Использование ультразвука в промышленности. Применение ультразвука в промышленности: современные методы и технологии

Как ультразвук используется для очистки деталей и материалов. Какие процессы в металлургии улучшаются с помощью ультразвука. Почему ультразвуковая сварка эффективнее традиционных методов. Какие химические реакции ускоряются под действием ультразвука. Как ультразвук применяется в пищевой и фармацевтической промышленности.

Основные принципы и характеристики ультразвуковых колебаний

Ультразвук представляет собой упругие механические колебания с частотой выше 20 кГц, которые не воспринимаются человеческим ухом. Верхняя граница частоты ультразвуковых волн может достигать 1 ГГц. Характерные особенности ультразвука:

• Малая длина волны (от нескольких миллиметров до долей микрона)
• Высокая направленность ультразвукового пучка
• Большая интенсивность энергии в небольшом объеме
• Способность распространяться в различных средах (газах, жидкостях, твердых телах)

Скорость распространения ультразвука зависит от среды:

• В воздухе — около 330 м/с
• В жидкостях — около 1200 м/с
• В твердых телах — около 2000-6000 м/с

Благодаря этим свойствам ультразвук нашел широкое применение в различных отраслях промышленности для интенсификации технологических процессов.

Ультразвуковая очистка в промышленности

Одним из наиболее распространенных применений ультразвука в промышленности является очистка деталей и материалов от загрязнений. Ультразвуковая очистка имеет ряд преимуществ перед традиционными методами:

• Высокая эффективность удаления даже стойких загрязнений
• Очистка труднодоступных мест и сложных поверхностей
• Отсутствие механического воздействия на очищаемую поверхность
• Возможность использования экологически безопасных моющих средств
• Сокращение времени очистки

Как работает ультразвуковая очистка? Основной физический эффект, обеспечивающий очистку — кавитация. При распространении ультразвуковых волн в жидкости образуются мельчайшие пузырьки, которые затем схлопываются, создавая мощные микропотоки. Эти потоки и обеспечивают удаление загрязнений с поверхности.

Области применения ультразвуковой очистки:

• Очистка автомобильных деталей (карбюраторов, инжекторов)
• Очистка электронных компонентов и печатных плат
• Удаление окалины с металлопроката
• Очистка ювелирных изделий
• Мойка медицинских инструментов
• Очистка оптики и точной механики

Ультразвуковая очистка позволяет значительно повысить качество и скорость обработки изделий в различных отраслях промышленности.

Применение ультразвука в металлургии

В металлургической промышленности ультразвук используется на различных этапах производства и обработки металлов:

Дегазация расплавов

При плавке металлов, особенно алюминия и его сплавов, происходит насыщение расплава газами, преимущественно водородом. Это приводит к образованию пор и снижению качества металла. Ультразвуковая обработка позволяет эффективно удалять растворенные газы из расплава.

Улучшение структуры металла

Воздействие ультразвука на кристаллизующийся металл способствует измельчению зерна и более равномерному распределению легирующих элементов. Это улучшает механические свойства металла.

Ультразвуковая сварка металлов

Ультразвуковая сварка позволяет соединять металлы без их расплавления, что особенно важно для тугоплавких и активных металлов (алюминий, титан, цирконий). Преимущества метода:

• Отсутствие высоких температур и деформаций
• Возможность сварки разнородных металлов
• Высокая прочность соединения
• Отсутствие окисления в зоне сварки

Порошковая металлургия

В порошковой металлургии ультразвук применяется для улучшения прессования и спекания металлических порошков. Это позволяет получать изделия с более высокой плотностью и однородностью структуры.

Ультразвуковая сварка пластмасс

Ультразвуковая сварка широко применяется для соединения термопластичных полимеров. Этот метод имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами сварки пластмасс:

• Высокая скорость сварки (доли секунды)
• Отсутствие расходных материалов
• Возможность сварки через загрязнения
• Герметичность шва
• Возможность сварки тонкостенных изделий

Ультразвуковая сварка пластмасс широко используется в производстве упаковки, автомобильных деталей, бытовой техники, медицинских изделий.

Применение ультразвука в химической промышленности

Воздействие ультразвука на химические реакции привело к формированию нового направления — сонохимии. Ультразвук способен значительно ускорять многие химические процессы и даже инициировать реакции, которые не идут в обычных условиях.

Основные эффекты ультразвука в химических процессах:

• Ускорение массопереноса
• Активация поверхности твердых частиц
• Образование свободных радикалов
• Локальное повышение температуры и давления при схлопывании кавитационных пузырьков

Применение ультразвука в химической технологии:

• Интенсификация процессов экстракции
• Ускорение реакций полимеризации
• Получение наноразмерных частиц (сонохимический синтез)
• Эмульгирование несмешивающихся жидкостей
• Диспергирование твердых веществ в жидкостях
• Интенсификация процессов кристаллизации

Использование ультразвука позволяет повысить выход целевых продуктов, сократить время реакций и улучшить качество получаемых материалов в различных химических производствах.

Ультразвуковые технологии в пищевой промышленности

В пищевой промышленности ультразвук находит применение на различных стадиях производства и обработки продуктов питания:

Эмульгирование и гомогенизация

Ультразвуковая обработка позволяет получать стойкие эмульсии с очень малым размером частиц дисперсной фазы. Это улучшает консистенцию и стабильность многих пищевых продуктов, таких как соусы, майонезы, молочные продукты.

Экстрагирование

Ультразвук значительно ускоряет процессы экстракции ценных компонентов из растительного сырья. Это позволяет повысить выход и сократить время производства различных экстрактов, используемых в пищевой промышленности.

Дезинфекция

Ультразвуковая обработка может использоваться для инактивации микроорганизмов в жидких пищевых продуктах. Этот метод позволяет сохранить вкус и питательные свойства продукта лучше, чем традиционная тепловая обработка.

Сушка

Применение ультразвука в процессах сушки пищевых продуктов позволяет снизить температуру и время обработки, что особенно важно для термочувствительных веществ.

Ультразвук в фармацевтической промышленности

В фармацевтической промышленности ультразвуковые технологии применяются для решения различных задач:

• Получение наноразмерных лекарственных форм
• Экстракция биологически активных веществ из растительного сырья
• Эмульгирование и микронизация лекарственных субстанций
• Дезинтеграция клеток микроорганизмов
• Стерилизация оборудования и материалов
• Интенсификация процессов растворения

Использование ультразвука позволяет повысить эффективность и качество производства лекарственных препаратов, а также разрабатывать новые, более эффективные лекарственные формы.

Перспективные направления применения ультразвука в промышленности

Развитие ультразвуковых технологий открывает новые возможности для их применения в различных отраслях промышленности:

Аддитивные технологии

Использование ультразвука в процессах 3D-печати позволяет улучшить качество получаемых изделий и расширить спектр используемых материалов.

Нанотехнологии

Ультразвуковые методы синтеза и обработки наноматериалов позволяют получать частицы с заданными свойствами и структурой.

Экологические технологии

Применение ультразвука для очистки воды и воздуха от загрязнений, а также для интенсификации процессов переработки отходов.

Энергетика

Использование ультразвука для интенсификации процессов горения и повышения эффективности энергетических установок.

Таким образом, ультразвуковые технологии находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности, позволяя повысить эффективность производственных процессов, улучшить качество продукции и разрабатывать новые инновационные материалы и технологии.

Применение ультразвука в промышленности

Электронный ресурс

Хмелев В.Н., Сливин А.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н., Шалунов А.В.

Электронный ресурс посвящен применениям ультразвуковых колебаний высокой интенсивности в различных отраслях промышленности и базируется на результатах современных научных исследований, проводимых предприятиями и организациями страны, а также на зарубежных научных публикациях последних лет.
На ресурсе изложены теоретические основы получения и распространения ультразвуковых колебаний высокой интенсивности в жидких, твердых, газовых средах и полимерных термопластичных материалах. Практические результаты основаны на материалах исследований и разработок ультразвуковых аппаратов и технологий различного назначения, выполненных за последние двадцать лет авторами в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института (филиала) государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».
Электронный ресурс может быть использован в качестве дополнительного учебного пособия для подготовки студентов специальностей и направлений: «Биотехнология», «Автоматизированное производство химических предприятий», «Химическая технология полимерных композиций, порохов и твердых ракетных топлив», «Химическая технология органических соединений азота», «Машины и аппараты пищевых производств», «Приборостроение», «Конструкторско-технологическое обеспечение автоматизированных машиностроительных производств», «Товароведение и экспертиза товаров (по областям применения)» и могут быть рекомендованы для магистрантов, аспирантов и специалистов по материаловедению, машиностроению и приборостроению.

© Хмелев В.Н., Сливин А.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н., Шалунов А.В., 2010

© Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, 2010

© 2021, ООО «Центр ультразвуковых технологий»
Любое использование материалов сайта возможно лишь с разрешения правообладателя и только при наличии ссылки на www.u-sonic.ru

Создание сайта — Mitra

Ультразвук в промышленности

Описание

Издательство Московский рабочий, г. Москва, 1958 г., 108 стр.

В этой книге рассказывается о звуках, которых мы не слышим. «Неслышимый звук»… Это выражение может показаться странным, — ведь мы всегда связываем понятие «звук» с восприятием тех или иных явлений через наши органы слуха. Но, оказывается, тишина не означает полного отсутствия звуков.

В природе существуют звуки, которые человеческое ухо неспособно воспринимать, подобно тому как наши глаза не могут видеть ультрафиолетовые, рентгеновы лучи и лучи, испускаемые радиоактивными веществами.

Таким образом, тишина — понятие условное. Она может быть наполнена неслышимыми звуками, которые называются ультразвуками. Сравнительно недавно к природным ультразвукам прибавились «искуственные», создаваемые человеком. О том, что представляют собой эти звуки, как создаются и для чего используются, и рассказано в этой книге.

Оглавление

Неслышимые звуки

Получение ультразвука и его регистрация

Механические излучатели
Пьезоэлектрические излучатели и приёмники
Магнитострикторы

Применение ультразвука в промышленности

Ультразвуковая дефектоскопия
Ультразвук дробит кристаллы
Очистка паровых котлов от накипи
Механическая обработка твёрдых материалов
Пайка и лужение алюминия
Сварка и отливка металлов
Составление эмульсий
Очистка деталей и стирка тканей
Борьба с дымом и пылью
Дегазация жидкостей и образование тумана
Воздействие ультразвука на вещество

Приборы для контроля технологических процессов и состояния веществ

Ультразвуковые газоанализаторы
Пылемеры
Измерение вязкости жидкостей
Измерение скорости и количества текущих жидкостей

Акустические локаторы

Применение ультразвука в промышленности

Ультразвуковыми называют упругие механические ко­лебания с частотой выше 20 кГц, которые не восприни­маются человеческим ухом. Наиболее короткие ультразвуковые волны имеют длину порядка длин волн видимого света. Ультразвуковые волны, так же как и све­товые, отражаются от препятствий, их можно фокусиро­вать и т. п.

При распространении ультразвуковых колебаний в жидкой среде в последней возникают чередующиеся сжатия и растяжения с частотой проходящих колебаний; в момент растяжения происходят местные разрывы жид­кости и образуются полости (пузырьки), заполняющиеся парами жидкости и растворенными в ней газами. В мо­мент сжатия пузырьки захлопываются, что сопрово­ждается сильными гидравлическими ударами. Это явле­ние называется кавитацией. Местные ударные давле­ния при этом часто превышают 980 МПа.

Используемые в промышленности источники ультра­звука могут быть разделены на две группы: механиче­ские и электромеханические.

Из механических источников ультразвука наибольшее применение получили динамические (сирены) и статиче­ские (свистковые). Сирены имеют статор с отверстиями и ротор из перфорированного диска. При подаче в кор­пус сирены пара, газа или сжатого воздуха ротор вра­щается, периодически закрывая и открывая отверстия статора, создавая механические колебания. Сирены ши­роко применяют, например, для осаждения тумана сер­ной кислоты и мелкодисперсной сажи в процессе их производства.

Из статических источников ультразвука (генераторов) наиболее известен свисток Гартмана, в котором зву­ковые колебания возникают при ударе струи газа, движу­щейся со сверхзвуковой скоростью из сопла в цилиндри­ческий резонатор.

Из электромеханических источников наибольшее при­менение получили магнитострикционные и пьезокерамические преобразователи.

Основной частью магнитострикционного преобразова­теля служит так называемый двигатель из ферромагнит­ного материала, обладающий способностью изменять свои размеры в магнитном поле. Например, стержень из никеля, помещенный в магнитное поле, укорачивается, а стержень из железокобальтового сплава (пермендюра) — удлиняется.

Пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при растяжении и сжатии в определенных направлениях некоторых кристаллов, например кварца, на их поверхности возникают электрические заряды (прямой пьезоэффект).

Если к такой кварцевой пластинке подвести электри­ческий заряд, то она изменит свои размеры (обратный пьезоэффект). При действии на пластинку переменного электрического поля она будет сжиматься или разжи­маться синхронно с изменением приложенного напряже­ния. Прямой пьезоэлектрический эффект используется в приемниках ультразвуковых колебаний, где последние преобразуются в переменный ток.

Обратный пьезоэффект используется при изготовле­нии излучателей ультразвуковых колебаний, которые преобразуют электрические колебания в механические, главным образом, более высоких частот по сравнению с магнитострикционными.

В последние годы широкое распространение получили вибраторы из пьезокерамики, обладающие более высо­ким пьезоэффектом, чем природный кварц.

Одним из основных технологических применений уль­тразвука является интенсификация многих техно­логических процессов.

