Siêu âm là gì và nó được sử dụng như thế nào trong công nghiệp?
Sóng siêu âm được gọi là sóng đàn hồi (sóng lan truyền trong môi trường lỏng, rắn và khí do tác động của lực đàn hồi), tần số nằm ngoài phạm vi mà con người có thể nghe được - từ khoảng 20 kHz trở lên.
Ban đầu, âm thanh siêu âm và âm thanh nghe được chỉ được phân biệt trên cơ sở nhận thức hoặc không nhận thức của tai người. Ngưỡng nghe của những người khác nhau thay đổi từ 7 đến 25 kHz và người ta đã xác định rằng một người cảm nhận được siêu âm với tần số 30 - 40 kHz thông qua cơ chế dẫn truyền xương. Do đó, giới hạn dưới của tần số siêu âm được chấp nhận theo quy ước.
Giới hạn trên của tần số siêu âm kéo dài đến tần số 1013 — 1014 Hz, tức là cho đến các tần số mà bước sóng có thể so sánh được với khoảng cách giữa các phân tử trong chất rắn và chất lỏng. Trong chất khí, ranh giới này nằm bên dưới và được xác định bởi đường đi tự do của phân tử.
Chức năng hữu ích của sóng siêu âm
Và mặc dù siêu âm vật lý có cùng bản chất với âm thanh nghe được, chỉ khác nhau về mặt điều kiện (tần số cao hơn), nhưng chính vì tần số cao hơn mà siêu âm được áp dụng theo một số hướng hữu ích.
Vì vậy, khi đo tốc độ siêu âm trong chất rắn, lỏng hoặc khí, sai số rất nhỏ khi quan sát các quá trình nhanh, khi xác định nhiệt dung riêng (khí), khi đo hằng số đàn hồi của chất rắn.
Tần số cao ở biên độ thấp giúp có thể đạt được mật độ dòng năng lượng tăng lên, vì năng lượng của sóng đàn hồi tỷ lệ với bình phương tần số của nó. Ngoài ra, sóng siêu âm, nếu được sử dụng đúng cách, có thể tạo ra một số hiệu ứng và hiện tượng âm thanh rất đặc biệt.
Một trong những hiện tượng bất thường này là hiện tượng xâm thực âm thanh, xảy ra khi một sóng siêu âm mạnh hướng vào một chất lỏng. Trong chất lỏng, trong vùng hoạt động của siêu âm, các bong bóng hơi hoặc khí nhỏ (kích thước siêu nhỏ) bắt đầu phát triển thành các phần nhỏ có đường kính một milimet, dao động theo tần số của sóng và sụp đổ trong pha áp suất dương.
Bong bóng sụp đổ cục bộ tạo ra một xung áp suất cao được đo bằng hàng nghìn atm, trở thành nguồn gốc của sóng xung kích hình cầu. Các vi dòng âm thanh được tạo ra gần các bong bóng dao động như vậy rất hữu ích để chuẩn bị nhũ tương, làm sạch các bộ phận, v.v.
Bằng cách tập trung siêu âm, hình ảnh âm thanh thu được trong hình ba chiều âm thanh và hệ thống thị giác âm thanh, và năng lượng âm thanh được tập trung để tạo thành chùm tia định hướng với các đặc tính định hướng được xác định và kiểm soát.
Sử dụng sóng siêu âm làm cách tử nhiễu xạ ánh sáng, có thể thay đổi chiết suất ánh sáng cho nhiều mục đích khác nhau, vì mật độ trong sóng siêu âm, cũng như trong sóng đàn hồi, thường thay đổi theo chu kỳ.
Cuối cùng là các đặc tính liên quan đến tốc độ lan truyền của sóng siêu âm. Trong môi trường vô cơ, siêu âm lan truyền với tốc độ phụ thuộc vào độ đàn hồi và mật độ của môi trường.
Đối với môi trường hữu cơ, ở đây tốc độ bị ảnh hưởng bởi ranh giới và bản chất của chúng, tức là tốc độ pha phụ thuộc vào tần số (độ phân tán). được phân tán, hấp thụ.
