, перемешивание и подачу проб; при этом она имеет компактный дизайн. С ней легко работать, ее можно использовать для подачи обработанных ультразвуком проб на аналитические устройства, например, для измерения размеров частиц.

Ультразвуковая обработка помогает диспергировать агломерированные частицы для их подготовки и анализа дисперсности и эмульсий. Это важно при измерении размера частиц, например, с помощью динамического рассеяния света или дифракцией лазерного излучения.

Эффективно и просто

Рециркуляция стандартной пробы, ultrasonic generator – ультразвуковой генератор, stirrer - мешалка, ultrasonic transducer – ультразвуковой преобразователь, pump - насос, analytic device – аналитический прибор Рециркуляция пробы с помощью SonoStep, ultrasonic generator and transducer – ультразвуковой генератор и преобразователь, motor with pump head – двигатель с насосом, analytic device – аналитический прибор

Применение ультразвука для рециркуляции пробы требует наличия четырёх компонентов: сосуда для перемешивания, ультразвукового генератора и преобразователя (датчика) и насоса. Все эти компоненты соединены между собой шлангами или трубками. Типовая установка показана на схеме (стандартная рециркуляция).

Прибор SonoStep включает в себя источник ультразвука и центробежный насос, находящиеся в стакане, выполненном из нержавеющей стали (см. рис. «рециркуляция пробы с использованием Sonostep»).

Устройство SonoStep соединено с аналитическим прибором.

Последовательная ультразвуковая обработка для получения лучших результатов

Ультразвуковая обработка улучшает точность измерений размеров и морфологии частиц, поскольку SonoStep выполняет три важных функции:

• циркуляцию

Ультразвук удаляет воздух из жидкости и, тем самым, устраняет мешающее влияние пузырьков на проведение измерений. Он прокачивает объём пробы с регулируемым расходом и рассеивает частицы в жидкости. Мощность ультразвука прикладывается непосредственно под ротором насоса, она обеспечивает распыление агломерированных частиц перед их измерением. Это обеспечивает получение более полного и повторяемого результата.

ЭЛЕКТРОСПЕЦ

ЭЛЕКТРОСПЕЦ

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

Недостатки:

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 (К кк):

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 «K кк » 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.

В статье описывается конструкция простейшей ультразвуковой установки, предназначенной для демонстрации опытов с ультразвуком. Установка состоит из генератора ультразвуковых колебаний, излучателя, фокусирующего устройства и нескольких вспомогательных устройств, позволяющих демонстрировать различные опыты, которые поясняют свойства и способы применения ультразвуковых колебаний.

С помощью простейшей ультразвуковой установки можно показать распространение ультразвука в различных средах, отражение и преломление ультразвука на границе двух сред, поглощение ультразвука в различных веществах. Кроме этого имеется возможность показать получение масляных эмульсий, очистку загрязненных деталей, ультразвуковую сварку, ультразвуковой жидкостный фонтан, биологическое воздействие ультразвуковых колебаний.

Изготовление подобной установки может быть осуществлено в школьных мастерских силами учащихся старших классов.

Установка для демонстрации опытов с ультразвуком состоит из электронного генератора (рис.1), кварцевого преобразователя электрических колебаний в ультразвуковые и линзового сосуда (рис.2) для фокусировки ультразвука. В блок питания входит только силовой трансформатор Тр1, так как анодные цепи ламп генератора питаются непосредственно переменным током (без выпрямителя). Такое упрощение не сказывается отрицательно на работе прибора и в то же время заметно упрощает его схему и конструкцию.

Электронный генератор выполнен по двухтактной схеме на двух лампах 6ПЗС, включенных по триодной схеме (экранные сетки ламп соединены с анодами). В анодные цепи ламп включен контур L1C2, определяющий частоту генерируемых колебаний, а в сеточные цепи - катушка обратной связи L2. В катодные цепи включено небольшое сопротивление R1, в значительной степени определяющее режим ламп.

Рис.1. Принципиальная схема генератора

Высокочастотный сигнал подается на кварцевый резонатор через разделительные конденсаторы С4 и С5. Кварц размещается в герметическом кварцедержателе (рис. 2) и соединяется с генератором проводами длиной 1 м.