Ультразвуковые колебания применяются при ускоре­нии таких процессов, как полимеризация (например, уль­тразвуковая обработка эмульсии при изготовлении ис­кусственного каучука).

Значительно ускоряет ультразвук кристаллизацию различных веществ из пересыщенных растворов (вин­ной кислоты, фтористого алюминия и др.).

С помощью ультразвука можно ускорить и растворе­ние твердых веществ в жидкости. Например, продолжи­тельность растворения вискозы в процессе изготовления химических волокон при применении ультразвука сокра­щается с 7 до 3 ч.

Ультразвук позволяет ускорить экстракционные про­цессы, например получать рыбий жир из рыбьей печени без значительного повышения температуры, что позво­ляет сохранить в нем все ценные витамины.

В химических процессах ультразвук применяют для очистки деталей (подшипников, электрических контак­тов и др.) и сборочных единиц от загрязнений.

Качество ультразвуковой очистки несравнимо с дру­гими способами. Например, при очистке деталей в раз­личных органических растворителях на их поверхности остается до 80% загрязнений, при вибрационной очист­ке — около 55 %, а при ультразвуковой — не более 0,5 %.

Ультразвуковые методы в большинстве случаев обеспе­чивают полную очистку деталей от технических загрязне­ний.

Ультразвуковая очистка производится в органических растворителях или водных растворах моющих веществ.

В последние годы преимущественное распространение получают водные растворы моющих веществ благодаря их негорючести и отсутствию токсичных компонентов, низкой стоимости, способности удерживать загрязнения во взвешенном состоянии без повторного осаждения их на очищаемую поверхность. В качестве водных моющих растворов применяются растворы щелочей и щелочных солей с добавками поверхностно-активных веществ. При очистке в таких растворах происходит одновременно эмульгирование и омыление загрязнений.

Продолжительность ультразвуковой очистки зависит от характера загрязнений и моющих растворов и не пре­вышает 10—15 мин.

Пайка некоторых металлов и сплавов, например алю­миния, нержавеющих сталей и др., обычными способами затруднена из-за наличия на их поверхностях прочной, трудноудаляемой оксидной пленки. Введение ультразву­ковых колебаний в расплавленный припой приводит к разрушению пленки и облегчает смачивание припоем поверхности, подлежащей пайке или лужению, облегчает и ускоряет процесс пайки, повышает качество паяных со­единений. Внедрение ультразвука при пайке алюминия уменьшает трудоемкость процесса на 20 — 30%. С по­мощью ультразвука можно облуживать изделия из кера­мики.

Сущность ультразвуковой размерной об­работки заключается в том, что между инструментом, соединенным с излучателем, и заготовкой вводится абра­зивный материал, который воздействует на обрабатывае­мую поверхность. В качестве абразивных зерен приме­няют алмаз, корунд, наждак, кварцевый песок, карбид бора, карбид кремния и др.

Ультразвуком можно обрабатывать как хрупкие ма­териалы (стекло, керамику, кварц, кремний, германий и др.), так и жаропрочные твердые (закаленные и азоти­рованные стали, твердые сплавы), применяемые, в част­ности, для изготовления металлорежущего инстру­мента.

Ультразвуковая обработка может производиться сво­бодно направленным абразивом, например при декоративном шлифовании и для снятия заусенцев у мелких деталей.

Размерная обработка инструментом обеспечивает вы­сокую точность, позволяет получать сквозные и глухие отверстия, вырезы, осуществлять шлифование, клейме­ние, гравирование и другие операции.

Наряду с преимуществами ультразвуковой метод имеет и недостатки: сравнительно небольшая площадь и глубина обработки, большая энергоемкость, невысокая производительность процесса и большой износ инстру­мента.

Электроэрозионная обработка

Электроэрозионные методы обработки применимы для всех токопроводящих материалов. Эти методы осно­ваны на явлении эрозии (разрушения) поверхности токо­проводящих электродов от разрядов при пропускании между ними импульсного электрического тока.

Разрушение материала происходит из-за его локаль­ного оплавления и выброса расплавленного материала в виде парожидкостной смеси.

Все виды электроэрозионной обработки осущест­вляются в жидкостной среде — керосине, нефтяном мас­ле, дистиллированной воде.

При прохождении искрового разряда в жидкости на­чинается бурное газообразование, в результате чего жид­кость как бы взрывается, что способствует удалению продуктов эрозии из рабочей зоны. Кроме того, рабочая жидкость препятствует окислению поверхности обра­батываемого материала.

Основными разновидностями электроэрозионных ме­тодов являются электроискровая и анодно-механическая обработка.

Электроискровая обработка широко при­меняется в инструментальном производстве при изготов­лении штампов, литейных форм и прессформ, а также в основном производстве при размерной обработке заго­товок деталей сложных профилей из труднообрабаты­ваемых электропроводящих материалов. С ее помощью можно получать сквозные и глухие отверстия различной конфигурации, криволинейные щели и пазы, вырезать сложный контур, клеймить детали, удалять из заготовок сломанный инструмент и т. п.

Принципиальная схема установки приведена на рис. 18.57, а. Источник питания — генератор 3 однополярных импульсов заряжает конденсатор 5 до напряжения про­боя в промежутке между электродом-инструментом 2 и обрабатываемой заготовкой 1. При пробое энергия, на­копленная конденсатором 5, мгновенно выделяется в ви­де разряда.

Из-за малой длительности разряда заготовка и рабо­чий электрод практически не нагреваются, хотя основная часть накопленной энергии превращается в теплоту, иду­щую на плавление и испарение обрабатываемого мате­риала.

Под действием многочисленных разрядов в обра­батываемом материале образуется выемка, представляю­щая собой отпечаток торца электрода-инструмента. Станки для электроискровой обработки снабжены про­граммно-управляющими устройствами, которые обеспе­чивают постоянный зазор между заготовкой и инстру­ментом, продольное перемещение инструмента и регули­рование подачи. Производительность процесса зависит от частоты следования импульсов, энергии разряда, свойств обрабатываемого материала, материала и формы электрода-инструмента. При оптимальных ре­жимах обработки, устанавливаемых с помощью перемен­ного сопротивления 4, конфигурация детали обеспечи­вается с погрешностью ± 0,005 мм.

Обработку профильным электродом применяют для получения сквозных и глухих отверстий с различной фор­мой поперечного сечения.

В настоящее время наибольшее применение получил метод электроискровой обработки непрофилированным электродом-проволокой. При этом (рис. 18.57,6) электрод-проволока 2 диаметром 0,02 — 0,5 мм (в зависимости от требуемой точности обработки) перематывается с опре­деленной скоростью с подающей катушки 4 на приемную катушку 1, воспроизводя любой заданный контур. При вырезании замкнутого контура в заготовке 3 предусма­тривается технологическое отверстие.

Анодно-механическая обработка (рис. 18.57, в) осуществляется при включении обрабатываемой заготовки 1 в цепь постоянного тока в качестве анода, а рабочего инструмента — диска 2 в качестве катода. В зазор подается рабочая жидкость (раствор жидкого стекла при черновой обработке или раствор хлористого или сернокислого натрия при доводке). При анодно-меха-нической обработке металл заготовки подвергается анод­ному (электрохимическому) растворению, а также ло­кальному плавлению от воздействия разрядов, как при электроискровой обработке, и механическому воздей­ствию инструмента, который снимает оксидную пленку и расплавленный металл.

Производительность процесса в 2 — 3 раза выше, чем при обычной механической обработке. Этот метод при­меняют для шлифования, хонингования цилиндрических отверстий, полирования, резки. Анодно-механическую обработку можно совмещать с абразивной обработкой, используя при этом в качестве инструмента электропро­водящий абразивный диск или добавляя абразив в рабо­чую жидкость.

Процесс электроискрового упрочнения применяют для упрочнения поверхностей различных ме­таллов и сплавов, чаще всего штамповой оснастки. В от­личие от размерной электроискровой обработки здесь анодом является электрод-инструмент, материал с по­верхности которого переносится на обрабатываемую заготовку — катод.

Сущность метода заключается в том, что при сближе­нии инструмента с деталью между ними возникает ис­кровой электрический разряд, который оплавляет мате­риал анода. На первой стадии капля расплавленного металла разогревается до высокой температуры, заки­пает и металл анода в виде мелких частиц устремляется к катоду. Достигнув катода, расплавленные частицы сва­риваются с ним. На следующей стадии через раска­ленный участок катода проходит второй импульс тока, Этот импульс сопровождается механическим ударом анода о катод, при котором происходит сварка металла анода с поверхностью катода, сопровождаемая химиче­скими реакциями, диффузионными процессами и явле­ниями, характерными при ковке.

В качестве материала анода для упрочнения режущего инструмента (резцов, фрез, сверл, ножей и др.) исполь­зуют твердые сплавы различных марок, феррохром и графит. Расход этих материалов невелик.

Электронно-лучевая обработка

Сущность метода заключается в использовании энер­гии электронов, испускаемых накаливаемым катодом, ускоренных и сфокусированных в пучок. При столкнове­нии электронов с обрабатываемым материалом кинети­ческая энергия превращается в тепловую. Концентрация мощности достигает 1 МВт/см² при общей мощности до десятков киловатт.

Обработка электронным лучом обычно ведется в ва­кууме, поэтому в месте обработки отсутствует нежела­тельное взаимодействие расплавленного металла с кис­лородом.

Электронно-лучевую обработку используют для раз­мерной обработки материалов, а также для сварки.

Электронно-лучевая сварка ведется в ва­кууме узким электронным лучом, который получают в электронной пушке, схема которой представлена на рис. 18.58. При нагреве катода 1 с его поверхности излу­чаются электроны, которые формируются в пучок. Благо­даря высокой разности потенциалов между катодом 1 и анодом 2 электроны ускоряются в определенном на­правлении. С помощью магнитных линз 3 пучок электро­нов фокусируется на поверхность свариваемых заготовок 5. Современные установки позволяют сфокусировать луч на площади диаметром менее 0,0001 мм. Отклоняющие катушки 4 позволяют перемещать луч по поверхности заготовок.

При бомбардировке поверхности заготовок потоком электронов его кинетическая энер­гия переходит в тепловую, разви­вая температуру до 5000 — 6000 К. Электронный луч является уп­равляемым источником тепло­ты, что позволяет регулировать довольно точно и в широких пределах температуру в зоне на­грева изменением разности по­тенциалов между катодом и ано­дом. Электронным лучом можно резать и сваривать тугоплавкие и химически активные металлы и сплавы (молибден, вольфрам, ниобий, тантал, нержавеющие стали и др.), сваривать заготовки из разнородных материалов со зна­чительной разницей толщин; этот метод позволяет также сваривать металлы с неметаллами.

Электронный луч используется в микроэлектронике при вакуумном напылении тонких пленок туго­плавких материалов, при обработке электронно-полиме-ризующихся материалов (электронорезистов), а также для стимуляции реакций диссоциации металлоорганических соединений при нанесении металлических по­крытий.

Практическое применение ультразвуковых колебаний

В данной статье описываются различные способы применения ультразвуковых колебаний в промышленности, медицине и химии. Рассмотрены основные способы практического применения ультразвука, а также новые и перспективные направления его использования.

Когда речь заходит об ультразвуке, обычно подразумеваются звуковые колебания очень высокой частоты, величина которых лежит в пределах от 20 КГц и до 1 ГГц. Так же ультразвуковыми называют не только волны, распространяющиеся в пространстве продольно, но распространение колебаний изгиба и сдвига, то есть колебаний поперечных и поверхностных. В зависимости от длинны волны ультразвук может распространяться по воздуху, в жидкостях, и в твердых телах. Скорость ультразвука в воздухе составляет около 330 м/с при длине волны от 1,6 и до 0,3*10^-4 см. В твердых телах скорость распространения 2000 м/с при длине волны от 20 и до 4-10^-4 см. В жидкостях же скорость ультразвуковой волны около 1200 м/с при длине волны от 6 и до 1,2-10^-4 см. Благодаря малой длине волны было достигнуто их широкое применение.

Большие частоты колебаний в ультразвуке, получается достичь довольно легко и без особых усилий. Поэтому ультразвук стал довольно активно применяться в медицине и технике в течение последних 30-ти лет. Примером применения ультразвука в технике может служить ультразвуковая очистка. Сегодня существует множество способов очистки поверхностей от различных загрязнений. Ультразвуковая очистка более быстрая, обеспечивает высокое качество и отмывает труднодоступные участки. При этом обеспечивается замена высокотоксичных, огнеопасных и дорогих растворителей обычной водой.

С помощью высокочастотных ультразвуковых колебаний производится очистка автомобильных карбюраторов и инжекторов за несколько минут. Причина ускорения очистки в кавитации, особым явлением при котором в жидкости образуются мельчайшие газовые пузырьки. Эти пузырьки лопаются (взрываются) и создают мощные гидропотоки, которые вымывают всю грязь. На этом принципе существуют сегодня стиральные машины и малые установки мойки. Особенности реализации кавитационного процесса и его потенциальные возможности будут рассмотрены отдельно. УЗ очищает металлы от полировочных паст, прокат от окалины, драгоценные камни от полировочных мест. Очистка печатных форм, стирка тканей, мойка ампул. Очистка трубопроводов сложной формы. Кроме очистки, ультразвук способен производить удаление мелких заусенцев, полировку. Ультразвуковое воздействие в жидких средах уничтожает микроорганизмы и поэтому широко используется в медицине и микробиологии. Возможна и другая реализация ультразвуковой очистки. Очистка дыма от твердых частиц в воздухе. Для этого также используется ультразвуковое воздействие на туманы и дым. Частицы в ультразвуковом поле начинают активно двигаться, соударяются и слипаются, осаждаются на стенки. Это явление называется ультразвуковой коагуляцией и используется для борьбы с туманом на аэродромах, на дорогах и в морских портах.

