Où utilise-t-on les ultrasons ? Ultrason

Introduction………………………………………………………………………………3

Échographie………………………………………………………………………………….4

Les ultrasons sous forme d'ondes élastiques……………………………………..4

Spécificités de l'échographie……………………………..5

Sources et récepteurs d'ultrasons……………………………………..7

Émetteurs mécaniques……………………………………………………...7

Transducteurs électroacoustiques…………………………….9

Récepteurs à ultrasons……………………………………………………………..11

Application des ultrasons……………………………………………………………...11

Nettoyage par ultrasons………………………………………………………...11

Traitement mécanique des ultra-durs et cassants

matériaux………………………………………………………13

Soudage par ultrasons…………………………………………….14

Soudure et étamage par ultrasons……………………………………14

Accélération des processus de production………………..…………15

Détection de défauts par ultrasons…………………………..…………15

Les ultrasons en radioélectronique………………………..…………………17

L'échographie en médecine……………………………..……………..18

Littérature……………………………………………………………..……………….19

Le XXIe siècle est le siècle de l’atome, de l’exploration spatiale, de la radioélectronique et des ultrasons. La science de l’échographie est relativement jeune. D'abord travail de laboratoire sur les recherches par ultrasons ont été menées par le grand physicien russe P. N. Lebedev à fin XIX, puis de nombreux scientifiques éminents ont étudié l'échographie.

L'échographie est une propagation semblable à une onde mouvement oscillatoire particules de l'environnement. Les ultrasons présentent certaines caractéristiques par rapport aux sons de la plage audible. Dans le domaine des ultrasons, il est relativement facile d'obtenir un rayonnement dirigé ; il se prête bien à la focalisation, ce qui augmente l'intensité des vibrations ultrasonores. Lorsqu'ils se propagent dans les gaz, les liquides et les solides, les ultrasons donnent lieu à des phénomènes intéressants, dont beaucoup ont été découverts. application pratique V divers domaines sciences et technologies.

DANS dernières années L'échographie commence à jouer un rôle de plus en plus important dans la recherche scientifique. Des études théoriques et expérimentales ont été réalisées avec succès dans le domaine de la cavitation ultrasonore et des flux acoustiques, ce qui a permis de développer de nouveaux processus technologiques se produisant sous l'influence des ultrasons dans phase liquide. Actuellement, une nouvelle direction de la chimie se forme : la chimie ultrasonique, qui permet d'accélérer de nombreux processus chimiques et technologiques. Recherche scientifique a contribué à l'émergence d'une nouvelle branche de l'acoustique - l'acoustique moléculaire, qui étudie interaction moléculaire les ondes sonores avec la matière. De nouveaux domaines d'application des ultrasons ont émergé : introscopie, holographie, acoustique quantique, métrie de phase ultrasonore, acoustoélectronique.

Outre les aspects théoriques et études expérimentales Beaucoup a été fait dans le domaine de l'échographie travaux pratiques. Machines à ultrasons universelles et spéciales, installations fonctionnant sous pression statique accrue, installations mécanisées à ultrasons pour le nettoyage de pièces, générateurs à fréquence accrue et nouveau système refroidissement, convertisseurs avec uniforme champ distribué. Des unités automatiques à ultrasons ont été créées et introduites dans la production, qui sont incluses dans les lignes de production, permettant d'augmenter considérablement la productivité du travail.

Ultrason

Les ultrasons (US) sont des vibrations et des ondes élastiques dont la fréquence dépasse 15 à 20 kHz. La limite inférieure de la région des fréquences ultrasonores, la séparant de la région du son audible, est déterminée par les propriétés subjectives de l'audition humaine et est conditionnelle, puisque la limite supérieure de la perception auditive est différente pour chaque personne. La limite supérieure des fréquences ultrasonores est déterminée par nature physique ondes élastiques qui ne peuvent se propager que dans environnement matériel, c'est-à-dire à condition que la longueur d'onde soit nettement supérieure au libre parcours moyen des molécules dans un gaz ou aux distances interatomiques dans les liquides et les solides. Dans les gaz à pression normale, la limite supérieure des fréquences ultrasonores est de » 10,9 Hz, dans les liquides et les solides, la fréquence limite atteint 10,12 -10,13 Hz. Selon la longueur d'onde et la fréquence, les ultrasons ont des effets différents. fonctionnalités spécifiques rayonnement, réception, propagation et application, le domaine des fréquences ultrasonores est donc divisé en trois domaines :

· basses fréquences ultrasonores (1,5×10 4 – 10 5 Hz) ;

· moyenne (10 5 – 10 7 Hz) ;

· élevé (10 7 – 10 9 Hz).