Рис. 2. Линзовый сосуд и кварцедержатель

Кроме рассмотренных деталей, в схеме имеются еще конденсаторы C1 и С3 а также дроссель Др1 через который на аноды ламп подается анодное напряжение. Этот дроссель предотвращает короткое замыкание высокочастотного сигнала через конденсатор C1, и междувитковую емкость силового трансформатора.

Основными самодельными деталями генератора являются катушки L1 и L2, выполненные в виде плоских спиралей. Для их изготовления необходимо выпилить деревянный шаблон. Из доски шириной 25 см выпиливаются два квадрата, которые служат щечками шаблона. В центре каждой щечки следует сделать отверстия для металлического стержня диаметром 10-15 мм, а в одной из щечек вырезать отверстие или канавку шириной 3 мм для крепления вывода катушки. На металлическом стержне с обоих концов нарезают резьбу и между двумя гайками размещают щечки на расстоянии, равном диаметру наматываемой проволоки. На этом изготовление шаблона можно считать законченным и приступить к намотке катушек.

Металлический стержень одним концом зажимают в тисках, между щечками укладывают первый (внутренний) виток провода, после чего стягивают гайки и продолжают намотку. Катушка L1 имеет 16 витков, а катушка L2-12 витков медного провода диаметром 3 мм. Катушки L1 и L2 изготавливаются отдельно, затем размещаются одна над другой на крестовине из текстолита или пластмассы (рис. 3). Для того, чтобы придать катушкам большую прочность в крестовинах ножовкой или напильником выпиливаются углубления. Для закрепления катушек одну из них сверху следует прижать второй крестовиной (без углублений), а вторую положить прямо на пластину из органического стекла, гетинакса или пластмассы, укрепленную на металлическом шасси генератора.

Рис. 3

Дроссель высокой частоты наматывается на керамическом или пластмассовом каркасе диаметром 30 мм проводом марки ПЭЛШО-0,25 мм. Намотка ведется внавал секциями по 100 витков в каждой. Всего дроссель имеет 300-500 витков. В данной конструкции применен самодельный силовой трансформатор, выполненный на сердечнике из пластин Ш-33, толщина набора 33 мм. Сетевая обмотка содержит 544 витка провода ПЭЛ-0,45. Сетевая обмотка рассчитана на включение в сеть с напряжением 127 B. В случае использования сети с напряжением 220 в обмотка I должна содержать 944 витка провода ПЭЛ-0,35. Повышающая обмотка имеет 2980 витков провода ПЭЛ-0,14 и накальная обмотка ламп - 30 витков провода ПЭЛ-1,0. Такой трансформатор можно заменить силовым трансформатором марки ЭЛС-2, используя только сетевую обмотку, накальную обмотку ламп и повышающую обмотку полностью, или же любым силовым трансформатором мощностью не менее 70 BA и с повышающей обмоткой, обеспечивающей при нагрузке 470 B на анодах ламп 6ПЗС.

Кварцедержатель изготавливается из бронзы по чертежу, помещенному на рис. 4. В корпусе с помощью сверла диаметром 3 мм просверливается Г-образное отверстие для вывода провода л, В корпус вставлено резиновое кольцо е, которое служит для амортизации и изоляции кварца. Кольцо можно вырезать из обычной резинки для стирания карандаша. Контактное кольцо б вырезается из латунной фольги толщиной 0,2 мм. Это кольцо имеет лепесток м для припаивания провода. Оба провода л и и должны иметь хорошую изоляцию. Провод и припаивается к опорному флянцу О. Не рекомендуется скручивать провода между собой.

Рис.4. Кварцедержатель

Линзовый сосуд состоит из цилиндра е и ультразвуковой линзы б (рис.5). Цилиндр выгибают из пластинки органического стекла толщиной 3 мм на круглом деревянном шаблоне диаметром 19 мм.

Рис.5. Линзовый сосуд

Пластину нагревают над пламенем до размягчения, изгибают по шаблону и склеивают уксусной эссенцией. Склеенный цилиндр связывают нитками и оставляют до высыхания на два часа. После этого наждачной бумагой выравнивают торцевые концы цилиндра и снимают нитки. Для изготовления ультразвуковой линзы б нужно сделать специальное приспособление (рис. 6) из стального шарика диаметром 18-22 мм от шарикового подшипника. Шарик следует отжечь, нагрев его до красного каления и медленно охладив. После этого в шарике просверливают отверстие диаметром 6 мм и нарезают внутреннюю резьбу. Для закрепления этого шарика в патроне сверлильного станка из прута нужно изготовить стержень с резьбой на одном конце.