Ультразвук активно применяется в металлургии. Известно, что металлы при плавлении поглощают газы алюминия и его сплавы. 80% всех газов в расплавленном металле приходится на долю Н₂. Это привод к ухудшению качества металла. Газы удается удалять с помощью ультразвука, что позволило в нашей стране создать специальный технологический цикл и широко использовать его при производстве металлов. Так же ультразвук способствует закалке металлов, а в порошковой металлургии ультразвук способствует слипанию частичек изготавливаемого материала. При этом отпадает необходимость в уплотнении большим давлением.

Активное распространение получила ультразвуковая сварка, пайка и лужение. С помощью ультразвуковых колебаний высокой интенсивности, производится сварка полимерных термопластичных материалов. Сварка полиэтиленовых тюбиков, коробок, банок обеспечивает отличную герметичность. В отличие от других способов, с помощью ультразвука можно варить загрязненные пластмассы, трубки с жидкостью и т.д. При этом содержимое стерилизуется. С помощью ультразвуковой сварки производится сварка тончайшей фольги или проволоки к металлической детали. Причем ультразвуковая сварка — является холодной сваркой, поскольку шов формируется при температуре ниже температуры плавления. Таким образом, соединяются сваркой алюминий, тантал, цирконий, ниобий, молибден и т.п. С помощью ультразвука можно лудить, а затем паять керамику, стекло, что ранее было невозможно. Ферриты, припайка полупроводниковых кристаллов к позолоченным корпусам реализуются сегодня с применением ультразвуковой технологии.

В настоящее время, как следует из литературных источников сформировано новое направление в химии — ультразвуковая химия. Изучая химические превращения, происходящие под действием ультразвука, ученые установили, что он не только ускоряет окисление, но в некоторых случаях обеспечивают восстанавливающее действие. Таким образом, восстанавливается железо из окислов и солей. Получены хорошие результаты по интенсификации ультразвуком следующих химико-технологических процессов: электроосаждение, полимеризация, деполимеризация, окисление, восстановление, диспергирование, эмульгирование, коагуляция аэрозолей, гомогенизация, пропитка, растворение, распыление, сушка, горение, дубление и др. Электроосаждение, благодаря которому осаждающийся металл приобретает мелкокристаллическую структуру, в результате чего уменьшается пористость. Таким образом, осуществляется меднение, лужение, серебрение. Процесс идет быстрее и качество покрытия выше, чем в обычных технологиях.

Получение эмульсий: вода и жир, вода и эфирные масла, вода и ртуть. Барьер несмешиваемости преодолевается благодаря УЗ. Полимеризация (соединение молекул в одну) — степень полимеризации регулируется частотой УЗ. Диспергирование — получение сверхтонких пигментов для получения красителей. Сушка — без нагревания биологически активные вещества. В пищевой, фармакологической промышленности. Распыление жидкостей и расплавов. Интенсификация процессов в распылительных сушках. Получение металлического порошка из расплавов. Эти распылительные устройства исключают вращающие и трущиеся детали. УЗ усиливает эффективность горения в 20 раз жидких и твердых топлив. Пропитка. В сотни раз быстрее проходит жидкость через капилляры пропитываемого материала. Используется при производстве рубероида, шпал, цементных плит, текстолита, гетинакса, пропитке древесины модифицированными смолами.

Применение ультразвука

Краткое содержание:

Что такое ультразвук.

Если какое-либо тело колеблется в упругой среде быстрее, чем среда успевает обтекать его, оно своим движением то сжимает, то разрежает среду. Слои повышенного и пониженного давления разбегаются от колеблющегося тела во все стороны и образуют звуковые волны. Если колебания тела, создающего волну следуют друг за другом не реже, чем 16 раз в секунду не чаще, чем 18 тысяч раз в секунду, то человеческое ухо слышит их.

Частоты 16 — 18000 Гц, которые способен воспринимать слуховой аппарат человека принято называть звуковыми, например писк комара »10 кГц. Но воздух, глубины морей и земные недра наполнены звуками, лежащими ниже и выше этого диапазона – инфра и ультразвуками. В природе ультразвук встречается в качестве компонента многих естественных шумов: в шуме ветра, водопада, дождя, морской гальки, перекатываемой прибоем, в грозовых разрядах. Многие млекопитающие, например кошки и собаки, обладают способностью восприятия ультразвука частотой до 100 кГц, а локационные способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем хорошо известны. Существование неслышимых звуков было обнаружено с развитием акустики в конце XIX века. Тогда же начались первые исследования ультразвука, но основы его применения были заложены только в первой трети XX-века.

Нижней границей ультразвукового диапазона называют упругие колебания частотой от 18 кГц. Верхняя граница ультразвука определяется природой упругих волн, которые могут распространяться только при том условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул (в газах) или межатомных расстояний (в жидкостях и газах). В газах верхний предел составляет »106 кГц, в жидкостях и твёрдых телах »1010 кГц. Как правило, ультразвуком называют частоты до 106 кГц. Более высокие частоты принято называть гиперзвуком.

Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но, у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике. Вот основные из них:

• Малая длина волны. Для самого низкого ультразвукового диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Вблизи излучателя ультразвук распространяется в виде пучков по размеру близких к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, ультразвуковой пучок ведёт себя как световой луч, испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет формировать звуковые изображения в оптически непрозрачных средах, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.)
• Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.
• Возможность получения высоких значений энергии колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.
• В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения. Поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические эффекты: физические, химические, биологические и медицинские. Такие как кавитация, звукокапиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.
• Ультразвук неслышим и не создаёт дискомфорта обслуживающему персоналу.

 

История ультразвука. Кто открыл ультразвук.

Внимание к акустике было вызвано потребностями морского флота ведущих держав — Англии и Франции, т.к. акустический – единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. Эксперимент Колладона считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась Колладоном на расстоянии 10 миль. Он также слышал звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, Колладон вычислил скорость звука — 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.

В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт корабля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола (как, впрочем, и подрыв в воде пороховых патронов), давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.

Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Фрэнсис Гальтон. Ультразвук создавался подобно свисту на острие ножа, если на него дуть. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух или другой газ, выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на кромку, и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.

В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо «пьезоэлектричество» от греческого слова, означающего «нажать». Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

Гибель «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы с новым оружием — подводными лодками требовали быстрого развития ультразвуковой гидроакустики. В 1914 году, французский физик Поль Ланжевен совместно с талантливым русским учёным-эмигрантом — Константином Васильевичем Шиловским впервые разработали гидролокатор, состоящий из излучателя ультразвука и гидрофона — приёмника УЗ колебаний, основанный на пьезоэффекте. Гидролокатор Ланжевена – Шиловского, был первым ультразвуковым устройством, применявшимся на практике. Тогда же российский ученый С.Я.Соколов разработал основы ультразвуковой дефектоскопии в промышленности. В 1937 году немецкий врач-психиатр Карл Дуссик, вместе с братом Фридрихом, физиком, впервые применили ультразвук для обнаружения опухолей головного мозга, но результаты, полученные ими, оказались недостоверными. В медицинской практике ультразвук впервые стал применяться только с 50-х годов XX-го века в США.

 

Получение ультразвука.

Излучатели ультразвука можно разделить на две большие группы:

1) Колебания возбуждаются препятствиями на пути струи газа или жидкости, или прерыванием струи газа или жидкости. Используются ограниченно, в основном для получения мощного УЗ в газовой среде.

2) Колебания возбуждаются преобразованием в механические колебаний тока или напряжения. В большинстве ультразвуковых устройств используются излучатели этой группы: пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи.

Кроме преобразователей, основанных на пьезоэффекте, для получения мощного ультразвукового пучка используются магнитострикционные преобразователи. Магнитострикция — это изменение размеров тел при изменении их магнитного состояния. Сердечник из магнитострикционного материала, помещённый в проводящую обмотку меняет свою длину в соответствии с формой токового сигнала, проходящего по обмотке. Данное явление, открытое в 1842 г. Джеймсом Джоулем, свойственно ферромагнетикам и ферритам. Наиболее употребительные магнитострикционные материалы это сплавы на основе никеля, кобальта, железа и алюминия. Наибольшей интенсивности ультразвукового излучения позволяет достичь сплав пермендюр (49%Co, 2%V, остальное Fe), который используется в мощных УЗ излучателях. В частности в акустических противонакипных устройствах «Акустик-Т», выпускаемых нашим предприятием.

Применение ультразвука.

Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:

• получение информации о веществе
• воздействие на вещество
• обработка и передача сигналов

Зависимость скорости распространения и затухания акустических волн от свойств вещества и процессов в них происходящих, используется в таких исследованиях:

• изучение молекулярных процессов в газах, жидкостях и полимерах
• изучение строения кристаллов и других твёрдых тел
• контроль протекания химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и др.
• определение концентрации растворов
• определение прочностных характеристик и состава материалов
• определение наличия примесей
• определение скорости течения жидкости и газа

Информацию о молекулярной структуре вещества даёт измерение скорости и коэффициента поглощения звука в нём. Это позволяет измерять концентрацию растворов и взвесей в пульпах и жидкостях, контролировать ход экстрагирования, полимеризации, старения, кинетику химических реакций. Точность определения состава веществ и наличия примесей ультразвуком очень высока и составляет доли процента.

Измерение скорости звука в твёрдых телах позволяет определять упругие и прочностные характеристики конструкционных материалов. Такой косвенный метод определения прочности удобен простотой и возможностью использования в реальных условиях.

Ультразвуковые газоанализаторы осуществляют слежение за процессами накопления опасных примесей. Зависимость скорости УЗ от температуры используется для бесконтактной термометрии газов и жидкостей.

На измерении скорости звука в движущихся жидкостях и газах, в том числе неоднородных (эмульсии, суспензии, пульпы), основаны ультразвуковые расходомеры, работающие на эффекте Допплера. Аналогичная аппаратура используется для определения скорости и расхода потока крови в клинических исследованиях.

Большая группа методов измерения основана на отражении и рассеянии волн ультразвука на границах между средами. Эти методы позволяют точно определять местонахождение инородных для среды тел и используются в таких сферах как:

• гидролокация
• неразрушающий контроль и дефектоскопия
• медицинская диагностика
• определения уровней жидкостей и сыпучих тел в закрытых ёмкостях
• определения размеров изделий
• визуализация звуковых полей — звуковидение и акустическая голография

 

Отражение, преломление и возможность фокусировки ультразвука используется в ультразвуковой дефектоскопии, в ультразвуковых акустических микроскопах, в медицинской диагностике, для изучения макронеоднородностей вещества. Наличие неоднородностей и их координаты определяются по отражённым сигналам или по структуре тени.

Методы измерения, основанные на зависимости параметров резонансной колебательной системы от свойств нагружающей его среды (импеданс), применяются для непрерывного измерения вязкости и плотности жидкостей, для измерения толщины деталей, доступ к которым возможен только с одной стороны. Этот же принцип лежит в основе УЗ твердомеров, уровнемеров, сигнализаторов уровня. Преимущества УЗ методов контроля: малое время измерений, возможность контроля взрывоопасных, агрессивных и токсичных сред, отсутствие воздействия инструмента на контролируемую среду и процессы.

Воздействие ультразвука на вещество.

Воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, широко используется в промышленности. При этом механизмы воздействия ультразвука различны для разных сред. В газах основным действующим фактором являются акустические течения, ускоряющие процессы тепломассообмена. Причём эффективность УЗ перемешивания значительно выше обычного гидродинамического, т.к. пограничный слой имеет меньшую толщину и как следствие, больший градиент температуры или концентрации. Этот эффект используется в таких процессах, как:

• ультразвуковая сушка
• горение в ультразвуковом поле
• коагуляция аэрозолей

 

В ультразвуковой обработке жидкостей основным действующим фактором является кавитация. На эффекте кавитации основаны следующие технологические процессы:

 

Акустические течения — один из основных механизмов воздействия ультразвука на вещество. Он обусловлен поглощением ультразвуковой энергии в веществе и в пограничном слое. Акустические потоки отличаются от гидродинамических малой толщиной пограничного слоя и возможностью его утонения с увеличением частоты колебаний. Это приводит к уменьшению толщины температурного или концентрационного погранслоя и увеличению градиентов температуры или концентрации, определяющих скорость переноса тепла или массы. Это способствует ускорению процессов горения, сушки, перемешивания, перегонки, диффузии, экстракции, пропитки, сорбции, кристаллизации, растворения, дегазации жидкостей и расплавов. В потоке с высокой энергией влияние акустической волны осуществляется за счёт энергии самого потока, путём изменения его турбулентности. В этом случае акустическая энергия может составлять всего доли процентов от энергии потока.

При прохождении через жидкость звуковой волны большой интенсивности, возникает так называемая акустическая кавитация. В интенсивной звуковой волне во время полупериодов разрежения возникают кавитационные пузырьки, которые резко схлопываются при переходе в область повышенного давления. В кавитационной области возникают мощные гидродинамические возмущения в виде микроударных волн и микропотоков. Кроме того, схлопывание пузырьков сопровождается сильным локальным разогревом вещества и выделением газа. Такое воздействие приводит к разрушению даже таких прочных веществ, как сталь и кварц. Этот эффект используется для диспергировании твёрдых тел, получения мелкодисперсных эмульсий несмешивающихся жидкостей, возбуждения и ускорения химических реакций, уничтожения микроорганизмов, экстрагирования из животных и растительных клеток ферментов. Кавитация определяет также такие эффекты как слабое свечение жидкости под действием ультразвука – звуколюминесценция, и аномально глубокое проникновение жидкости в капилляры – звукокапиллярный эффект.