Les ondes élastiques avec des fréquences de 10 9 à 10 13 Hz sont communément appelées hypersons.

Ultrasons sous forme d'ondes élastiques.

Les ondes ultrasonores (son inaudible) ne sont pas différentes par nature des ondes élastiques dans la plage audible. Distribue uniquement dans les gaz et les liquides longitudinal vagues, et dans les solides - longitudinal et cisaillement s.

La propagation des ultrasons obéit à des lois fondamentales communes aux ondes acoustiques de toute gamme de fréquences. Les lois fondamentales de la propagation comprennent lois de la réflexion et de la réfraction du son aux limites de divers milieux, de la diffraction et de la diffusion du son en présence d'obstacles et d'inhomogénéités du milieu et d'irrégularités aux limites, lois de propagation des guides d'ondes dans des zones limitées de l’environnement. Un rôle essentiel est joué par la relation entre la longueur d'onde sonore l et la taille géométrique D - la taille de la source sonore ou de l'obstacle sur le trajet de l'onde, la taille des inhomogénéités du milieu. Lorsque D>>l, la propagation du son à proximité des obstacles se fait principalement selon les lois de l'acoustique géométrique (les lois de la réflexion et de la réfraction peuvent être utilisées). Le degré d'écart par rapport au schéma géométrique de propagation et la nécessité de prendre en compte les phénomènes de diffraction sont déterminés par le paramètre, où r est la distance du point d'observation à l'objet provoquant la diffraction.

La vitesse de propagation des ondes ultrasonores dans un milieu illimité est déterminée par les caractéristiques d'élasticité et la densité du milieu. Dans des environnements confinés, la vitesse de propagation des ondes est affectée par la présence et la nature des frontières, ce qui conduit à une dépendance fréquentielle de la vitesse (dispersion de la vitesse du son). Une diminution de l'amplitude et de l'intensité d'une onde ultrasonore lors de sa propagation dans une direction donnée, c'est-à-dire l'atténuation du son, est causée, comme pour les ondes de n'importe quelle fréquence, par la divergence du front d'onde avec la distance à la source, la diffusion et absorption du son. À toutes les fréquences des plages audible et inaudible, l’absorption dite « classique » se produit, provoquée par la viscosité de cisaillement (frottement interne) du milieu. À cela s’ajoute une absorption supplémentaire (de relaxation), qui dépasse souvent largement l’absorption « classique ».

Avec une intensité importante des ondes sonores, des effets non linéaires apparaissent :

· le principe de superposition est violé et une interaction d'ondes se produit, conduisant à l'apparition de tons ;

· la forme de l'onde change, son spectre s'enrichit d'harmoniques supérieures et l'absorption augmente en conséquence ;

en atteignant un certain valeur seuil Si l'intensité des ultrasons augmente, une cavitation se produit dans le liquide (voir ci-dessous).

Le critère d'applicabilité des lois de l'acoustique linéaire et de possibilité de négliger les effets non linéaires est : M<< 1, где М = v/c, v – колебательная скорость частиц в волне, с – скорость распространения волны.

Le paramètre M est appelé « nombre de Mach ».

Caractéristiques spécifiques de l'échographie

Bien que la nature physique des ultrasons et les lois fondamentales qui déterminent leur propagation soient les mêmes que pour les ondes sonores de toute gamme de fréquences, ils présentent un certain nombre de caractéristiques spécifiques. Ces caractéristiques sont dues aux fréquences ultrasonores relativement élevées.

La petitesse de la longueur d'onde détermine caractère radial propagation des ondes ultrasonores. A proximité de l'émetteur, les ondes se propagent sous forme de faisceaux dont la dimension transversale reste proche de la taille de l'émetteur. Lorsqu'un tel faisceau (faisceau ultrasonique) heurte de grands obstacles, il subit une réflexion et une réfraction. Lorsque le faisceau heurte de petits obstacles, une onde diffusée apparaît, ce qui permet de détecter de petites inhomogénéités dans le milieu (de l'ordre des dixièmes et centièmes de mm). La réflexion et la diffusion des ultrasons sur les inhomogénéités du milieu permettent de former dans des milieux optiquement opaques images sonores objets utilisant des systèmes de focalisation du son, similaires à ce qui se fait avec les rayons lumineux.

La focalisation des ultrasons permet non seulement d'obtenir des images sonores (systèmes de vision sonore et d'holographie acoustique), mais aussi se concentrer l'énergie sonore. En utilisant des systèmes de focalisation ultrasonique, il est possible de former des caractéristiques de directivitéémetteurs et les contrôler.