Рис.6. Приспособление

Стержень с навинченным шариком зажимают в патрон станка, включают станок на средних оборотах и, вдавливая шарик в пластину органического стекла толщиной 10 - 12 мм, получают необходимое сферическое углубление. Когда шарик углубится на расстояние, равное его радиусу, сверлильный станок выключают и, не прекращая нажима на шарик, охлаждают его водой. В результате в пластине органического стекла получается сферическое углубление ультразвуковой линзы. Из пластины с углублением вырезают ножовкой квадрат со стороной 36 мм, выравнивают мелкозернистой наждачной бумагой образовавшийся вокруг углубления кольцевой выступ и стачивают снизу пластину так, чтобы в центре углубления осталось дно толщиной 0,2 мм. Затем отшлифовывают до прозрачности поцарапанные наждачной бумагой места и на токарном станке обрезают углы так, чтобы сферическое углубление осталось в центре пластины. С нижней стороны пластины необходимо сделать выступ высотой 3 мм и диаметром 23,8 мм для центровки линзы на кварцедержателе.

Обильно смочив уксусной эссенцией или дихлорэтаном один из торцовых концов цилиндра, приклеивают его на ультразвуковую линзу так, чтобы центральная ось цилиндра совпала с осью, проходящей через центр линзы. После высыхания в склееном сосуде просверливают три отверстия для подстроечных винтов. Вращать эти винты лучше всего с помощью специальной отвертки, изготовленной из обычной проволоки длиной 10-12 см и диаметром 1,5-2 мм и снабженной ручкой из изоляционного материала. После изготовления указанных деталей и монтажа генератора можно приступить к налаживанию прибора, которое обычно сводится к настройке контура L1C2 в резонанс с собственной частотой кварца. Кварцевую пластинку в (рис.4) следует вымыть с мылом в проточной воде и высушить. Контактное кольцо б сверху зачищают до блеска. Аккуратно накладывают кварцевую пластинку сверху контактного кольца и, капнув несколько капель трансформаторного масла на края пластинки, завинчивают крышку д, так, чтобы она прижала кварцевую пластинку. Для индикации ультразвуковых колебаний углубления а и г на крышке заполняют трансформаторным маслом или керосином. После включения питания и минутного прогрева вращают ручку настройки и добиваются резонанса между колебаниями генератора кварцевой пластинки. В момент резонанса наблюдается максимальное вспучивание жидкости, налитой в углублении на крышке. После настройки генератора можно приступить к демонстрации опытов.

Конструкция генератора.

Одна из наиболее эффективных демонстраций - это получение фонтана жидкости под действием ультразвуковых колебаний. Для того чтобы получить фонтан жидкости, нужно "линзовый" сосуд разместить поверх кварцедержателя так, чтобы между дном "линзового" сосуда и кварцевой пластиной не образовалось скопления воздушных пузырьков. Затем следует налить в линзовый сосуд обычной питьевой воды и через минуту после включения генератора на поверхности воды появится ультразвуковой фонтан. Высоту фонтана можно изменять с помощью подстроечных винтов, предварительно подстроив генератор с помощью конденсатора С2. При правильной настройке всей системы можно получить водяной фонтан высотой 30-40 см (рис.7).

Рис.7. Ультразвуковой фонтан.

Одновременно с появлением фонтана возникает водяной туман, являющийся результатом кавитационного процесса, сопровождающегося характерным шипением. Если в "линзовый" сосуд вместо воды налить трансформаторного масла, то фонтан по высоте заметно увеличивается. Непрерывное наблюдение фонтана можно вести до тех пор, пока уровень жидкости в "линзовом" сосуде не снизится до 20 мм. Для длительного наблюдения фонтана следует оградить его стеклянной трубкой Б, по внутренним стенкам которой фонтанирующая жидкость сможет стекать обратно.