Кавитационное диспергирование кристаллов карбоната кальция (накипи) лежит в основе акустических противонакипных устройств. Под воздействием ультразвука происходит раскалывание частиц, находящихся в воде, их средние размеры уменьшаются с 10 до 1 микрона, увеличивается их количество и общая площадь поверхности частиц. Это приводит к переносу процесса образования накипи с теплообменной поверхности в непосредственно в жидкость. Ультразвук так же воздействует и на сформированный слой накипи, образуя в нем микротрещины способствующие откалыванию кусочков накипи с теплообменной поверхности.

В установках по ультразвуковой очистке с помощью кавитации и порождаемых ею микропотоков удаляют загрязнения как жёстко связанные с поверхностью, типа окалины, накипи, заусенцев, так и мягкие загрязнения типа жирных плёнок, грязи и т.п. Этот же эффект используется для интенсификации электролитических процессов.

Под действием ультразвука возникает такой любопытный эффект, как акустическая коагуляция, т.е. сближение и укрупнение взвешенных частиц в жидкости и газе. Физический механизм этого явления ещё не окончательно ясен. Акустическая коагуляция применяется для осаждения промышленных пылей, дымов и туманов при низких для ультразвука частотах до 20 кГц. Возможно, что благотворное действие звона церковных колоколов основано на этом эффекте.

Механическая обработка твёрдых тел с применением ультразвука основана на следующих эффектах:

• уменьшение трения между поверхностями при УЗ колебаниях одной из них
• снижение предела текучести или пластическая деформация под действием УЗ
• упрочнение и снижение остаточных напряжений в металлах под ударным воздействием инструмента с УЗ частотой
• Комбинированное воздействие статического сжатия и ультразвуковых колебаний используется в ультразвуковой сварке

Различают четыре вида мехобработки с помощью ультразвука:

• размерная обработка деталей из твёрдых и хрупких материалов
• резание труднообрабатываемых материалов с наложением УЗ на режущий инструмент
• снятие заусенцев в ультразвуковой ванне
• шлифование вязких материалов с ультразвуковой очисткой шлифовального круга

 

Действия ультразвука на биологические объекты вызывает разнообразные эффекты и реакции в тканях организма, что широко используется в ультразвуковой терапии и хирургии. Ультразвук является катализатором, ускоряющим установление равновесного, с точки зрения физиологии состояния организма, т.е. здорового состояния. УЗ оказывает на больные ткани значительно большее влияние, чем на здоровые. Также используется ультразвуковое распыление лекарственных средств при ингаляциях. Ультразвуковая хирургия основана на следующих эффектах: разрушение тканей собственно сфокусированным ультразвуком и наложение ультразвуковых колебаний на режущий хирургический инструмент.

Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электронных сигналов и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. Малая скорость ультразвука используется в линиях задержки. Управление оптическими сигналами основывается на дифракции света на ультразвуке. Один из видов такой дифракции – т.н.брегговская дифракция зависит от длины волны ультразвука, что позволяет выделить из широкого спектра светового излучения узкий частотный интервал, т.е. осуществлять фильтрацию света.

Ультразвук чрезвычайно интересная вещь и можно предположить, что многие возможности его практического применения до сих пор не известны человечеству. Мы любим и знаем ультразвук и будем рады обсудить любые идеи, связанные его применением.

Где применяется ультразвук — сводная таблица

Наше предприятие, ООО «Кольцо-энерго», занимается производством и монтажом акустических противонакипных устройств «Акустик-Т». Устройства, выпускаемые нашим предприятием, отличаются исключительно высоким уровнем ультразвукового сигнала, что позволяет им работать на котлах без водоподготовки и пароводяных бойлерах с артезианской водой. Но предотвращение накипи – очень малая часть того, что может ультразвук. У этого удивительного природного инструмента огромные возможности и мы хотим рассказать вам о них. Сотрудники нашей компании много лет работали в ведущих российских предприятиях, занимающихся акустикой. Мы знаем об ультразвуке очень много. И если вдруг возникнет необходимость применить ультразвук в вашей технологии, мы будем рады вам помочь.

Ультразвуковая очистка. Теория и практика

Что такое ультразвук?

Ультразвук (УЗ) — упругие колебания и  волны,  частота  которых  выше 15…20 кГц. Нижняя граница области ультразвуковых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной. Верхняя граница обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, то есть при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. Поэтому в газах верхнюю границу частот УЗ определяют из условия приблизительного равенства длины звуковой волны и длины свободного пробега молекул. При нормальном давлении она составляет 10⁹ Гц. В жидкостях и твердых телах определяющим является равенство длины волны межатомным расстояниям, и граничная частота достигает 10¹²—10¹³ Гц. В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область ультразвуковых частот удобно подразделить на три подобласти:

• низкие — 1,5–10…10⁵ Гц;  

• средние — 10⁵…10⁷ Гц;  

• высокие — 10⁷…10⁹ Гц.

Упругие волны с частотами 1·10⁸…1·10¹³ Гц принято называть гиперзвуком.

Теория звуковых волн

Ультразвук как упругие волны

Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона, а также от инфразвуковых волн.

Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общим для акустических волн любого диапазона частот, обычно называемых звуковыми волнами. К  основным  законам их распространения относятся законы отражения и преломления звука на границах различных сред, дифракция и рассеяние звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды.

Специфические особенности ультразвука

Хотя физическая природа УЗ и управляющие его распространением основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей, определяющих его значимость в науке и технике. Они обусловлены его относительно высокими частотами и, соответственно, малой длиной волны.

Так, для высоких ультразвуковых частот длины волн составляют:

• в воздухе — 3,4⋅10^-3…3,4⋅10^-5 см;

• в воде — 1,5⋅10^-2…1,5⋅10^-4 см;   

• в стали — 1⋅10^-2 … 1⋅10^-4 см.

Такая разница значений ультразвуковых волн (УЗВ) обусловлена различными скоростями их распространения в различных средах. Для низкочастотной области УЗ длины волн не превышают в большинстве случаев нескольких сантиметров и лишь вблизи нижней границы диапазона достигают в твердых телах нескольких десятков сантиметров.

УЗВ затухают значительно быстрее, чем волны низкочастотного диапазона,   так как коэффициент поглощения звука (на единицу расстояния) пропорционален квадрату частоты.

Еще одна весьма важная особенность УЗ — возможность получения высоких значений интенсивности при относительно небольших амплитудах колебательного смещения, так как при данной амплитуде интенсивность прямо пропорциональна квадрату частоты. Амплитуда колебательного смещения на практике ограничена прочностью акустических излучателей.

Важнейшим нелинейным эффектом в ультразвуковом поле является кавитация — возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их захлопывание, слияние друг с другом и т. д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение на ходящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы (рис. 1).

Рис. 1

Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты. Например, с ростом частоты УЗ увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с увеличением гидростатического давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий. Увеличение частоты обычно приводит к повышению порогового значения интенсивности, соответствующего началу кавитации, которое зависит от рода жидкости, ее газосодержания, температуры и пр. Для воды в низкочастотном ультразвуковом диапазоне при атмосферном давлении оно обычно составляет 0,3—1 Вт/см³.

Источники ультразвука

В природе УЗ встречается в составе многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), а также в мире животных, использующих его для эхолокации и общения.

Технические излучатели ультразвука, используемые при изучении УЗВ и их технических применениях, можно подразделить на две группы. К первой относятся излучатели-генераторы (свистки). 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 электрические колебания в механические колебания какого-либо твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические  волны.

Применение ультразвука

Многообразные применения УЗ, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством УЗВ, второе — с активным воздействием на вещество и третье — с обработкой и передачей сигналов (направления  перечислены  в  порядке  их исторического становления).

Принципы ультразвуковой очистки

Основную роль при воздействии УЗ на вещества и процессы в жидкостях играет кавитация. На кавитации основан получивший наибольшее распространение ультразвуковой технологический процесс — очистка поверхностей твердых тел. В зависимости от характера загрязнений большее или меньшее значение могут иметь различные проявления кавитации, такие как микроударные воздействия, микропотоки, нагревание. Подбирая параметры звукового поля, физико-химические свойства моющей жидкости, ее газосодержание, внешние факторы (давление, температуру), можно в широких пределах управлять процессом очистки, оптимизируя его применительно к типу загрязнений и виду очищаемых деталей. Разновидностью очистки является травление в ультразвуковом поле, где действие УЗ совмещается с действием сильных химических реагентов. Ультразвуковая металлизация и пайка основываются фактически на ультразвукововой очистке (в т. ч. от окисной пленки) соединяемых или металлизируемых поверхностей. Очистка при пайке (рис. 2) обусловлена кавитацией в расплавленном металле. Степень очистки при этом так высока, что образуются соединения неспаиваемых в обычных условиях материалов, например, алюминия с другими металлами, различных металлов со стеклом, керамикой, пластмассами.

Рис. 2

В процессах очистки и металлизации существенное значение имеет также звукокапиллярный эффект, обеспечивающий проникновение моющего раствора или расплава в мельчайшие трещины и поры.

Механизмы очистки и отмывки

Очистка в большинстве случаев требует, чтобы загрязнения были растворены (в случае растворения солей), счищены (в случае нерастворимых солей) или и растворены, и счищены (как в случае нерастворимых частиц, закрепленных в слое жировых пленок). Механические эффекты ультразвуковой энергии могут быть полезны как для ускорения растворения, так и для отделения частиц от очищаемой поверхности. Ультразвук также можно эффективно использовать в процессе ополаскивания. Остаточные химикалии моющих сред могут быть быстро удалены ультразвуковым ополаскиванием.

При удалении загрязнений растворением, растворителю необходимо войти в контакт с загрязняющей пленкой и разрушить ее (рис. 3, а). По мере того как растворитель растворяет загрязнение, на границе растворитель–загрязнение возникает насыщенный раствор загрязнения в растворителе, и растворение останавливается, поскольку нет доставки свежего раствора к поверхности загрязнения (рис. 3, б).

Рис. 3

Воздействие ультразвука разрушает слой насыщенного растворителя и обеспечивает доставку свежего раствора к поверхности загрязнения (рис. 3, в). Это особенно эффективно, в тех случаях, когда очистке подвергаются “неправильные” поверхности с лабиринтом пазух и рельефа поверхностей, к каким относятся печатные платы и электронные модули.

Некоторые загрязнения представляют собой слой нерастворимых частиц, прочно сцепленный с поверхностью силами ионной связи и адгезии. Эти частицы достаточно только отделить от поверхности, чтобы разорвать силы притяжения и перевести их в объем моющей среды для последующего удаления. Кавитация и акустические течения срывают с поверхности загрязнения типа пыли, смывают и удаляют их (рис. 4).

Рис. 4

Загрязнения, как правило, многокомпонентны и могут в комплексе содержать растворимые и нерастворимые компоненты. Эффект УЗ в том и состоит, что он эмульгирует любые компоненты, то есть переводит их в моющую среду и вместе с ней удаляет их с поверхности изделий.

Чтобы ввести ультразвуковую энергию в систему очистки необходим УЗ-генератор, преобразователь электрической  энергии  генератора  в УЗ-излучение и измеритель акустической мощности.

Электрический ультразвуковой генератор конвертирует электрическую энергию сети в электрическую энергию на ультразвуковой частоте. Это выполняется известными способами и не имеет какой-либо специфики. Однако, предпочтительнее использовать цифровую технику генерации, когда на выходе получаются прямоугольные импульсы чередующейся полярности (рис. 5). КПД таких генераторов близок к 100%, что позволяет решить проблему энергоемкости процесса. Использование сигнала прямоугольной формы приводит к акустическому излучению, богатому гармониками. Преимущества многочастотной системы очистки состоят в том, что в объеме моющей среды не образуется “мертвых” зон в узлах интерференции. Поэтому многочастотное УЗ-облучение позволяет располагать объект очистки практически в любой зоне УЗ-ванны.

Рис. 5

Другим приемом избавления от “мертвых” зон является использование генератора с качающейся частотой (рис. 6). В этом случае узлы и пучности интерференционного поля перемещаются на различные точки очищающей системы, не оставляя без облучения какие-либо участки для очистки. Но КПД таких генераторов относительно низкий.

Рис. 6

Имеются два общих типа ультразвуковых преобразователей: магнитострикционный и пьезоэлектрический. Они оба выполняют одинаковую задачу преобразования электрической энергии в механическую.

В магнитострикционных преобразователях (рис. 7) используют эффект магнитострикции, при котором некоторые материалы изменяют линейные размеры в переменном магнитном поле.

Рис. 7

Электрическая энергия от ультразвукового генератора сначала преобразуется обмоткой магнитостриктора в переменное  магнитное  поле. Переменное магнитное поле, в свою очередь, порождает механические колебания ультразвуковой частоты за счет деформации магнитопровода в такт с частотой магнитного поля. Поскольку магнитострикционные материалы ведут себя подобно электромагнитам, частота их деформационных колебаний в два раза выше частоты магнитного, а, значит, и электрического поля.

