Введение

Учение о звуке – акустика – одна из самых древних областей физики. Диапазон частот, излучаемых современной акустикой, весьма обширен – от 1 до 1013 Гц.

Если отвлечься от наших индивидуальных и возрастных особенностей, то в среднем можно считать, что ухо человека способно воспринимать звук волны в интервале частот от 20 до 20 000 Гц.

Звуковые волны, частоты которых находятся вне этих границ, мы не слышим, так как они не вызывают у нас слуховых ощущений.

Звуковые волны с частотой от 20 000 до 10⁹ Гц были названы ультразвуком.

При определенных условиях распространения ультразвуковых колебаний в жидкой среде происходят чередующиеся сжатия и растяжения с частотой проходящих колебаний. В момент растяжения в капельной жидкости образуются полости, заполненные газом, паром или их смесью (так называемые кавитационные пузырьки). В момент сжатия пузырьки захлопываются, в результате чего возникают ударные волны с большой амплитудой давления.

Эти особенности ультразвуковых колебаний и обусловили их широкое практическое применение в самых различных областях науки, медицины, промышленности.

Ультразвук используют для интенсификации многих технологических процессов:

- в пищевой промышленности для стерилизации молока, старения вин; ускорения процесса диффузии при посоле сельди; в процессе эмульгирования веществ при производстве таких продуктов, как маргарин, майонез, плавленые сыры, приправы; в процессе сушки, осуществляемом при низких температурах, что способствует сохранению пищевой ценности высушиваемого продукта; для мойки фруктов, отмывания частиц крахмала с картофеля перед жаркой, сушкой; для удаления избытка винного камня в процессе производства виноградного сока, что делает его кристально прозрачным и т.д.;

- в производстве косметических и фармацевтических изделий, представляющих собой эмульсии;

- в металлургии для дегазации расплавов, сплавления несмешивающихся металлов, измельчения зерен при кристаллизации для старения металлов;

Широко применяется ультразвуковая точечная, стыковая, шовная сварка металлов, пластмасс, термопластических тканей: ультразвуковая сварка прочнее тепловой и требует гораздо меньших затрат энергии.

Ультразвуковые колебания применяются для ускорения процесса полимеризации при изготовлении искусственного каучука, ускорения растворения твердых веществ в жидкости. Так, например, продолжительность растворения вискозы в процессе изготовления химических волокон при применении ультразвука сокращается с 7 до 3 часов.

Ультразвуковое исследование является основой распространенного неразрушающего контроля – дефектоскопии. Ультразвук позволяет металлургам заглянуть в глубь металла, а медикам внутрь человеческого организма и тела животных, при этом информативность исследований оказывается существенно выше, чем при использовании рентгена, а само же ультразвуковое исследование (УЗИ) совершенно безопасно.

В биологии посредством ультразвука производится воздействие на бактерии и вирусы, на семена растений.

При посредстве ультразвук работают многочисленные контрольные и измерительные приборы.

Ультразвук является незаменимым средством подводной сигнализации, связи между судами, средством эхолокации и навигации, т.к. применение электромагнитных волн, вследствие электропроводности воды, в данной области исключено.

Особое значение имеет ультразвуковая обработка поверхностей материалов, способы которой рассмотрим далее.

Литература

1. Маркосова Н.М. Изучение ультразвука в курсе физики средней школы / под ред. В.Ф. Ноздрева. – М.: Просвещение, 1982.

2. Вероман В.Ю., Аренков А.Б. Ультразвуковая обработка материалов. – Л.: «Машиностроение», 1971.

3. Киселёв М.Г. Ультразвук в поверхностной обработке материалов / М. Г. Киселёв, В.Т. Минченя, В.А. Ибрагимов. – Мн.: Тесей, 2001.

4. Киселёв М.Г. Ультразвук в технологии машино- и приборостроения: Учебное пособие / М.Г. Киселёв, В.Т. Минченя, Г.А. Есьман. – Мн.: Тесей, 2003.

5. Садовский В.В. Производственные технологии: учебник / В.В. Садовский, М.В. Самойлов, Н.П. Кохно [и др.] – Мн.: БГЭУ, 2008.

6. Лисовская Д.П. Производственные технологии: учебное пособие / Д.П.Лисовская [и др.] – Мн.: Выш. шк., 2005.