Un changement périodique de l'indice de réfraction des ondes lumineuses associé à un changement de densité dans une onde ultrasonore provoque diffraction de la lumière par ultrasons, observé à des fréquences ultrasonores de l’ordre du mégahertz-gigahertz. Dans ce cas, l’onde ultrasonore peut être considérée comme un réseau de diffraction.

L’effet non linéaire le plus important dans le champ ultrasonore est cavitation– l'apparition dans un liquide d'une masse de bulles pulsées remplies de vapeur, de gaz ou d'un mélange de ceux-ci. Le mouvement complexe des bulles, leur effondrement, leur fusion les unes avec les autres, etc. générer des impulsions de compression (ondes de microchocs) et des microflux dans le liquide, provoquant un échauffement local du milieu et une ionisation. Ces effets ont un impact sur la substance : la destruction des solides présents dans le liquide se produit ( érosion par cavitation), un mélange de fluides se produit, divers phénomènes physiques et procédés chimiques. En modifiant les conditions de cavitation, il est possible de renforcer ou d'affaiblir divers effets de cavitation, par exemple, avec l'augmentation de la fréquence ultrasonore, le rôle des microflux augmente et l'érosion par cavitation diminue avec l'augmentation de la pression dans le liquide, le rôle des influences des micro-impacts augmente ; Une augmentation de la fréquence entraîne une augmentation de la valeur seuil d'intensité correspondant à l'apparition de la cavitation, qui dépend du type de liquide, de sa teneur en gaz, de sa température, etc. Pour l'eau à pression atmosphérique, elle est généralement de 0,3 à 1,0 W/cm. 2 . La cavitation est un ensemble complexe de phénomènes. Les ondes ultrasonores se propagent sous forme liquide en alternant des zones de hautes et basses pressions, créant des zones de forte compression et des zones de raréfaction. Dans une zone raréfiée, la pression hydrostatique diminue à tel point que les forces agissant sur les molécules du liquide deviennent supérieures aux forces de cohésion intermoléculaire. À la suite d'un changement brusque de l'équilibre hydrostatique, le liquide « éclate », formant de nombreuses minuscules bulles de gaz et de vapeurs. L'instant suivant, lorsqu'une période de haute pression se produit dans le liquide, les bulles précédemment formées s'effondrent. Le processus d'effondrement des bulles s'accompagne de la formation d'ondes de choc avec une pression instantanée locale très élevée, atteignant plusieurs centaines d'atmosphères.

Sources et récepteurs d'ultrasons.

Dans la nature, les ultrasons se retrouvent à la fois comme composant de nombreux bruits naturels (dans le bruit du vent, de la cascade, de la pluie, dans le bruit des cailloux roulés par les vagues, dans les sons accompagnant les décharges d'orage, etc.), et parmi les bruits du monde animal. Certains animaux utilisent des ondes ultrasonores pour détecter les obstacles et naviguer dans l’espace.

Les émetteurs d'ultrasons peuvent être divisés en deux grands groupes. Le premier comprend les émetteurs-générateurs ; leurs oscillations sont excitées en raison de la présence d'obstacles sur le chemin d'un flux constant - un flux de gaz ou de liquide. Le deuxième groupe d'émetteurs est constitué de transducteurs électroacoustiques ; ils transforment des vibrations déjà données tension électrique ou actuel dans vibrations mécaniques corps solide, qui émet dans environnement ondes acoustiques.

Émetteurs mécaniques.

Dans les émetteurs du premier type (mécaniques), la conversion de l'énergie cinétique d'un jet (liquide ou gaz) en énergie acoustique se produit à la suite d'une interruption périodique du jet (sirène), lorsqu'il percute des obstacles de différents types ( générateurs de jets de gaz, sifflets).

Une sirène à ultrasons est constituée de deux disques comportant un grand nombre de trous placés dans une chambre (Fig. 1).

où N est le nombre de trous également répartis sur la circonférence du rotor et du stator ; w est la vitesse angulaire du rotor.