При воздействии ультразвуковых колебаний на жидкость в ней образуются микроскопические пузырьки (явление кавитации), что сопровождается значительным повышением давления в месте образования пузырьков. Это явление приводит к разрушению частиц вещества или живых организмов, находящихся в жидкости. Если "в линзовый" сосуд с водой поместить маленькую рыбку или же дафний, то через 1-2 минуты облучения ультразвуком они погибнут. Проекция "линзового" сосуда с водой на экран дает возможность наблюдать последовательно все процессы этого опыта в большой аудитории (рис.8).

Рис.8. Биологическое действие ультразвуковых колебаний.

С помощью описываемого устройства можно демонстрировать применение ультразвука для очистки мелких деталей от загрязнения. Для этого в основание фонтана жидкости, помещают небольшую деталь (шестеренку от часов, кусочек металла и т.п.), обильно смазанную солидолом. Фонтан значительно уменьшится и может прекратиться вовсе, но загрязненная деталь постепенно очищается. Следует заметить, что очистка деталей ультразвуком требует применения более мощных генераторов, поэтому очистить всю загрязненную деталь за короткий отрезок времени нельзя и нужно ограничиться только очисткой нескольких зубьев.

Используя кавитационное явление, можно получить масляную эмульсию. Для этого в "линзовый" сосуд наливается вода и сверху добавляется немного трансформаторного масла. Чтобы избежать разбрызгивания эмульсии, нужно линзовый сосуд с содержимым накрыть стеклом. При включении генератора образуется фонтан воды и масла. Через 1-2 мин. облучения в линзовом сосуде образуется устойчивая эмульсия молочного цвета.

Известно, что распространение ультразвуковых колебаний в воде можно сделать видимым и наглядно продемонстрировать некоторые свойства ультразвука. Для этого необходима ванна с прозрачным и ровным дном и по возможности больших размеров, с высотой бортов не менее 5-6 см. Ванна размещается над отверстием в демонстрационном столе, так чтобы можно было осветить все прозрачное дно снизу. Для освещения хорошо использовать шестивольтовую автомобильную электрическую лампочку в качестве точечного источника света для проекции исследуемых процессов на потолок аудитории (рис.9).

Рис.9. Преломление и отражение ультразвуковых волн.

Можно применять и обычную лампочку освещения небольшой мощности. В ванну наливают воду так, чтобы кварцевая пластинка в кварцедержателе при вертикальном размещении погружалась в нее полностью. После этого можно включать генератор и, переводя кварцедержатель из вертикального положения в наклонное, наблюдать распространение ультразвукового луча в проекции на потолке аудитории. Кварцедержатель при этом можно держать за подведенные к нему провода л и ц или же предварительно закрепить в специальный держатель, с помощью которого можно плавно изменять соответственно углы падения ультразвукового луча в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Ультразвуковой луч наблюдается в виде светлых пятен, расположенных вдоль распространения ультразвуковых колебаний в воде. Размещая на пути распространения ультразвукового луча какое-либо препятствие, можно наблюдать отражение и преломление луча.

Описываемая установка позволяет проводить и другие опыты, характер которых зависит от изучаемой программы и оборудования учебного кабинета. В качестве нагрузки генератора можно включать пластинки из титаната бария и вообще любые пластинки, обладающие пьезоэффектом на частотах от 0,5 МГц до 4,5 МГц. При наличии пластин на другие частоты требуется изменить количество витков в катушках индуктивности (увеличивать для частот ниже 0,5 МГц и уменьшать для частот выше 4,5 МГц). При переделке колебательного контура и катушки обратной связи на частоты 15 кГц можно включать вместо кварца любой магнитострикционный преобразователь мощностью не более 60 ВА

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. При распространении в материальной среде звуковая волна переносит энергию, которая может использоваться в технологических процессах.

Достоинства ультразвуковой обработки:

Возможность получения акустической энергии различными техническими приёмами;

Широкий диапазон применения ультразвука (от размерной обработки до сварки, пайки и т. д.);

Простота автоматизации и эксплуатации;

Недостатки:

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 и лопание их.

При этом возникают большие местные мгновенные давления, достигающие 10 8 Н/м2;

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 за счёт образования всплывающих пузырьков больших размеров.

1.1. Элементы ультразвуковых установок

Любая ультразвуковая установка (УЗУ) включает в себя три основных элемента:

Источник ультразвуковых колебаний;

Акустический трансформатор скорости (концентратор);

Детали крепления.

Источники ультразвуковых колебаний (УЗК) могут быть двух видов – механические и электрические.