Ma sát bên trong của môi trường (độ nhớt cắt) dẫn đến sự hấp thụ siêu âm cổ điển, hơn nữa, sự hấp thụ thư giãn cho siêu âm vượt trội hơn so với cổ điển. Trong chất khí, siêu âm bị suy yếu mạnh hơn, trong chất rắn và chất lỏng, nó yếu hơn nhiều. Ví dụ, trong nước, nó phân hủy chậm hơn 1000 lần so với trong không khí. Do đó, các ứng dụng công nghiệp của siêu âm gần như hoàn toàn liên quan đến chất rắn và chất lỏng.
Việc sử dụng siêu âm
Việc sử dụng siêu âm đang phát triển theo các hướng sau:
- công nghệ siêu âm, cho phép tạo ra các tác động không thuận nghịch lên một chất nhất định và trong quá trình các quá trình hóa lý bằng sóng siêu âm với cường độ từ đơn vị W/cm2 đến hàng trăm nghìn W/cm2;
- kiểm soát siêu âm dựa trên sự phụ thuộc của sự hấp thụ và tốc độ của siêu âm vào trạng thái của môi trường mà nó lan truyền;
- phương pháp định vị siêu âm, đường trễ tín hiệu, chẩn đoán y tế, v.v., dựa trên khả năng lan truyền của rung động siêu âm tần số cao hơn trong các chùm (tia) thẳng hàng, tuân theo quy luật âm học hình học và đồng thời lan truyền với tốc độ tương đối thấp.
Siêu âm đóng một vai trò đặc biệt trong nghiên cứu cấu trúc và tính chất của một chất, vì với sự trợ giúp của chúng, việc xác định các đặc điểm đa dạng nhất của môi trường vật chất, chẳng hạn như hằng số đàn hồi và nhớt đàn hồi, đặc điểm nhiệt động, dạng bề mặt Fermi, là tương đối dễ dàng. lệch vị trí, sự không hoàn hảo của mạng tinh thể, v.v. Nhánh liên quan của nghiên cứu siêu âm được gọi là âm học phân tử.
Siêu âm trong định vị bằng tiếng vang và sonar (thực phẩm, quốc phòng, khai thác mỏ)
Nguyên mẫu đầu tiên của sonar được kỹ sư người Nga Shilovsky cùng với nhà vật lý người Pháp Langevin tạo ra để ngăn chặn sự va chạm của tàu với các khối băng và tảng băng trôi vào năm 1912.
Thiết bị sử dụng nguyên lý phản xạ và tiếp nhận sóng âm thanh. Tín hiệu nhắm vào một điểm nhất định và bằng độ trễ của tín hiệu phản hồi (tiếng vang), khi biết tốc độ âm thanh, có thể ước tính khoảng cách đến chướng ngại vật phản xạ âm thanh.
Shilovsky và Langevin bắt đầu nghiên cứu sâu về thủy âm học và nhanh chóng tạo ra một thiết bị có khả năng phát hiện tàu ngầm của đối phương ở Địa Trung Hải ở khoảng cách lên tới 2 km. Tất cả các sonar hiện đại, bao gồm cả sonar quân sự, đều là hậu duệ của thiết bị này.
Máy đo tiếng vang hiện đại để nghiên cứu bức phù điêu phía dưới bao gồm bốn khối: máy phát, máy thu, đầu dò và màn hình.Chức năng của máy phát là gửi các xung siêu âm (50 kHz, 192 kHz hoặc 200 kHz) vào sâu trong nước, các xung này lan truyền trong nước với tốc độ 1,5 km/s, nơi chúng được phản xạ bởi cá, đá và các vật thể khác. và bên dưới, sau khi tiếng vang này đến máy thu, bộ chuyển đổi được xử lý và kết quả được hiển thị trên màn hình ở dạng thuận tiện cho nhận thức trực quan.
Siêu âm trong ngành công nghiệp điện và điện tử
Nhiều lĩnh vực vật lý hiện đại không thể thiếu siêu âm. Vật lý của chất rắn và chất bán dẫn, cũng như điện tử âm thanh, theo nhiều cách có liên quan chặt chẽ với các phương pháp nghiên cứu siêu âm — với các hiệu ứng ở tần số 20 kHz trở lên. Một vị trí đặc biệt ở đây là điện tử âm thanh, nơi sóng siêu âm tương tác với điện trường và electron bên trong vật thể rắn.