La pression dans la chambre de la sirène est généralement comprise entre 0,1 et 5,0 kgf/cm2. La limite supérieure de la fréquence ultrasonore émise par les sirènes ne dépasse pas 40-50 kHz, cependant, des conceptions avec une limite supérieure de 500 kHz sont connues. Le rendement des générateurs ne dépasse pas 60 %. Étant donné que la source du son émis par la sirène est constituée d'impulsions de gaz s'écoulant des trous, spectre de fréquence les sirènes sont déterminées par la forme de ces impulsions. Pour obtenir des oscillations sinusoïdales, on utilise des sirènes à trous ronds dont les distances sont égales à leur diamètre. Pour les trous rectangulaires espacés de la largeur du trou, la forme de l’impulsion est triangulaire. Dans le cas de l'utilisation de plusieurs rotors (tournant à des vitesses différentes) avec des trous inégalement répartis et de formes différentes, un signal de bruit peut être obtenu. La puissance acoustique des sirènes peut atteindre des dizaines de kW. Si vous placez du coton dans le champ de rayonnement d'une sirène puissante, il s'enflammera et la limaille d'acier chauffera au rouge.

Le principe de fonctionnement d'un générateur de sifflet à ultrasons est presque le même que celui d'un sifflet de police ordinaire, mais ses dimensions sont beaucoup plus grandes. Le flux d'air à grande vitesse se brise contre le bord tranchant de la cavité interne du générateur, provoquant des oscillations de fréquence égale à la fréquence propre du résonateur. Grâce à un tel générateur, il est possible de créer des oscillations d'une fréquence allant jusqu'à 100 kHz avec une puissance relativement faible. Pour obtenir une plus grande puissance, on utilise des générateurs à jet de gaz, dans lesquels le débit de gaz est plus élevé. Les générateurs de liquide sont utilisés pour émettre des ultrasons dans un liquide. Dans les générateurs de liquide (Fig. 2), une pointe double face sert de système résonant dans lequel les vibrations de flexion sont excitées.

Pour faire fonctionner un générateur liquide (hydrodynamique), une surpression de liquide de 5 kg/cm 2 est nécessaire. la fréquence d'oscillation d'un tel générateur est déterminée par la relation :

où v est la vitesse du liquide s'écoulant de la buse ; d est la distance entre la pointe et la buse.

Les émetteurs hydrodynamiques dans un liquide fournissent une énergie ultrasonore relativement bon marché à des fréquences allant jusqu'à 30-40 kHz avec une intensité à proximité immédiate de l'émetteur pouvant atteindre plusieurs W/cm 2 .

Les émetteurs mécaniques sont utilisés dans la gamme des ultrasons basse fréquence et dans la gamme des ondes sonores. Ils sont relativement simples dans leur conception et leur fonctionnement, leur production n'est pas coûteuse, mais ils ne peuvent pas créer de rayonnement monochromatique, et encore moins émettre des signaux d'une forme strictement spécifiée. De tels émetteurs se caractérisent par une instabilité de fréquence et d'amplitude, cependant, lorsqu'ils émettent dans des milieux gazeux, ils ont un rendement et une puissance de rayonnement relativement élevés : leur rendement varie de plusieurs % à 50 %, leur puissance de plusieurs watts à des dizaines de kW.

Transducteurs électroacoustiques.

Les émetteurs du deuxième type sont basés sur divers effets physiques de transformation électromécanique. En règle générale, ils sont linéaires, c'est-à-dire qu'ils reproduisent sous forme le signal électrique d'excitation. Dans la gamme des ultrasons basse fréquence, ils sont utilisés électrodynamiqueémetteurs et émetteurs magnétostrictif convertisseurs et piézoélectrique convertisseurs. Les émetteurs les plus largement utilisés sont de type magnétostrictif et piézoélectrique.

En 1847, Joule remarque que les matériaux ferromagnétiques placés dans un champ magnétique changent de taille. Ce phénomène a été appelé magnétostrictif effet . Si un courant alternatif traverse un enroulement placé sur une tige ferromagnétique, alors sous l'influence d'un champ magnétique changeant, la tige sera déformée. Les noyaux de nickel, contrairement aux noyaux de fer, se raccourcissent sous l’effet d’un champ magnétique. Lorsqu'un courant alternatif traverse l'enroulement de l'émetteur, sa tige se déforme dans une direction dans n'importe quelle direction du champ magnétique. Par conséquent, la fréquence des vibrations mécaniques sera deux fois supérieure à la fréquence du courant alternatif.

Pour garantir que la fréquence d'oscillation de l'émetteur correspond à la fréquence du courant d'excitation, une tension de polarisation constante est fournie à l'enroulement de l'émetteur. Dans un émetteur polarisé, l'amplitude de l'induction magnétique alternative augmente, ce qui entraîne une déformation accrue du noyau et une puissance accrue.

L'effet magnétostrictif est utilisé dans la fabrication de transducteurs magnétostrictifs ultrasoniques (Fig. 3).