7. Шиляев А.С. Ультразвук в науке, технике и технологии / А.С. Шиляев. – Гомель, 2007.

Введение

Учение о звуке – акустика – одна из самых древних областей физики. Диапазон частот, излучаемых современной акустикой, весьма обширен – от 1 до 1013 Гц.

Если отвлечься от наших индивидуальных и возрастных особенностей, то в среднем можно считать, что ухо человека способно воспринимать звук волны в интервале частот от 20 до 20 000 Гц.

Звуковые волны, частоты которых находятся вне этих границ, мы не слышим, так как они не вызывают у нас слуховых ощущений.

Звуковые волны с частотой от 20 000 до 10⁹ Гц были названы ультразвуком.

При определенных условиях распространения ультразвуковых колебаний в жидкой среде происходят чередующиеся сжатия и растяжения с частотой проходящих колебаний. В момент растяжения в капельной жидкости образуются полости, заполненные газом, паром или их смесью (так называемые кавитационные пузырьки). В момент сжатия пузырьки захлопываются, в результате чего возникают ударные волны с большой амплитудой давления.

Эти особенности ультразвуковых колебаний и обусловили их широкое практическое применение в самых различных областях науки, медицины, промышленности.

Ультразвук используют для интенсификации многих технологических процессов:

- в пищевой промышленности для стерилизации молока, старения вин; ускорения процесса диффузии при посоле сельди; в процессе эмульгирования веществ при производстве таких продуктов, как маргарин, майонез, плавленые сыры, приправы; в процессе сушки, осуществляемом при низких температурах, что способствует сохранению пищевой ценности высушиваемого продукта; для мойки фруктов, отмывания частиц крахмала с картофеля перед жаркой, сушкой; для удаления избытка винного камня в процессе производства виноградного сока, что делает его кристально прозрачным и т.д.;

- в производстве косметических и фармацевтических изделий, представляющих собой эмульсии;

- в металлургии для дегазации расплавов, сплавления несмешивающихся металлов, измельчения зерен при кристаллизации для старения металлов;

Широко применяется ультразвуковая точечная, стыковая, шовная сварка металлов, пластмасс, термопластических тканей: ультразвуковая сварка прочнее тепловой и требует гораздо меньших затрат энергии.

Ультразвуковые колебания применяются для ускорения процесса полимеризации при изготовлении искусственного каучука, ускорения растворения твердых веществ в жидкости. Так, например, продолжительность растворения вискозы в процессе изготовления химических волокон при применении ультразвука сокращается с 7 до 3 часов.

Ультразвуковое исследование является основой распространенного неразрушающего контроля – дефектоскопии. Ультразвук позволяет металлургам заглянуть в глубь металла, а медикам внутрь человеческого организма и тела животных, при этом информативность исследований оказывается существенно выше, чем при использовании рентгена, а само же ультразвуковое исследование (УЗИ) совершенно безопасно.

В биологии посредством ультразвука производится воздействие на бактерии и вирусы, на семена растений.

При посредстве ультразвук работают многочисленные контрольные и измерительные приборы.

Ультразвук является незаменимым средством подводной сигнализации, связи между судами, средством эхолокации и навигации, т.к. применение электромагнитных волн, вследствие электропроводности воды, в данной области исключено.

Особое значение имеет ультразвуковая обработка поверхностей материалов, способы которой рассмотрим далее.

Ультразвуковая обработка поверхностей

Обеспечение высоких темпов развития промышленного комплекса Республики Беларусь связано с повышением технического уровня производства, его механизацией и автоматизацией, дальнейшим совершенствованием существующих и внедрением качественно новых, высокоэффективных технологических процессов и оборудования.

Одним из направлений существенного повышения производительности и качества механической обработки материалов является использование энергии ультразвука, в частности, его интенсифицирующего воздействия в процессах поверхностной обработки материалов.

Акустическим инструментом для ультразвуковой обработки является концентратор, жестко связанный с собственно инструментом, расположенным на конце концентратора. Концентратор ультразвука представляет собой устройство для увеличения амплитуды колебательного смещения частиц среды, т.е. интенсивности ультразвука. Применяют два типа концентраторов: фокусирующие – высокочастотные и стержневые – низкочастотные.