Sóng siêu âm thể tích được sử dụng trong các đường trễ và trong các bộ cộng hưởng thạch anh để ổn định tần số trong các hệ thống điện tử hiện đại để xử lý và truyền thông tin. trong bộ nhớ và các thiết bị đọc ảnh. Cuối cùng, các bộ tương quan và bộ tích chập sử dụng hiệu ứng âm điện ngang trong hoạt động của chúng.
Điện tử vô tuyến và siêu âm
Các đường trễ siêu âm rất hữu ích để trì hoãn một tín hiệu điện so với tín hiệu khác.Một xung điện được chuyển đổi thành một xung rung động cơ học với tần số siêu âm, lan truyền chậm hơn nhiều lần so với xung điện từ; rung động cơ học sau đó được chuyển đổi trở lại thành xung điện và tín hiệu được tạo ra bị trễ so với đầu vào ban đầu.
Để chuyển đổi như vậy, đầu dò áp điện hoặc từ giảo thường được sử dụng, đó là lý do tại sao các đường trễ còn được gọi là áp điện hoặc từ giảo.
Trong đường trễ áp điện, một tín hiệu điện được đưa vào một tấm thạch anh (đầu dò áp điện) được nối cứng với một thanh kim loại.
Một bộ chuyển đổi áp điện thứ hai được nối với đầu kia của thanh. Đầu dò đầu vào nhận tín hiệu, tạo ra các rung động cơ học lan truyền dọc theo thanh và khi các rung động đến đầu dò thứ hai thông qua thanh, một tín hiệu điện lại được tạo ra.
Tốc độ lan truyền của các rung động dọc theo thanh nhỏ hơn nhiều so với tín hiệu điện, do đó tín hiệu đi qua thanh bị trễ so với đầu vào một lượng liên quan đến sự khác biệt về tốc độ của rung động điện từ và siêu âm.
Đường trễ từ giảo sẽ chứa đầu dò đầu vào, nam châm, dây âm thanh, đầu dò đầu ra và bộ hấp thụ. Tín hiệu đầu vào được đưa vào cuộn dây đầu tiên, dao động tần số siêu âm - dao động cơ học - bắt đầu trong dây dẫn âm thanh của thanh làm bằng vật liệu từ tính - nam châm tạo ra ở đây từ hóa vĩnh viễn trong vùng biến đổi và cảm ứng từ ban đầu.
Trong thanh, các rung động lan truyền với tốc độ 5000 m / s, ví dụ, đối với chiều dài thanh là 40 cm, độ trễ sẽ là 80 μs. Bộ suy giảm ở cả hai đầu của thanh ngăn phản xạ tín hiệu không mong muốn. Rối loạn từ giảo sẽ gây ra sự thay đổi cảm ứng trong cuộn dây thứ hai (bộ chuyển đổi đầu ra) EMF.
Siêu âm trong ngành sản xuất (cắt và hàn)
Một vật liệu mài mòn (cát thạch anh, kim cương, đá, v.v.) được đặt giữa nguồn siêu âm và phôi. Sóng siêu âm tác động lên các hạt mài mòn, từ đó tác động vào bộ phận bằng tần số siêu âm. Vật liệu của phôi dưới tác động của một số lượng lớn các cú đánh nhỏ từ các hạt mài mòn bị phá hủy - đây là cách quá trình xử lý được thực hiện.
Cắt được thêm vào với chuyển động nạp, trong khi dao động cắt dọc là dao động chính. Độ chính xác của xử lý siêu âm phụ thuộc vào kích thước của hạt mài mòn và đạt tới 1 micron. Bằng cách này, các vết cắt phức tạp được thực hiện, cần thiết trong sản xuất các bộ phận kim loại, mài, khắc và khoan.
Nếu cần phải hàn các kim loại khác nhau (hoặc thậm chí là polyme) hoặc kết hợp một phần dày với một tấm mỏng, siêu âm lại đến để giải cứu. Đây là cái gọi là hàn siêu âm lạnh… Dưới ảnh hưởng của siêu âm trong vùng hàn, kim loại trở nên rất dẻo, các bộ phận có thể xoay rất dễ dàng trong quá trình nối ở mọi góc độ. Và đáng để tắt siêu âm - các bộ phận sẽ ngay lập tức kết nối, bắt sóng.