Le plus souvent, on utilise des convertisseurs en nickel (haute résistance à la corrosion, prix bas). Les noyaux magnétostrictifs peuvent également être fabriqués à partir de ferrites. Les ferrites ont une résistivité élevée, de sorte que les pertes par courants de Foucault sont négligeables. Cependant, la ferrite est un matériau fragile, ce qui présente le risque de les surcharger à forte puissance. L'efficacité des convertisseurs magnétostrictifs lors de l'émission dans des liquides et des solides est de 50 à 90 %. L'intensité du rayonnement atteint plusieurs dizaines de W/cm 2 .

En 1880, les frères Jacques et Pierre Curie découvrent piézoélectrique effet - si vous déformez une plaque de quartz, des charges électriques de signe opposé apparaissent sur ses faces. Le phénomène inverse est également observé : si une charge électrique est appliquée aux électrodes d'une plaque de quartz, ses dimensions diminueront ou augmenteront en fonction de la polarité de la charge fournie. Lorsque les signes de la tension appliquée changent, la plaque de quartz se comprime ou se décomprime, c'est-à-dire qu'elle oscille en fonction des changements dans les signes de la tension appliquée. Le changement d'épaisseur de la plaque est proportionnel à la tension appliquée.

Le principe de l'effet piézoélectrique est utilisé dans la fabrication d'émetteurs de vibrations ultrasoniques, qui convertissent les vibrations électriques en vibrations mécaniques. Le quartz, le titanate de baryum et le phosphate d'ammonium sont utilisés comme matériaux piézoélectriques.

L'efficacité des transducteurs piézoélectriques atteint 90 %, l'intensité du rayonnement est de plusieurs dizaines de W/cm 2. Pour augmenter l'intensité et l'amplitude des vibrations, des ultrasons sont utilisés moyeux. Dans la gamme des moyennes fréquences ultrasonores, le concentrateur est un système de focalisation, le plus souvent sous la forme d'un transducteur piézoélectrique de forme concave, émettant une onde convergente. Au foyer de tels concentrateurs, une intensité de 10 5 -10 6 W/cm 2 est atteinte.

Récepteurs à ultrasons.

Les transducteurs électroacoustiques de type piézoélectrique sont le plus souvent utilisés comme récepteurs d'ultrasons aux basses et moyennes fréquences. De tels récepteurs permettent de reproduire la forme du signal acoustique, c'est-à-dire la dépendance temporelle de la pression acoustique. Selon les conditions d'application, les récepteurs sont soit résonants, soit à large bande. Pour obtenir des caractéristiques moyennées dans le temps du champ sonore, des récepteurs thermiques sous forme de thermocouples ou de thermistances recouverts d'une substance insonorisante sont utilisés. L'intensité et la pression acoustique peuvent également être évaluées par des méthodes optiques, par exemple par diffraction de la lumière par ultrasons.

Application de l'échographie.

Les diverses applications des ultrasons, dans lesquelles leurs diverses caractéristiques sont utilisées, peuvent être divisées en trois domaines. Le premier est associé à l'obtention d'informations par ondes ultrasonores, le second à un effet actif sur la matière et le troisième au traitement et à la transmission des signaux. Pour chaque application spécifique, des ultrasons d'une certaine gamme de fréquences sont utilisés (tableau 1). Parlons de quelques-uns des nombreux domaines dans lesquels la gestion des connaissances a trouvé des applications.

Nettoyage par ultrasons.

La qualité du nettoyage par ultrasons est incomparable aux autres méthodes. Par exemple, lors du rinçage des pièces, jusqu'à 80 % des contaminants restent à leur surface, avec un nettoyage par vibration - environ 55 %, avec un nettoyage manuel - environ 20 % et avec un nettoyage par ultrasons - pas plus de 0,5 %. De plus, les pièces aux formes complexes et aux endroits difficiles d’accès ne peuvent être bien nettoyées qu’à l’aide d’ultrasons. Un avantage particulier du nettoyage par ultrasons est sa productivité élevée avec un faible travail physique, la possibilité de remplacer les solvants organiques inflammables ou coûteux par des solutions aqueuses sûres et bon marché d'alcalis, de fréon liquide, etc.

Le nettoyage par ultrasons est un processus complexe qui combine la cavitation locale avec l'action de fortes accélérations du liquide de nettoyage, ce qui conduit à la destruction des contaminants. Si une pièce contaminée est placée dans

Tableau 1

liquide et l'irradier aux ultrasons, puis sous l'action d'une onde de choc de bulles de cavitation, la surface de la pièce est nettoyée des saletés.