Электромагнитным преобразователям свойственен рост потерь энергии на вихревые токи и перемагничивание  с  ростом частоты. Поэтому мощные магнитострикционные преобразователи редко используют на частотах выше 20 кГц. Пьезопреобразователи, напротив, могут хорошо излучать в мегагерцовом диапазоне. Магнитострикционные преобразователи вообще менее эффективны, чем их пьезоэлектрические аналоги. Это обусловлено,  прежде  всего,  тем,  что магнитострикционный преобразователь требует двойного энергетического преобразования: из электрического в магнитное и затем из магнитного в механическое. Потери энергии происходят на каждом преобразовании. Это уменьшает КПД магнитострикторов.

Пьезопреобразователи (рис. 8) конвертируют электрическую энергию прямо в механическую засчет использования пьезоэлектрического эффекта, при котором некоторые материалы (пьезоэлектрики) изменяют линейные  размеры  при  приложении электрического поля. Раньше для пьезоизлучателей использовали такие пьезоэлектрические материалы как природные кристаллы кварца и синтезируемый титанат бария, которые были хрупкими и нестабильными, а потому и ненадежными. В современных преобразователях используют более прочные и высокостабильные керамические пьезоэлектрические материалы.  Подавляющее большинство систем УЗ-очистки используют сегодня пьезоэлектрический эффект.

Рис. 8

Оборудование ультразвуковой очистки

Диапазон используемого оборудования ультразвуковой  очистки очень широк: от малых настольных модулей в стоматологии, ювелирных магазинах, электронной индустрии до огромных систем с объемами в несколько тысяч литров в ряде промышленных применений.

Правильный выбор необходимого оборудования имеет первостепенное значение в успехе применения ультразвуковой очистки. Самое простое применение УЗ-очистки может требовать всего лишь нагретой моющей жидкости. Более сложные системы очистки требуют большого количества ванн, последние из которых должны быть наполнены дистиллированной или деионизированной водой. Самые большие системы используют погружаемые ультразвуковые преобразователи, комбинация которых может облучить ванны почти любого размера. Они обеспечивают максимальную гибкость и легкость в использовании и обслуживания. Ультразвуковые ванны с подогревом моющего раствора наиболее часто применяются в лабораториях, медицине,  ювелирном деле.

Линии УЗ-очистки (рис.  9), используемые в крупном производстве, объединяют в одном корпусе электрические УЗ-генераторы, УЗ-преобразователи, транспортную систему перемещения  объектов  очистки по ваннам и систему управления.

Рис. 9

УЗ-ванны могут быть включены в линию химико-гальванической металлизации с использованием  модульных погружаемых ультразвуковых  преобразователей.

Системы УЗ-очистки

При выборе системы очистки особенно важно обращать внимание на те характеристики, которые позволяют наиболее эффективно использовать ее. В первую очередь важно определить факторы  интенсивности ультразвуковой кавитации в моющей жидкости. Температура жидкости – наиболее важный фактор, обеспечивающий интенсивность кавитации. Изменения температуры приводят к изменениям вязкости, растворимости газа в жидкости, скорости диффузии растворенных газов в жидкости и давлении пара. Все они влияют на интенсивность кавитации (рис. 10, 11).

Рис. 10

Вязкие жидкости инерционны и не могут реагировать достаточно быстро, чтобы формировать кавитационные пузырьки и сильные акустические течения. Для наиболее эффективной кавитации очищающая жидкость должна содержать как можно меньше растворенного газа. Газ, растворенный в жидкости, выходит во время пузырьковой фазы роста кавитации и ослабляет ее взрывной эффект, который необходим для ожидаемого эффекта ультразвукового воздействия. Количество растворенного газа в жидкости уменьшается с увеличением температуры.  Скорость диффузии растворенных газов в жидкости также увеличивается при более высоких температурах. Поэтому предпочтение отдают очистке в подогретых моющих растворах. Парообразная кавитация, в которой кавитационные пузырьки заполнены паром жидкости, является наиболее эффективной.

Рис. 11

Интенсивность кавитации прямо связана с мощностью ультразвукового облучения. Обычно ее устанавливают выше кавитационного порога. Интенсивность кавитации обратно пропорциональна ультразвуковой частоте: с увеличением ультразвуковой частоты уменьшаются размеры кавитационных пузырьков и их результирующее воздействие на очищаемую поверхность. Компенсировать уменьшение интенсивности ультразвукового воздействия с увеличением частоты можно только увеличением мощности облучения.

Обеспечение максимального эффекта очистки

Удачный выбор моющих сред – залог успеха в процессе ультразвуковой очистки. В первую очередь выбранный состав должен быть совместим с материалами очищаемых поверхностей. Наиболее подходят для этого водные растворы технических моющих средств. Как правило, это обычные поверхностно активные вещества
(ПАВ).

Дегазация моющих растворов чрезвычайно важна в достижении удовлетворительных результатов очистки. Свежие растворы или растворы, которые накануне были охлаждены, должны быть дегазированы перед процессом очистки. Дегазация выполняется нагревом жидкости и предварительным облучением ванны ультразвуком. Время, заданное для дегазации жидкости, составляет от нескольких минут для ванн малого размера до часа или больше для большого резервуара. Ненагретый резервуар может дегазироваться несколько часов. Признаком закончившейся дегазации являются отсутствие видимых пузырьков газа, перемещающихся к поверхности жидкости, и отсутствие видимой пульсаций пузырьков.

Мощность ультразвукового облучения должна сопоставляться с объемом ванны (рис. 12). Очистка массивных объектов или имеющих большое отношение поверхности к массе, может требовать дополнительной ультразвуковой мощности. Чрезмерная мощность может вызывать кавитационную эрозию или “сжигающий” эффект на мягких поверхностях. Если очищаются объекты с разнородными поверхностями, мощность облучения рекомендуется установить по менее прочному компоненту.

Рис. 12

Важно правильно размещать очищаемые объекты в ванне. Погружаемые устройства не должны экранировать объекты от воздействия ультразвука. Твердые материалы обычно обладают хорошей звукопроводностью и не экранируют объект очистки. Вместе с тем, объекты очистки нужно постоянно ориентировать или вращать их во время очистки так, чтобы полностью очистить внутренние пазухи и глухие отверстия.

Должным образом используемая ультразвуковая технология  обеспечивает большую скорость и высокое качество очистки поверхностей. Отказ от использования растворителей за счет применения водных сред удешевляет процесс и наиболее эффективно решает  экологические проблемы. Ультразвук — это не технология будущего, это технология сегодняшнего дня.

Аркадий Медведев,
[email protected]
[email protected]

Ультразвук. Применение и работа. Свойства и развитие. Особенности

Ультразвук представляет волны продольного вида, которые имеют частоту колебаний более 20 КГц. Это больше частоты колебаний, воспринимаемых человеческим слуховым аппаратом. Человек же может воспринимать частоты, находящиеся в пределах 16-20 КГц, они называются звуковыми. Ультразвуковые волны выглядят как череда сгущений и разряжений вещества или среды. Благодаря их свойствам они находят широкое применение во многих областях.

Что это

В ультразвуковой диапазон попадают частоты, начиная от 20 тысяч и до нескольких миллиардов герц. Это колебания высокой частоты, которые находятся за областью слышимости ухом человека. Однако ультразвуковые волны вполне воспринимают некоторые виды животных. Это дельфины, киты, крысы и другие млекопитающие.

По физическим свойствам ультразвуковые волны являются упругими, поэтому они не имеют отличий от звуковых. В результате разница между звуковыми и ультразвуковыми колебаниями весьма условна, ведь она зависит от субъективного восприятия слуха человека и равняется верхнему уровню слышимого звука.

Но наличие более высоких частот, а значит и небольшой длины волны, придает ультразвуковым колебаниям определенные особенности:

• Ультразвуковые частоты имеют разную скорость перемещения через различные вещества, благодаря чему можно с высокой точностью определять свойство протекающих процессов, удельную тепловую емкость газов, а также характеристики твердого тела.
• Волны значительной интенсивности обладают определенными эффектами, которые подчиняются нелинейной акустике.
• При движении ультразвуковых волн со значительной мощностью в жидкостной среде возникает явление акустической кавитации. Данное явление очень важно, ведь в результате создается поле пузырьков, которые образуются из субмикроскопических частиц газа или пара в водной или иной среде. Они пульсируют с некоторой частотой и захлопываются с огромным локальным давлением. Это создает сферические ударные волны, что ведет к появлению акустических микроскопических потоков. Благодаря использованию этого явления ученые научились очищать загрязненные детали, а также создавать торпеды, которые движутся в воде быстрее скорости звука.
• Ультразвук может быть сфокусирован и сконцентрирован, что позволяет создавать звуковые рисунки. Это свойство с успехом применяется в голографии и звуковом видении.
• Ультразвуковая волна вполне может выступать в качестве дифракционной решетки.

Свойства

Ультразвуковые волны по своим свойствам схожи со звуковыми волнами, однако у них есть и специфические особенности:

• Малая длина волны. Даже для низкой границы длина равняется менее нескольких сантиметров. Такой небольшой размер длины приводит к лучевому характеру перемещения ультразвуковых колебаний. Непосредственно рядом с излучателем волна идет в виде пучка, которая приближается к параметрам излучателя. Однако, оказываясь в условиях неоднородной среды, пучок перемещается как луч света. Он также может отражаться, рассеиваться, преломляться.
• Малый период колебаний, благодаря чему появляется возможность использования ультразвуковых колебаний в виде импульсов.
• Ультразвук нельзя услышать и он не создает раздражающего эффекта.
• При воздействии ультразвуковых колебаний на определенные среды можно добиться получения специфических эффектов. К примеру, можно создать локальный нагрев, дегазацию, обеззаразить среду, кавитацию и многие иные эффекты.

Принцип действия

Для создания ультразвуковых колебаний используются различные устройства:

• Механические, где в качества источника выступает энергия жидкости или газа.
• Электромеханические, где ультразвуковая энергия создается из электрической.

В качестве механических излучателей могут выступать свистки и сирены, работающие с помощью воздуха или жидкости. Они удобны и просты, однако у них есть свои минусы. Так коэффициент полезного действия у них находится в пределах 10-20 процентов. Они создают обширный спектр частот с нестабильной амплитудой и частотой. Это ведет к тому, что такие устройства невозможно использовать в условиях, когда требуется точность. Чаще всего их применяют в качестве средств сигнализации.

Электромеханические устройства используют принцип пьезоэлектрического эффекта. Его особенность в том, что при образовании электрозарядов на гранях кристалла происходит его сжимание и растягивание. В результате создаются колебания с частотой, зависящей от периода смены потенциала на поверхностях кристалла.

Кроме преобразователей, которые базируются на пьезоэлектрическом эффекте, могут применяться и магнитострикционные преобразователи. Они используются для создания мощного ультразвукового пучка. Сердечник, который выполнен из магнитострикционного материала, размещенный в проводящей обмотке, изменяет собственную длину согласно форме электрического сигнала, поступающего на обмотку.

Применение

Ультразвук находит широкое применение в самых разнообразных областях.

Чаще всего его используют в следующих направлениях:

• Получение данных о конкретном веществе.
• Обработка и передача сигналов.
• Воздействие на вещество.

Так при помощи ультразвуковых волн изучают:

• Молекулярные процессы в различных структурах.
• Определение концентрации веществ в растворах.
• Определение, состава, прочностных характеристик материалов и так далее.

В ультразвуковой обработке часто используется метод кавитации:

• Металлизация.
• Ультразвуковая очистка.
• Дегазация жидкостей.
• Диспергирование.
• Получение аэрозолей.
• Ультразвуковая стерилизация.
• Уничтожения микроорганизмов.
• Интенсификация электрохимических процессов.

Воздействием ультразвуковых волн в промышленности производят следующие технологические операции:

• Коагуляция.
• Горение в ультразвуковой среде.
• Сушка.
• Сварка.

В медицине ультразвуковые волны используются в терапии и диагностике. В диагностике задействуют локационные методы с применением импульсного излучения. К ним относятся ультразвуковая кардиография, эхоэнцефалография и ряд иных методов. В терапии ультразвуковые волны применяются в качестве методов, основанных на тепловом и механическом воздействии на ткани. К примеру, довольно часто во время операций используют ультразвуковой скальпель.

Также ультразвуковыми колебаниями проводится:

• Микромассаж структур ткани при помощи вибрации.
• Стимуляция регенерации клеток, а также межклеточного обмена.
• Увеличение проницаемости оболочек тканей.

Ультразвук может действовать на ткани угнетением, стимулированием или разрушением. Все это зависит от применяемой дозы ультразвуковых колебаний и их мощности. Однако не на все области тела человека разрешается использовать такие волны. Так с определенной осторожностью воздействуют на сердечную мышцу и ряд эндокринных органов. На мозг, шейные позвонки, мошонку и ряд иных органов воздействие вовсе не используется.

Ультразвуковые колебания применяются в случаях, когда невозможно использовать рентген в:

• Травматологии используется метод эхографии, который с легкостью обнаруживает внутреннее кровотечение.
• Акушерстве волны применяются для оценки развития плода, а также его параметров.
• Кардиологии они позволяют обследовать сердечнососудистую систему.

Ультразвук в будущем

На текущий момент ультразвук широко применяется в различных областях, но в будущем он найдет еще большее применение. Уже сегодня планируется создание фантастических для сегодняшнего дня устройств.