Điều đặc biệt đáng chú ý là quá trình hàn được thực hiện ở nhiệt độ dưới nhiệt độ nóng chảy của các bộ phận và mối liên hệ của chúng thực sự diễn ra ở trạng thái rắn... Nhưng thép, titan và thậm chí cả molypden được hàn theo cách này. Các tấm mỏng là dễ hàn nhất. Phương pháp hàn này không ngụ ý chuẩn bị đặc biệt bề mặt của các bộ phận, điều này cũng áp dụng cho kim loại và polyme.
Kiểm tra siêu âm được sử dụng để phát hiện các khuyết tật dạng phẳng trong kim loại trong quá trình hàn (vết nứt, thiếu ngấu, thiếu bám dính). Phương pháp này rất hiệu quả đối với thép hạt mịn.
Siêu âm trong luyện kim (siêu âm phát hiện lỗ hổng)
Phát hiện khuyết tật bằng siêu âm — phát hiện khuyết tật dựa trên sự thay đổi các điều kiện lan truyền của dao động đàn hồi, chủ yếu là siêu âm.
Phát hiện lỗ hổng siêu âm là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để kiểm soát chất lượng không phá hủy các bộ phận kim loại.
Trong một môi trường đồng nhất, siêu âm lan truyền theo một hướng mà không có sự suy giảm nhanh chóng và sự phản xạ là đặc trưng của nó ở ranh giới của môi trường. Vì vậy, các bộ phận kim loại được kiểm tra các lỗ rỗng và vết nứt bên trong chúng (giao diện không khí với kim loại) và phát hiện sự mỏi kim loại gia tăng.
Sóng siêu âm có thể xuyên qua một bộ phận ở độ sâu 10 mét và kích thước của các khuyết tật được phát hiện là khoảng 5 mm. Có: bóng, xung, cộng hưởng, phân tích cấu trúc, trực quan hóa, — năm phương pháp phát hiện lỗ hổng siêu âm.
Phương pháp đơn giản nhất là phát hiện khuyết tật bằng bóng siêu âm, phương pháp này dựa trên sự suy giảm của sóng siêu âm khi nó gặp khuyết tật khi đi qua một bộ phận, vì khuyết tật tạo ra bóng siêu âm.Hai bộ chuyển đổi hoạt động: bộ thứ nhất phát ra sóng, bộ thứ hai nhận sóng.
Phương pháp này không nhạy cảm, lỗi chỉ được phát hiện nếu ảnh hưởng của nó làm thay đổi tín hiệu ít nhất 15%, ngoài ra, không thể xác định độ sâu nơi có lỗi trong bộ phận. Kết quả chính xác hơn thu được bằng phương pháp siêu âm xung, nó cũng cho thấy độ sâu.
Để phát và nhận các dao động đàn hồi được sử dụng đầu dò áp điện, và trong phạm vi âm thanh và tần số siêu âm thấp — đầu dò từ giảo.
Các phương pháp sau đây được sử dụng để truyền các rung động đàn hồi từ đầu dò sang sản phẩm được điều khiển và ngược lại:
- không tiếp xúc;
- tiếp xúc khô (chủ yếu cho tần số thấp);
- tiếp xúc với chất bôi trơn (trước khi thử nghiệm, một lớp dầu hoặc nước có độ dày nhỏ hơn nhiều so với bước sóng đàn hồi được bôi lên bề mặt sản phẩm đã được xử lý sạch);
- tiếp xúc phản lực (thông qua dòng chất lỏng chảy trong khe nhỏ giữa phần tử áp điện và bề mặt sản phẩm);
- ngâm (sản phẩm được kiểm soát được ngâm trong bồn tắm và tiếp xúc được thực hiện qua một lớp chất lỏng, độ dày của lớp này ít nhất phải bằng 1/4 độ dày của sản phẩm).
Ưu điểm của các phương pháp ngâm, in phun và không tiếp xúc là không mài mòn đầu tìm kiếm và khả năng sử dụng tốc độ quét cao hơn, cũng như khả năng tự động hóa quản lý.
Xem thêm:
Lắp đặt để làm sạch siêu âm các bộ phận
Cảm biến siêu âm cho hệ thống tự động hóa
Cảm biến và thiết bị đo lường để xác định thành phần và tính chất của các chất