Механические преобразуют механическую энергию, например, скорость движения жидкости или газа. К ним относятся ультразвуковые сирены или 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 объёма) под действием магнитного поля.

Магнитострикционный эффект у различных материалов различен. Высокой магнитострикцией обладают никель и пермендюр (сплав железа с кобальтом).

Пакет магнитострикционного преобразователя представляет собой сердечник из тонких пластин, на котором размещена обмотка для возбуждения в нём переменного электромагнитного поля высокой частоты.

Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на способности некоторых веществ изменять свои геометрические размеры (толщину и объём) в электрическом поле. Пьезоэлектрический эффект обратим. Если пластину из пьезоматериала подвергнуть деформации сжатия или растяжения, то на её гранях появятся электрические заряды. Если пьезоэлемент 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.

Акустические трансформаторы скорости (концентраторы продольных упругих колебаний) могут иметь различную форму (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Формы концентраторов

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.

1.2. Технологическое использование ультразвуковых колебаний

В промышленности ультразвук используется по трём основным направлениям: силовое воздействие на материал, интенсификация и ультразвуковой контроль процессов.

Силовое воздействие на материал

Применяется для механической обработки твёрдых и сверхтвёрдых сплавов, получения стойких эмульсий и т. п.

Наиболее часто применяются две разновидности ультразвуковой обработки на характерных частотах 16–30 кГц:

Размерная обработка на станках с применением инструментов;

Очистка в ваннах с жидкой средой.

Основным рабочим механизмом ультразвукового станка является акустический узел (рис. 1.2). 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.

Рис. 1.2. Акустический узел ультразвуковой установки

Колебания вибратора, который переменно удлиняется и укорачивается с ультразвуковой частотой в направлении магнитного поля обмотки, усиливаются концентратором 4, присоединённым 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 подаётся проточная охлаждающая вода.

Инструмент должен иметь форму заданного сечения отверстия. В пространство между торцом инструмента и обрабатываемой поверхностью детали из сопла 7 подаётся жидкость с мельчайшими зёрнами абразивного порошка.

От колеблющегося торца инструмента зёрна абразива приобретают большую скорость, ударяются о поверхность детали и выбивают из неё мельчайшую стружку.

Хотя производительность каждого удара ничтожно мала, производительность установки относительно высока, что обусловлено высокой частотой колебаний инструмента (16–30 кГц) и большим количеством зёрен абразива, движущихся одновременно с большим ускорением.

По мере снятия слоёв материала производится автоматическая подача инструмента.

Абразивная жидкость подаётся в зону обработки под давлением и вымывает отходы обработки.

С помощью ультразвуковой технологии можно выполнять такие операции, как прошивка, долбление, сверление, резание, шлифование и другие.

Ультразвуковые ванны (рис. 1.3) применяются для очистки поверхностей металлических деталей от продуктов коррозии, плёнок окислов, минеральных масел и др.

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 в бачок (4), заполненный жидкой моющей средой (2). Излучателем ультразвуковых колебаний является диафрагма (5), соединённая с магнитострикционным вибратором (6) с помощью клеящего состава (8). Ванна установлена на подставке (7). Волны ультразвуковых колебаний (3) распространяются в рабочей зоне, где производится обработка.

Рис. 1.3. Ультразвуковая ванна

Наиболее эффективна ультразвуковая очистка при удалении загрязнений из труднодоступных полостей, углублений и каналов небольших размеров. Кроме того, этим методом удаётся получить стойкие эмульсии таких несмешивающихся обычными способами жидкостей как вода и масло, ртуть и вода, бензол 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 определённой силе звука идёт 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 затвердевших расплавов и снижению содержания газов в металлах.

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 её состоянии. Как правило, применяются ультразвуковые колебания небольшой интенсивности.

По изменению энергии звуковой волны можно контролировать состав различных смесей, не являющихся химическими соединениями. Скорость звука в таких средах не изменяется, а наличие примесей взвешенного вещества влияет на коэффициент поглощения звуковой энергии. Это даёт 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.

Выводы: ультразвук – упругие волны с частотой колебаний от 20 кГц до 1 ГГц, не слышимые человеческим ухом. Ультразвуковые установки широко используют для обработки материалов за счет высокочастотных акустических колебаний.