• В медицинских целях разрабатывается технология ультразвуковой акустической голограммы. Данная технология предполагает расположение микрочастиц в пространстве для создания необходимого изображения.
• Ученые работают над созданием технологии бесконтактных устройств, которые должны будут заменить сенсорные приборы. К примеру, уже сегодня созданы игровые устройства, которые распознают перемещения человека без непосредственного контакта. Прорабатываются технологии, которые предполагают создание невидимых кнопок, которые вполне можно ощутить руками и управлять ими. Развитие подобных технологий позволит создать бесконтактные смартфоны или планшеты. К тому же данная технология расширит возможности виртуальной реальности.
• При помощи ультразвуковых волн уже сегодня можно заставить левитировать небольшие объекты. В будущем могут появиться машины, которые будут за счет волн парить над землей и в отсутствии трения перемещаться с огромной скоростью.
• Ученые предполагают, что в будущем ультразвук позволит научить слепых людей видеть. Такая уверенность базируется на том, что летучие мыши распознают объекты с помощью отраженных ультразвуковых волн. Уже создан шлем, который преобразует отражаемые волны в слышимый звук.
• Уже сегодня люди предполагают добывать полезные ископаемые в космосе, ведь там есть все. Так астрономы нашли алмазную планету, на которой полно драгоценных камней. Но как добывать такие твердые материалы в космосе. Именно ультразвук должен будет помочь в бурении плотных материалов. Такие процессы вполне возможны даже в отсутствии атмосферы. Такие технологии бурения позволят собирать образцы, проводить исследования и добывать полезные ископаемые там, где это сегодня считается невозможным.

Похожие темы:

применений ультразвука в промышленности

Ультразвук кажется своего рода суперсилой, которой может обладать герой комиксов, но вы можете быть удивлены, узнав, что вы можете использовать ультразвук для поиска и устранения неисправностей, мониторинга и оценки оборудования на вашем предприятии. Ультразвуковые данные могут стать мощным инструментом для вашей программы профилактического обслуживания, от конденсатоотводчиков до электродвигателей.

Что такое ультразвуковая технология?

Ультразвук — это звуковые волны с такой сверхвысокой частотой, что они выходят за пределы нормального диапазона человеческого слуха.Многие различные явления в электрических и механических системах излучают ультразвук, который может помочь квалифицированному специалисту в обнаружении и диагностике таких проблем, как утечки вакуума или недостаточная смазка подшипников.

Как работает ультразвук

Ультразвуковое оборудование обнаруживает звуки в сверхвысоких частотных диапазонах и преобразует эти звуки в форму, которую может интерпретировать технический специалист. Ультразвук часто строят, чтобы показать, как интенсивность, измеряемая в дБ, изменяется в зависимости от частоты, что позволяет конкретной частоте стать фокусом ультразвукового исследования.

Фильтры

, входящие в состав ультразвукового оборудования, позволяют техническому специалисту отключать другие звуки, не связанные с процессом исследования или устранения неполадок. А поскольку звук является направленным, можно определить точное местоположение конкретного источника ультразвука.

Помимо визуальных графиков зависимости интенсивности от частоты, некоторые типы ультразвукового оборудования могут преобразовывать ультразвук в диапазон, который может быть обнаружен человеческим слухом. В таких ситуациях технический специалист может надеть наушники, чтобы «услышать» звуки и научиться распознавать звуки в различных электромеханических условиях.

Почему работает ультразвук

Итак, вот что становится интересным: когда большинство промышленных машин начинают приближаться к режиму отказа, возникновение неисправности, стоящей за этим режимом отказа, приводит к излучаемым высокочастотным звукам. Эти звуки обычно являются результатом одного из трех:

• Повышенное трение (например, подшипник выходит из строя)
• Удар (например, кавитация в гидравлическом насосе)
• Турбулентность (например, утечка вакуума, воздействие электрического разряда на воздух)

Каждое из этих явлений (трение, удар, турбулентность) имеет свою собственную ультразвуковую сигнатуру, которую можно обнаружить с помощью подходящего оборудования в руках обученного техника.

Приложения для УЗИ

Вот список некоторых наиболее распространенных применений ультразвука в промышленных условиях:

• Клапан перепускной
• Обнаружение утечек вакуума
• Исследование утечек
• Управление утечками сжатого воздуха
• Комплексный анализ неисправностей коробки передач
• Контроль и анализ тихоходных подшипников
• Контроль состояния подшипников
• Смазка подшипников по условию
• Обнаружение кавитации в насосах
• Испытания конденсатоотводчика
• Управление паровыми системами
• Испытание на герметичность негерметичного объема
• Инспекция электрических систем
• Испытания теплообменника (кожухотрубного)
• Определение толщины стенок резервуара и трубы
• Оценить расход жидкости

Давайте рассмотрим некоторые из них более подробно, начиная с ультразвука для проверки подшипников и смазки.

Проверка и смазка подшипников

Опознаваемые ультразвуковые профили создаются за счет трения подшипников, которые либо вот-вот выйдут из строя, либо страдают от проблем со смазкой (и которые могут быть смазаны чрезмерно или недостаточно). Профиль ультразвука напрямую зависит от силы трения. Подшипники, которые работают правильно, имеют звуковой профиль, сильно отличающийся от тех, которые испытывают проблемы — и это то, что распознает квалифицированный специалист по ультразвуковой диагностике.Ультразвук не только обнаруживает проблемы, но также может использоваться как инструмент для оптимизации количества смазки, используемой в подшипнике.

Обнаружение утечек и исследования утечек

Когда газы просачиваются под давлением (либо из системы, в случае системы под давлением, либо в систему, в случае вакуума), они создают турбулентный поток. Ультразвук не только улавливает наличие этого турбулентного потока, но и позволяет техническим специалистам использовать его интенсивность и направленность, чтобы определить местонахождение источника утечки даже в шумной среде.Ультразвук также можно использовать как часть обследования утечек сжатого воздуха для обнаружения утечек, помощи в разработке оценки затрат на утечки и предоставления ключевой информации о углеродном следе вашего предприятия.

Осмотр конденсатоотводчика и клапана

Ультразвук также можно использовать для проверки сифонов и клапанов. Работу конденсатоотводчика и клапана можно исследовать практически в любых условиях. Для клапана это так же просто, как определить, улавливаете ли вы звук турбулентного потока.Если учесть, сколько водоотделителей и отдельных клапанов имеется на заводе, становится понятным, что важны быстрые и эффективные средства проверки.

Осмотр электрооборудования

Механические проблемы — не единственный тип явлений, которые могут генерировать идентифицируемые ультразвуковые профили: с некоторыми электрическими проблемами также связаны высокочастотные звуки. К ним относятся …

• Искра
• Корона
• Частичная разрядка или отслеживание
• Механические колебания от трансформаторов

Во всех этих явлениях генерируются высокочастотные звуки, потому что электрическая ионизация нарушает близлежащие молекулы воздуха.Хотя некоторое электрическое оборудование издает устойчивый гул, он сильно отличается от типов ультразвука, генерируемых такими факторами, как дуга или корона.

Ультразвук и профилактическое обслуживание

Ультразвук — это мощный инструмент для PdM (профилактического обслуживания). Вот несколько примеров преимуществ, которые получит ваше учреждение, если вы сделаете УЗИ частью своей программы PdM:

• Повысьте точность и эффективность программ смазки
• Следить за состоянием подшипников
• Контрольные клапаны, котлы, конденсатоотводчики, конденсаторы и теплообменники
• Обнаружение и устранение дорогостоящих утечек
• Обнаружение потенциально опасных проблем с электричеством
• Продлить срок полезного использования основных средств
• Повышение надежности

А при использовании в рамках PdM и обслуживания состояния активов ультразвук поможет вам остановить проблемы до того, как они перерастут в катастрофические и дорогостоящие сбои, благодаря предоставленным им данным.

Преимущества ультразвука в промышленной среде

Вот несколько основных причин, почему ультразвук так хорошо работает в промышленных условиях:

• Легко учиться и легко использовать
• Бесконтактный
• Не может нанести ущерб вашему оборудованию и имуществу
• Может выполняться при подключении системы
• Он очень универсален (т. Е. Может использоваться в механических и электрических системах)
• При правильном использовании он может точно определить место неисправности
• Это быстрое и эффективное средство проверки и постоянного мониторинга

HECO знает УЗИ

В HECO наша группа прогнозного обслуживания (HECO PSG) предоставляет услуги по техническому обслуживанию и обеспечению надежности на месте для промышленных объектов, подобных вашему.PSG может помочь вам настроить и запустить ваши программы PdM (PdM) и выполнить необходимые корректирующие действия, обнаруженные в данных. Наша команда инженеров и техников хорошо осведомлена и имеет опыт работы с широким спектром оборудования и технологий, включая ультразвук. Фактически, у нас есть сертифицированный специалист по ультразвуку для обследований утечек воздуха и конденсатоотводчиков. Если вы готовы использовать возможности ультразвука в своем учреждении, позвоните нам!

Как можно использовать ультразвук в промышленном контроле?

Обзор целей и преимуществ ультразвукового контроля.

Ультразвуковой метод или тестирование — это неразрушающий тест, при котором звуковые волны проходят через материал. В большинстве ультразвуковых приложений используются короткие импульсные волны с частотой от 0,1 до 15 МГц, но в редких случаях могут использоваться частоты до 50 МГц.

Ультразвуковой контроль может выполняться двумя разными методами; контактный или иммерсионный ультразвуковой контроль.

• Контактный контроль часто используется в тех случаях, когда рентгенографический контроль невозможен, поскольку к исследуемому образцу можно получить доступ только с одной стороны или его нельзя перемещать.Он позволяет осматривать объекты большого размера, неправильной формы и неподвижные, потому что вам нужно получить доступ только с одной стороны.
• Погружной контроль, с другой стороны, представляет собой испытание лабораторного типа, используемое для обнаружения более мелких дефектов, таких как трещины и пористость. Погружение объекта в воду позволяет улучшить прохождение звука от преобразователя, что позволяет получить более точный отчет о подповерхностных дефектах. Погружной ультразвуковой метод более эффективен, потому что он применим к широкому диапазону материалов и толщин.

Какова цель ультразвукового исследования?

Наиболее распространенное применение ультразвукового контроля — обнаружение трещин, изломов, движущихся компонентов и дефектов в объектах. Он также используется для характеристики материала или определения его толщины, например, для измерения толщины трубы или оценки ее коррозии. Другими словами, UT используется для проверки целостности компонента, в том числе для проверки сварных швов на наличие разрывов.

Этот метод идеально подходит для исследования плотных кристаллических структур, таких как металл и сплавы.Тем не менее, пластмассы, керамика, бетон и композиты также можно исследовать с помощью УЗИ, хотя и с меньшим разрешением.

Регулярный ультразвуковой контроль позволяет выявить мелкие дефекты и коррозию, тем самым предотвращая выход из строя отдельной части или всего актива. Он используется во многих отраслях промышленности, включая автомобильную, строительную, аэрокосмическую, медицинскую и производственную.

В отличие от других неразрушающих методов ультразвуковой контроль дает более четкие изображения с характеристиками, превышающими уровень поверхности.Другие преимущества ультразвукового тестирования:

• Более высокая проникающая способность для более глубокого обнаружения дефектов
• Повышенная чувствительность для обнаружения мелких недостатков
• Может тестировать объект, где доступна только одна сторона
• Более высокая точность при испытании внутренних дефектов и толщины объекта по сравнению с другими методами неразрушающего контроля
• Не опасен для ближайшего персонала
• Высокоавтоматизированный и портативный
• Позволяет оценить размер, форму и характер дефектов в тестовом объекте.

Как вы используете ультразвуковой контроль?

Типичный УЗ-контроль включает в себя преобразователь, генератор / приемник и устройство отображения.Ультразвуковой преобразователь, подключенный к диагностическому аппарату, пропускается над объектом контроля. Вы должны разделить предмет и датчик с помощью контактной жидкости, которая может быть маслом или водой.

Высокочастотные звуковые волны проникают сквозь объект до тех пор, пока не достигают границы с другой средой, даже если это воздух. В этот момент звуковые волны будут отражаться обратно к источнику. Таким образом, вы можете измерить толщину объекта контроля или найти признаки дефектов и трещин, проанализировав это отражение.

Из-за научных знаний, необходимых для ультразвукового контроля, его должны проводить обученные и опытные техники, которые будут обрабатывать и интерпретировать данные. Они также будут откалибровать испытательное оборудование, используя общие стандарты, такие как блок IIW или другие калибровочные блоки, чтобы гарантировать правильность и единообразие получения данных.

(PDF) Применение ультразвука и промышленных процессов

2 (1): 1-17 (2017)

12

Ссылки

Alinsafi, A, Khemis, M, Pons, MN, Leclerc, JP, Yaacoubi, A , Бенхамму, А, &

Неймеддин, А.(2005). Электрокоагуляция химически активных красителей текстиля и сточных вод

. Химическая инженерия и переработка: Интенсификация процесса

, 44 (4), 461-470.

An, Taicheng, Gu, Haofei, Xiong, Ya, Chen, Weiguo, Zhu, Xihai, Sheng,

Guoying, & Fu, Jiamo. (2003). Обесцвечивание и удаление ХПК из

реактивных сточных вод, содержащих красители, с использованием сонофотокаталитической технологии.

Журнал химической технологии и биотехнологии, 78 (11), 1142-1148.

Awad, TS, Moharram, HA, Shaltout, OE, Asker, D, & Youssef, MM. (2012).

Применение ультразвука в анализе, обработке и контроле качества пищевых продуктов

: обзор. Food Research International, 48 (2), 410-427.

Байза, Желько, и Маркович, Иван. (1998). Влияние концентрации фермента на кинетику гидролиза кожаных отходов

. Журнал Общества кожевников

Технологи и химики, 83 (4), 172-176.

Каинс, Питер В., Мартин, Питер Д. и Прайс, Кристофер Дж. (1998). Использование ультразвука

в промышленном химическом синтезе и кристаллизации. 1.