Un problème sérieux est la lutte contre la pollution de l'air par la poussière, la fumée, la suie, les oxydes métalliques, etc. La méthode ultrasonique de purification du gaz et de l'air peut être utilisée dans les sorties de gaz existantes, quelles que soient la température et l'humidité de l'environnement. Si vous placez un émetteur d'ultrasons dans une chambre de sédimentation de poussière, son efficacité augmente des centaines de fois. Quelle est l’essence de la purification de l’air par ultrasons ? Les particules de poussière qui se déplacent de manière aléatoire dans l'air, sous l'influence des vibrations ultrasonores, se heurtent plus souvent et plus fort. Dans le même temps, ils fusionnent et leur taille augmente. Le processus d’agrandissement des particules est appelé coagulation. Les particules agrandies et pondérées sont capturées par des filtres spéciaux.

Traitement mécanique du super-dur

et des matériaux fragiles.

Si un matériau abrasif est introduit entre la surface de travail de l'outil à ultrasons et la pièce à usiner, alors pendant le fonctionnement de l'émetteur, les particules abrasives affecteront la surface de la pièce. Le matériau est détruit et éliminé lors du traitement sous l'influence d'un grand nombre de microimpacts dirigés (Fig. 4).

La cinématique du traitement par ultrasons comprend le mouvement principal – la coupe, c'est-à-dire vibrations longitudinales de l'outil et mouvement auxiliaire - mouvement d'avance. Les vibrations longitudinales sont la source d'énergie des grains abrasifs, qui provoquent la destruction du matériau traité. Le mouvement auxiliaire - le mouvement d'avance - peut être longitudinal, transversal et circulaire. Le traitement par ultrasons offre une plus grande précision - de 50 à 1 microns, selon la granulométrie de l'abrasif. À l'aide d'outils de différentes formes, vous pouvez réaliser non seulement des trous, mais également des coupes complexes. De plus, vous pouvez couper des axes courbes, fabriquer des matrices, meuler, graver et même percer du diamant. Les matériaux utilisés comme abrasifs sont le diamant, le corindon, le silex et le sable de quartz.

Soudure par ultrasons.

Aucune des méthodes existantes n'est adaptée au soudage de métaux différents ou lorsque des plaques minces doivent être soudées à des pièces épaisses. Dans ce cas, la soudure par ultrasons est irremplaçable. On l'appelle parfois à froid car les pièces sont assemblées à froid. Il n’existe pas d’idée définitive sur le mécanisme de formation des joints lors du soudage par ultrasons. Pendant le processus de soudage, après introduction de vibrations ultrasonores, une couche de métal hautement plastique se forme entre les plaques à souder et les plaques tournent très facilement autour d'un axe vertical sous n'importe quel angle. Mais dès que le rayonnement ultrasonore est arrêté, un « grippage » instantané des plaques se produit.

Le soudage par ultrasons s'effectue à une température nettement inférieure au point de fusion, de sorte que les pièces sont assemblées à l'état solide. Grâce aux ultrasons, vous pouvez souder de nombreux métaux et alliages (cuivre, molybdène, tantale, titane, de nombreux aciers). Les meilleurs résultats sont obtenus en soudant des feuilles minces de métaux différents et en soudant des feuilles minces sur des pièces épaisses. Lors du soudage par ultrasons, les propriétés du métal dans la zone de soudage changent peu. Les exigences de qualité pour la préparation des surfaces sont nettement inférieures à celles des autres méthodes de soudage. Les matériaux non métalliques (plastiques, polymères) se prêtent également bien au soudage par ultrasons.

Soudure et étamage par ultrasons.

Dans l'industrie, le brasage et l'étamage par ultrasons de l'aluminium, de l'acier inoxydable et d'autres matériaux deviennent de plus en plus importants. La difficulté du soudage de l'aluminium est que sa surface est toujours recouverte d'un film réfractaire d'oxyde d'aluminium, qui se forme presque instantanément lorsque le métal entre en contact avec l'oxygène de l'air. Ce film empêche la soudure fondue d'entrer en contact avec la surface en aluminium.

Actuellement, l'une des méthodes efficaces pour souder l'aluminium est le soudage par ultrasons ; le soudage par ultrasons est effectué sans flux. L'introduction de vibrations mécaniques à fréquence ultrasonore dans la soudure fondue pendant le processus de brasage favorise la destruction mécanique du film d'oxyde et facilite le mouillage de la surface avec la soudure.