Приложения к синтетической химии. Исследования органических процессов и

разработки, 2 (1), 34-48.

Чапелон, Жан-Ив, Катиньоль, Доминик, Каин, Шарль, Эббини, Эмад,

Клюйвстра, Ян-Улько, Сапожников, Олег А, Флери, Жерар, Беррие, Реми,

Шупен, Лоран и Гуэй, Жан-Люк.(2000). Новые пьезоэлектрические преобразователи

для терапевтического ультразвука. Ультразвук в медицине и биологии,

26 (1), 153-159.

Чаттерджи, Таня, Чаттерджи, Судипта, Ли, Дэ С, Ли, Мин У и Ву, Сын

Хан. (2009). Коагуляция почвенных суспензий, содержащих неионогенные или

анионные поверхностно-активные вещества, с использованием хитозана, полиакриламида и хлорида полиалюминия

. Chemosphere, 75 (10), 1307-1314.

Чемат, Фарид и Хан, Мухаммед Камран.(2011). Применение ультразвука

в пищевой промышленности: обработка, консервирование и экстракция. Ультразвук

Сонохимия, 18 (4), 813-835.

Чен, Гохуа. (2004). Электрохимические технологии очистки сточных вод.

Технология разделения и очистки, 38 (1), 11-41.

Коммерческое и промышленное ультразвуковое исследование, влияющее на здоровье

Также называется сонографией, ультразвуковая визуализация — это неинвазивная процедура, при которой используются высокочастотные звуковые волны, которые проникают через различные объекты или материалы, даже через ткани человека.Ультразвук, который чаще всего используется в дородовой помощи, позволяет врачам отслеживать рост и развитие ребенка в утробе матери. Он также используется для выявления аномалий в различных внутренних органах, например, в сердце.

Знаете ли вы, что помимо традиционных методов ультразвуковой визуализации, используемых в больницах и клиниках, существуют также коммерческие и промышленные применения ультразвука?

Коммерческое УЗИ

В связи с высоким спросом на УЗИ, особенно среди беременных женщин, все больше и больше компаний предоставляют коммерческие ультразвуковые услуги.Это ультразвуковое исследование, также называемое «сувенирным», позволяет семьям получить изображение своего растущего ребенка в реальном времени. Использование коммерческого УЗИ разрешено даже без консультации с лицензированным врачом. Ультразвук также используется в других отраслях, помимо здравоохранения. Фактически, промышленное использование ультразвуковой техники составляет 100 миллионов долларов в год.

В наши дни коммерческое ультразвуковое исследование широко используется как средство для предварительного просмотра ребенка, который развивается в утробе матери. Цель более личная, чем медицинская.Многие родители выбирают коммерческое УЗИ на память или сувенир. 4D видео УЗИ плода регистрирует движения ребенка. Один сеанс может длиться до 2 часов. Хотя ультразвуковая визуализация считается неинвазивной процедурой, продолжительность записи видео плода беспокоит многих врачей и экспертов в области здравоохранения. В то время как компании, предлагающие коммерческие услуги УЗИ, заявляют, что процедура не причиняет никакого вреда матери и ребенку, эксперты считают, что следует избегать случайного воздействия (воздействия, превышающего то, что считается безопасным для плода).

Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) входит в число ассоциаций здравоохранения, которые высказывают оговорки по поводу использования коммерческого ультразвука. До сих пор не были полностью изучены долгосрочные эффекты длительного воздействия ультразвука. Органы здравоохранения не устают повторять, что УЗИ следует проводить только по медицинским показаниям и проводить обученными профессионалами, такими как акушеры, радиологи и сонографы. FDA также не одобряет использование этого ультразвукового устройства в качестве подарка на память и рассматривает его как нарушение государственных или местных законов или правил, касающихся использования медицинских устройств.Еще одна важная причина, по которой органы здравоохранения рекомендуют получать услуги УЗИ только у обученных специалистов, заключается в том, что врожденные проблемы у ребенка не могут быть полностью определены или диагностированы с помощью коммерческих сеансов ультразвукового сканирования.

Ультразвук иногда используется для увеличения костеобразования, например, в послеоперационном периоде. Ультразвуковое лечение или воздействие могут вызвать кавитацию, которая потенциально может привести к синдрому, включающему проявления тошноты, головной боли, шума в ушах, боли, головокружения и усталости.

Промышленное УЗИ

Ультразвуковая технология используется не только в клиниках, лабораториях и больницах. Он также используется в различных отраслях промышленности, где его называют «ультразвуковым». Высокочастотные звуковые волны используются для проникновения в материал, чтобы определить его внутреннее качество, не причиняя ему никакого вреда. Этот процесс называется «ультразвуковой контроль» и обычно используется при производстве самолетов. Ультразвуковое сканирование имеет множество других промышленных применений.Например, его используют аквалангисты и подводные лодки для обнаружения подводных объектов, анализа чистоты и однородности жидкостей и твердых тел, создания тепла для сварки пластмасс и т. Д. Ультразвук также включен в высокотехнологичные системы безопасности, чтобы обнаруживать даже малейшие движения в определенной области, а также в увлажнителях.

Было показано, что контактное воздействие высокочастотных звуковых волн оказывает некоторое влияние на здоровье. Например, ультразвуковые увлажнители воздуха могут вызвать повреждение тканей. Сообщалось, что прямой контакт пальца с ультразвуковым лучом от ультразвукового увлажнителя воздуха может вызвать острую боль, которая, вероятно, связана с перегревом кости.Эксперты в области здравоохранения также выражают обеспокоенность по поводу воздействия ультразвукового излучения на здоровье, особенно у людей, работающих на реактивных самолетах. Кроме того, ультразвуковое исследование, переносимое по воздуху, также связано с временными проблемами, особенно среди ультразвуковых очистителей и операторов сварочных аппаратов. Другие физиологические эффекты воздействия ультразвука: потеря устойчивости равновесия и снижение двигательных реакций. Более того, профессиональное воздействие ультразвука более 120 дБ может привести к потере слуха. Воздействие свыше 155 дБ может вызвать нагревание, которое вредно для человеческого тела, и было подсчитано, что воздействие свыше 180 дБ может привести к смерти

Руководство по безопасному использованию ультразвукового оборудования в коммерческих и промышленных целях

В коммерческом ультразвуковом исследовании чем короче время воздействия, тем лучше.Однако в большинстве случаев видеозапись плода может занять от тридцати минут до двух часов, а иногда и дольше. Операторы должны быть хорошо обучены обращению с этим устройством и принимать соответствующие меры. Кроме того, использование высококачественного геля для сонограммы имеет решающее значение для предотвращения повреждения аппарата и обеспечения точности и четкости ультразвукового сканирования.

Эксперты сходятся во мнении, что следует избегать контактного воздействия при использовании мощных ультразвуковых устройств. Только обученные операторы и персонал под строгим контролем должны быть допущены к рабочей зоне, где используется оборудование.Кроме того, операторы и персонал должны знать о вредном воздействии коммерческого и промышленного ультразвука, чтобы иметь возможность принимать профилактические меры.

Настоятельно рекомендуется использовать предупреждающие знаки в помещениях для УЗИ, особенно в зоне входа. Наряду с предупреждающим знаком должно быть указано, какие меры безопасности следует соблюдать персоналу и другим лицам при включенном ультразвуковом источнике.

Чтобы предотвратить воздействие ультразвуковых устройств на здоровье слуха, операторы должны следить за тем, чтобы оборудование не превышало максимально допустимый уровень воздействия.Воздействие на воздух можно предотвратить с помощью надлежащих технических средств контроля и установки звукопоглощающих материалов. Если технический контроль невозможен, персонал и операторы должны использовать средства защиты органов слуха.

Заключение

Нет сомнений в том, что ультразвуковой аппарат является одним из самых важных технологических устройств, когда-либо изобретенных. Много известно о его медицинском использовании, например, для дородового ухода, диагностики боли, отека и инфекции внутренних органов, а также для диагностики и лечения различных сердечных заболеваний.Из-за того, что ультразвуковая технология широко используется в области медицины, она также находит практическое применение в промышленной сфере. Высокочастотные волны настолько мощны, что используются при производстве самолетов, исследовании подводных существ, производстве увлажнителей, сварке пластмасс и т. Д. Однако, как и любая другая технология, при неправильном использовании она оказывает определенное влияние на здоровье. Необходимы определенные меры предосторожности для обеспечения безопасности людей и / или персонала, которые используют или эксплуатируют коммерческие и промышленные ультразвуковые аппараты.

Ультразвуковая визуализация | FDA

---

Описание

Ультразвуковая визуализация (сонография) использует высокочастотные звуковые волны для наблюдения за телом. Поскольку ультразвуковые изображения снимаются в режиме реального времени, они также могут отображать движение внутренних органов тела, а также кровь, текущую по кровеносным сосудам.В отличие от рентгеновской визуализации, ультразвуковая визуализация не связана с воздействием ионизирующего излучения.

При ультразвуковом исследовании датчик (зонд) помещают непосредственно на кожу или внутрь отверстия тела. На кожу наносится тонкий слой геля, так что ультразвуковые волны передаются от преобразователя через гель в тело.

Изображение датчика (зонда), используемого во время ультразвукового исследования.

Ультразвуковое изображение создается на основе отражения волн от структур тела.Сила (амплитуда) звукового сигнала и время, необходимое для прохождения волны через тело, предоставляют информацию, необходимую для создания изображения.

---

Использует

Ультразвуковая визуализация — это медицинский инструмент, который может помочь врачу оценить, диагностировать и лечить заболевания. Общие процедуры ультразвуковой визуализации включают:

• УЗИ брюшной полости (для визуализации тканей и органов брюшной полости)
• Сонометрия костей (для оценки хрупкости костей)
• УЗИ груди (для визуализации тканей груди)
• Допплеровские пульсометры плода (для прослушивания сердцебиения плода)
• Ультразвуковая допплерография (для визуализации кровотока через кровеносный сосуд, органы или другие структуры)
• Эхокардиограмма (для просмотра сердца)
• УЗИ плода (для осмотра плода при беременности)
• Биопсия под контролем УЗИ (для взятия образца ткани)
• Ультразвук офтальмологический (для визуализации структур глаза
• Установка иглы под контролем ультразвука (в кровеносные сосуды или другие ткани, представляющие интерес)

---

Преимущества / риски

Ультразвуковая визуализация используется более 20 лет и имеет отличные показатели безопасности.Он основан на неионизирующем излучении, поэтому не имеет таких же рисков, как рентгеновское излучение или другие типы систем визуализации, использующие ионизирующее излучение.

Хотя ультразвуковая визуализация обычно считается безопасной, если ее разумно использовать обученные медицинские работники, энергия ультразвука может оказывать биологическое воздействие на организм. Ультразвуковые волны могут слегка нагревать ткани. В некоторых случаях он также может образовывать небольшие газовые карманы в жидкостях или тканях организма (кавитация).Долгосрочные последствия этих эффектов до сих пор неизвестны. Из-за особой озабоченности по поводу воздействия на плод такие организации, как Американский институт ультразвука в медицине, выступают за разумное использование ультразвуковой визуализации во время беременности. Кроме того, не рекомендуется использовать ультразвук исключительно в немедицинских целях, таких как получение видеозаписей «на память» плода. Изображения или видео на память являются разумными, если они созданы во время медицинского обследования, и если не требуется дополнительного экспонирования.

---

Информация для пациентов, включая будущих мам

Для всех процедур медицинской визуализации FDA рекомендует пациентам поговорить со своим лечащим врачом, чтобы понять причину обследования, медицинскую информацию, которая будет получена, потенциальные риски и то, как результаты будут использоваться для управления состоянием здоровья. или беременность. Поскольку ультразвук не основан на ионизирующем излучении, он особенно полезен для женщин детородного возраста, когда КТ или другие методы визуализации в противном случае привели бы к облучению.

Будущие матери

Ультразвук — это наиболее широко используемый метод медицинской визуализации для осмотра плода во время беременности. Регулярные обследования проводятся для оценки и контроля состояния здоровья плода и матери. Ультразвуковые исследования предоставляют родителям ценную возможность увидеть и услышать сердцебиение плода, привязать к еще не родившемуся ребенку и сделать снимки, чтобы поделиться ими с семьей и друзьями.

В ультразвуковом исследовании плода трехмерное (3D) ультразвуковое исследование позволяет визуализировать некоторые черты лица и, возможно, другие части, такие как пальцы рук и ног плода.Четырехмерный (4D) ультразвук — это 3D-ультразвук в движении. Хотя ультразвук обычно считается безопасным с очень низкими рисками, риски могут возрасти из-за ненужного длительного воздействия ультразвуковой энергии или при использовании устройства неподготовленными пользователями.

Будущие матери также должны знать о проблемах с покупкой безрецептурных систем мониторинга сердцебиения плода (также называемых доптонами). Эти устройства должны использоваться только обученными поставщиками медицинских услуг, когда это необходимо с медицинской точки зрения.Использование этих устройств неподготовленными людьми может подвергнуть плод продолжительному и небезопасному воздействию энергии или может предоставить информацию, неверно интерпретируемую пользователем.

Дополнительные ресурсы по ультразвуковой визуализации:

---

Информация для медицинских работников

В рамках инициативы FDA по сокращению ненужного облучения от медицинских изображений, FDA рекомендовало поставщикам медицинских услуг рассмотреть возможность проведения обследований с минимальным или нулевым воздействием ионизирующего излучения, таких как ультразвук или МРТ, если это целесообразно с медицинской точки зрения.Ультразвуковая визуализация действительно вводит энергию в тело, и лабораторные исследования показали, что диагностические уровни ультразвука могут вызывать физические эффекты в тканях, такие как колебания давления с последующими механическими воздействиями и повышением температуры. Поэтому FDA рекомендует медицинским работникам рассмотреть способы минимизации воздействия при сохранении качества диагностики при использовании ультразвука. Как и в случае со всеми другими методами визуализации, медицинские работники должны практиковать принципы разумно достижимого низкого уровня (ALARA).

В отдельных штатах использование диагностического ультразвука регулируется рекомендациями и требованиями к квалификации персонала, программам обеспечения качества и контроля качества, а также аккредитации учреждения.

---

Информация для учреждений, проводящих ультразвуковую визуализацию

Ультразвуковые практики должны учитывать участие предприятия и персонала в программах добровольной аккредитации и сертификации, которые касаются как безопасности, так и эффективности устройства в соответствии с принципами разумно достижимого низкого уровня (ALARA), такими как те, которые предлагаются Американским институтом ультразвука в медицине и Американский регистр диагностических медицинских сонографистов.

Любое медицинское учреждение, использующее ультразвук, должно проводить регулярные тесты контроля качества, чтобы убедиться, что оборудование работает должным образом.

---

Информация для промышленности: производители УЗИ

Производители изделий, излучающих электронное излучение, продаваемых в США, несут ответственность за соблюдение Федерального закона о пищевых продуктах, лекарствах и косметических средствах (FFDCA), глава V, подраздел C — Радиационный контроль электронных изделий.

Производители оборудования для ультразвуковой визуализации несут ответственность за соблюдение всех применимых требований Раздела 21 Свода федеральных правил (подраздел J, Радиологическое здоровье), части с 1000 по 1005:

1000 — Общие

1002 — Записи и отчеты

1003 — Уведомление о дефектах или несоблюдении

1004 — Выкуп, ремонт или замена электронных продуктов

1005 — Импорт электронной продукции

Нет федеральных стандартов радиационной безопасности для ультразвуковой диагностики.

Поскольку они являются медицинскими приборами, оборудование для ультразвуковой визуализации также должно соответствовать требованиям к медицинским приборам. Для получения дополнительной информации см. Выход на рынок с медицинским устройством.

Отраслевое руководство — заинтересованные документы

---

Сообщение о проблемах в FDA

Своевременное сообщение о побочных эффектах может помочь FDA выявить и лучше понять риски, связанные с продуктом. Мы рекомендуем поставщикам медицинских услуг и пациентам, которые подозревают проблему с устройством медицинской визуализации, подавать добровольный отчет через MedWatch, Программу FDA по информации о безопасности и сообщению о нежелательных явлениях.

Медицинский персонал, нанятый учреждениями, которые подпадают под требования FDA к отчетности учреждений, должен следовать процедурам отчетности, установленным их учреждениями.

Производители, дистрибьюторы, импортеры медицинских устройств и предприятия, использующие устройства (в том числе многие медицинские учреждения), должны соблюдать Правила отчетности по медицинским устройствам (MDR) 21 CFR Part 803.

В дополнение к соблюдению общих рекомендаций (для производителей, медицинских учреждений и любого представителя общественности) по сообщению о проблемах, связанных с нежелательными явлениями, связанными с ультразвуковой визуализацией, в отчеты следует включать следующую информацию, если таковая имеется:

• протокол, которого придерживаются во время мероприятия;
• образец изображения, если есть;
• условия эксплуатации, включая такие технические параметры, как:
  • режим работы
  • клиническое применение
  • Тепловой индекс (TI) и механический индекс (MI)
  • продолжительность сканирования, если известна

---

Другие ресурсы

Ультразвук в пищевой, лекарственной и приборной промышленности

[Предыдущая глава] [Содержание] [Следующая глава]

ОТДЕЛ.ЗДРАВООХРАНЕНИЯ, ОБРАЗОВАНИЯ И
БЛАГОПОЛУЧИЕ ОБЩЕСТВЕННОГО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ
УПРАВЛЕНИЕ ПРОДУКТАМИ И НАРКОТИКАМИ
* ORA / ORO / DEIO / IB *

Дата: 3/3/75 Номер: 18
Смежные программные области:
Продукты питания, лекарства и медицинское оборудование

---

ITG ТЕМА: УЛЬТРАЗВУК В ПРОДОВОЛЬСТВЕННОЙ, ЛЕКАРСТВЕННОЙ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Ультразвуковые технологии находят все более широкое применение в пищевой, фармацевтической и приборостроительной промышленности. Ультразвуковые методы в настоящее время используются для различных применений, от склеивания и герметизации термопластической упаковки до медицинской диагностики.Эта ITG служит вводным выпуском для будущих ITG, которые будут описывать конкретные применения ультразвука в пищевой, фармацевтической и медицинской промышленности. Ограниченное пространство позволяет лишь кратко рассмотреть использование ультразвука, но есть надежда, что эти ITG будут стимулировать дальнейшее чтение и исследования по этой теме.

Ультразвук — это механическая вибрация, возникающая при преобразовании электрической энергии в механическую. Преобразование электрической энергии в механическую осуществляется путем подачи электрической энергии на преобразователь.В общем, преобразователь — это любое устройство, которое преобразует одну форму энергии в другую. Наше обсуждение генерации ультразвука будет ограничено пьезоэлектрическими преобразователями и датчиками магнитострикционного эффекта, которые обычно используются для создания звука в ультразвуковой области. Пьезоэлектрические преобразователи используют явление, состоящее в том, что асимметричный кристаллический материал будет производить электрическое возбуждение, когда механическое напряжение или деформация прикладываются вдоль определенной кристаллической оси. И наоборот, приложение переменного электрического поля к одной и той же кристаллической оси будет попеременно сжимать и высвобождать сжатие, вызывая вибрацию и акустическую энергию.Пьезоэлектрические преобразователи обычно изготавливаются из природного или культивированного кварца или одной из керамических материалов, обычно из цирконата титината свинца. Магнитострикция возникает в определенных ферромагнитных материалах и некоторых неметаллах, называемых ферритами. Изменение размеров происходит, когда стержень или стержень из этого материала подвергаются воздействию магнитного поля. Когда применяется переменное магнитное поле, возникает вибрация и акустическая энергия.

Хотя некоторые ультразвуковые устройства используют воздух в качестве среды передачи на более низких частотах, энергия ультразвука не проходит эффективно через воздух на более высоких частотах МГц.Поэтому в сочетании с датчиком обычно используется проводящая среда, чтобы удалить воздух между датчиком и образцом или средой. Преобразователь может быть непосредственно прикреплен к образцу, погружен в воду вместе с объектом, либо между преобразователем и объектом можно использовать пасту или жидкость.

Ультразвук имеет широкий диапазон мощности и интенсивности. Мощность ультразвука (скорость выполнения работы) измеряется в ваттах. Интенсивность (мощность на единицу площади) измеряется в ватт / см 2.

Помимо использования ультразвуковой вибрации непосредственно для очистки, перемешивания и т. Д., Два наиболее распространенных ультразвуковых метода — это эхо-импульсный ультразвук и эффект Доплера.

Эхо-импульсный метод был разработан в 1940-х годах как дефектоскоп металла. В этом методе преобразователь соединяется с образцом, и генерируется серия сфокусированных ультразвуковых импульсов, которые направляются в образец. Если импульсы сталкиваются с изменением плотности или эластичности (границы раздела) во время прохождения через образец, часть ультразвуковой энергии будет отражаться обратно к преобразователю.Отраженный сигнал поступает на преобразователь между передаваемыми пакетами и преобразуется в электрический сигнал, усиливается, кондиционируется и отображается различными способами в зависимости от конкретного применения. В этом методе преобразователь действует как приемный и передающий элемент. Если встречается более одного интерфейса, серия эхо-сигналов, каждое из которых представляет собой интерфейс, будет отражена обратно на преобразователь. Следовательно, если известна нормальная конструкция образца (т.е., количество внутренних интерфейсов или изменения плотности) могут быть обнаружены отклонения от нормы. Задержка между импульсами прямо пропорциональна расстоянию между интерфейсами. При правильной электронной схеме эхо-сигналы могут отображаться на электронно-лучевой трубке в различных конфигурациях, например, в виде показаний счетчика, звукового сигнала, показаний счетчика или графической записи. Эхо-импульсный метод обычно используется для контроля уровня жидкости, измерения толщины тканей животных, толщины материала, ультразвуковых медицинских диагностических устройств и т. Д.

Ультразвуковые методы могут использоваться для обнаружения движения и при правильной обработке сигнала направления движения. Это достигается за счет использования эффекта Доплера. Для неподвижной цели соотношение между передаваемой частотой ультразвука и результирующими эхо-сигналами одинаково для последовательных импульсов. Напротив, эффективная частота эхо-сигналов, полученных от движущейся цели, постоянно изменяется относительно частоты передаваемых импульсов, поскольку расстояние до цели изменяется.Когда цель движется к датчику или приемнику или от них, обнаруженная частота больше или меньше излучаемой. Знакомый пример — очевидное изменение для уха частоты свистка поезда, когда поезд проезжает мимо. Это известно как эффект Доплера. При соответствующей обработке отраженные частоты можно использовать для обозначения направления движения или потока, от или к датчику (увеличение или уменьшение частоты). В доплеровском методе можно использовать импульсный или непрерывный ультразвук.Когда используется непрерывный ультразвук, необходимо использовать два преобразователя, передатчик и приемник. Метод Доплера широко используется в ультразвуковых устройствах для клинической диагностики, таких как измерения кровотока и кардиологическая диагностика.

Другие промышленные применения ультразвука включают оборудование для очистки, которое использует ультразвук для образования пузырьков в очищающей или стерилизующей жидкости. Образование и схлопывание пузырьков, заполненных газом или паром (кавитация), генерирует мощные местные силы, которые вызывают желаемое очищающее действие.Ванны с абразивными частицами с ультразвуковым перемешиванием используются для резки металлов и эрозионной очистки. Ультразвук также используется для образования пены в бутылках и банках с напитками, чтобы удалить воздух до закрытия. Ультразвук можно использовать для генерирования тепла от трения для герметизации упаковки из термопласта. Воздушный ультразвук используется в системах отпугивания грызунов. Ультразвуковая энергия используется в клинической терапии как средство глубокого нагрева. Это лишь некоторые из множества применений ультразвука.

[Предыдущая глава] [Содержание] [Следующая глава]

Прикладные науки | Специальный выпуск: Ультразвуковые технологии в промышленности и медицине

Уважаемые коллеги,

В настоящее время количество ультразвуковых приложений постоянно растет в виде новых, инновационных методов и устройств.Использование ультразвуковых технологий в промышленности и медицине начало распространяться в 1970-х годах. Ультразвуковые волны используются для обнаружения и характеристики упругих свойств объектов в среде любого типа (кроме вакуума): газе, жидкости или твердом теле. Они имеют относительно низкую скорость и эффективно распространяются как в человеческом теле, так и в металлических объектах (в отличие от электромагнитных волн), что является очень полезной функцией при измерениях и визуализации (ультразвуковые датчики, биометрия, неразрушающий контроль, измерения расхода жидкости и газа, сонары, эхолоты, эхография в B-режиме, эластография, томография, внутрисосудистая визуализация, микроскопия).Безопасность, связанная с распространением ультразвука, обычно высока по сравнению с рентгеновскими лучами, а измерения и визуализация могут выполняться с помощью более дешевых устройств, чем другие методы. Кроме того, важные области применения ультразвука включают микромеханические системы (матрицы MEMS и CMUT), ультразвуковые двигатели и датчики, а также системы обработки сигналов на поверхностных волнах. Ультразвуковые волны также могут передавать значительную механическую энергию, которая используется для обработки материалов (очистка, пайка, сварка, сверление, распыление, создание эмульсий, ускорение химических реакций), а также в хирургии и медицинской терапии (кавитационная резка тканей, сверление костей и зубов. , удаление зубного камня, расщепление жировых клеток и камней в почках, термическое разрушение рака, фонофорез, аэрозольная терапия).

Темы, представляющие интерес, которые будут рассмотрены в этом специальном выпуске, включают новые и инновационные методы и применения ультразвуковых технологий в промышленности и медицине.

Проф. Д-р Кшиштоф Опиелинский
Приглашенный редактор

Информация для подачи рукописей

Рукописи должны быть представлены онлайн по адресу www.mdpi.com, зарегистрировавшись и войдя на этот сайт. После регистрации щелкните здесь, чтобы перейти к форме отправки. Рукописи можно подавать до указанного срока.Все статьи будут рецензироваться. Принятые статьи будут постоянно публиковаться в журнале (как только они будут приняты) и будут перечислены вместе на веб-сайте специального выпуска. Приглашаются исследовательские статьи, обзорные статьи, а также короткие сообщения. Для запланированных статей название и краткое резюме (около 100 слов) можно отправить в редакцию для объявления на этом сайте.

Представленные рукописи не должны были публиковаться ранее или рассматриваться для публикации в другом месте (за исключением трудов конференции).Все рукописи тщательно рецензируются в рамках процесса одинарного слепого рецензирования. Руководство для авторов и другая важная информация для подачи рукописей доступна на странице Инструкции для авторов. Applied Sciences — это международный рецензируемый журнал с открытым доступом, выходящий один раз в месяц, который издается MDPI.

Пожалуйста, посетите страницу Инструкции для авторов перед отправкой рукописи. Плата за обработку статьи (APC) для публикации в этом журнале с открытым доступом составляет 2000 швейцарских франков.