Le principe du brasage par ultrasons de l'aluminium est le suivant. Une couche de soudure liquide en fusion est créée entre le fer à souder et la pièce. Sous l'influence des vibrations ultrasonores, une cavitation se produit dans la soudure, détruisant le film d'oxyde. Avant le soudage, les pièces sont chauffées à une température supérieure au point de fusion de la soudure. Le gros avantage de cette méthode est qu’elle peut être utilisée avec succès pour souder la céramique et le verre.

Accélération des processus de production

utilisant les ultrasons.

¾ L'utilisation des ultrasons peut accélérer considérablement le mélange de divers liquides et obtenir des émulsions stables (même comme l'eau et le mercure).

¾ En exposant les liquides à des vibrations ultrasonores de haute intensité, il est possible d'obtenir des aérosols de haute densité finement dispersés.

¾ Relativement récemment, les ultrasons ont commencé à être utilisés pour l'imprégnation des produits de bobinage électrique. L'utilisation des ultrasons permet de réduire le temps d'imprégnation de 3 à 5 fois et de remplacer 2 à 3 fois l'imprégnation par une imprégnation unique.

¾ Sous l'influence des ultrasons, le processus de dépôt galvanique des métaux et alliages est considérablement accéléré.

¾ Si des vibrations ultrasoniques sont introduites dans le métal en fusion, le grain est sensiblement affiné et la porosité est réduite.

¾ Les ultrasons sont utilisés dans le traitement des métaux et alliages à l'état solide, ce qui conduit à un « desserrage » de la structure et à leur vieillissement artificiel.

¾ L'ultrasons lors du pressage des poudres métalliques garantit la production de produits pressés d'une densité et d'une stabilité dimensionnelle plus élevées.

Détection des défauts par ultrasons.

La détection des défauts par ultrasons fait partie des méthodes de contrôle non destructifs. La propriété des ultrasons dans un milieu homogène de se propager de manière directionnelle et sans atténuation importante, et à l'interface entre deux milieux (par exemple métal - air) d'être presque entièrement réfléchis, a permis d'utiliser les vibrations ultrasonores pour identifier des défauts (éviers, fissures, délaminages, etc.) des pièces métalliques sans les détruire.

Grâce aux ultrasons, vous pouvez vérifier de grandes pièces, car la profondeur de pénétration des ultrasons dans le métal atteint 8 à 10 m. De plus, les ultrasons peuvent détecter de très petits défauts (jusqu'à 10 à 6 mm).

Les détecteurs de défauts à ultrasons permettent non seulement de détecter les défauts formés, mais également de déterminer le moment de fatigue accrue du métal.

Il existe plusieurs méthodes de détection de défauts par ultrasons, les principales étant l'ombre, l'impulsion, la résonance, l'analyse structurelle et la visualisation par ultrasons.

La méthode de l'ombre est basée sur l'atténuation du passage des ondes ultrasonores en présence de défauts à l'intérieur de la pièce qui créent une ombre ultrasonore. Cette méthode utilise deux convertisseurs. L'un d'eux émet des vibrations ultrasonores, l'autre les reçoit (Fig. 5). La méthode de l'ombre est insensible ; un défaut peut être détecté si le changement de signal qu'elle provoque est d'au moins 15 à 20 %. Un inconvénient important de la méthode des ombres est qu'elle ne permet pas de déterminer à quelle profondeur se situe le défaut.

La méthode de détection de défauts par ultrasons pulsés est basée sur le phénomène de réflexion ondes ultrasonores. Le principe de fonctionnement d'un détecteur de défauts à impulsions est illustré à la Fig. 6. Le générateur haute fréquence produit des impulsions à court terme. L'impulsion envoyée par l'émetteur, après avoir été réfléchie, retourne au convertisseur, qui à ce moment est en train de recevoir. Depuis le convertisseur, le signal va à l'amplificateur, puis aux plaques de déflexion du tube cathodique. Pour obtenir des images de sondage et d'impulsions réfléchies sur l'écran du tube, un générateur de balayage est fourni. Le fonctionnement du générateur haute fréquence est contrôlé par un synchroniseur qui génère des impulsions haute fréquence à une certaine fréquence. La fréquence d'envoi des impulsions peut être modifiée afin que l'impulsion réfléchie arrive au convertisseur avant l'envoi de l'impulsion suivante.

La méthode par impulsions vous permet d'examiner les produits avec un accès unilatéral. La méthode a une sensibilité accrue ; la réflexion de même 1 % de l’énergie ultrasonore sera remarquée. L'avantage de la méthode pulsée est qu'elle permet de déterminer à quelle profondeur se situe le défaut.

Les ultrasons en radioélectronique.

En radioélectronique, il est souvent nécessaire de retarder un signal électrique par rapport à un autre. Les scientifiques ont trouvé une solution efficace en proposant des lignes à retard ultrasoniques (LDL). Leur action repose sur la conversion d'impulsions électriques en impulsions de vibrations mécaniques ultrasonores dont la vitesse de propagation est bien inférieure à la vitesse de propagation des vibrations électromagnétiques. Après la conversion inverse des vibrations mécaniques en vibrations électriques, l'impulsion de tension à la sortie de la ligne sera retardée par rapport à l'impulsion d'entrée.

Pour convertir vibrations électriques Des transducteurs magnétostrictifs et piézoélectriques sont utilisés pour convertir les signaux mécaniques et vice versa. En conséquence, les LZ sont divisés en magnétostrictifs et piézoélectriques.

Le LZ magnétostrictif se compose de transducteurs d’entrée et de sortie, d’aimants, de conduits acoustiques et d’absorbeurs.

Le transducteur d'entrée se compose d'une bobine à travers laquelle circule le courant du signal d'entrée, d'une section d'un conduit acoustique en matériau magnétostrictif dans lequel se produisent des vibrations mécaniques de fréquence ultrasonore et d'un aimant qui crée une magnétisation permanente de la zone de conversion. La conception du convertisseur de sortie n'est presque pas différente de celle d'entrée.

Le conduit sonore est une tige en matériau magnétostrictif dans laquelle sont excitées des vibrations ultrasonores se propageant à une vitesse d’environ 5 000 m/s. pour retarder l'impulsion, par exemple de 100 μs, la longueur du conduit sonore doit être d'environ 43 cm. Un aimant est nécessaire pour créer l'induction magnétique initiale et polariser la zone de conversion.

Le principe de fonctionnement d'un LP magnétostrictif repose sur une modification de la taille des matériaux ferromagnétiques sous l'influence d'un champ magnétique. La perturbation mécanique provoquée par le champ magnétique de la bobine du transducteur d'entrée est transmise à travers le pipeline audio et, lorsqu'elle atteint la bobine du transducteur de sortie, y induit une force électromotrice.

Les LP piézoélectriques sont conçus comme suit. Un transducteur piézoélectrique (plaque de quartz) est placé sur le trajet du signal électrique, qui est relié rigidement à une tige métallique (conduit sonore). Un deuxième transducteur piézoélectrique est fixé à la deuxième extrémité de la tige. Le signal, s'approchant du transducteur d'entrée, provoque des vibrations mécaniques de fréquence ultrasonore, qui se propagent ensuite dans le pipeline sonore. Ayant atteint le deuxième convertisseur, les vibrations ultrasoniques sont à nouveau converties en vibrations électriques. Mais comme la vitesse de propagation des ultrasons dans le pipeline sonore est nettement inférieure à la vitesse de propagation du signal électrique, le signal le long du trajet duquel se trouvait le pipeline sonore est en retard par rapport à l'autre d'une valeur égale à la différence de vitesse. de propagation des ultrasons et des signaux électromagnétiques dans une certaine zone.

L'échographie en médecine.

L'utilisation des ultrasons pour influencer activement un organisme vivant en médecine est basée sur les effets qui se produisent dans les tissus biologiques lorsque les ondes ultrasonores les traversent. Les vibrations des particules du milieu dans l'onde provoquent une sorte de micro-massage des tissus, l'absorption des ultrasons entraîne un échauffement local de ceux-ci. Parallèlement, sous l'influence des ultrasons, des transformations physico-chimiques se produisent dans les milieux biologiques. A intensité sonore modérée, ces phénomènes n'entraînent pas de dommages irréversibles, mais améliorent seulement le métabolisme et contribuent donc au fonctionnement de l'organisme. Ces phénomènes sont utilisés en échographie thérapie(intensité des ultrasons jusqu'à 1 W/cm2) . À des intensités élevées, un fort échauffement et une cavitation provoquent la destruction des tissus. Cet effet est utilisé en échographie chirurgie. Pour les opérations chirurgicales, on utilise des ultrasons focalisés, qui permettent une destruction locale des structures profondes, comme le cerveau, sans endommager les tissus environnants (l'intensité des ultrasons atteint des centaines, voire des milliers de W/cm2). En chirurgie, on utilise également des instruments à ultrasons dont l'extrémité active ressemble à un scalpel, une lime, une aiguille, etc. L'application à de tels instruments de vibrations ultrasonores, courantes en chirurgie, leur confère de nouvelles qualités, réduisant considérablement la force requise et, par conséquent, le traumatisme de l'opération ; de plus, un effet hémostatique et analgésique se manifeste. L'exposition par contact avec un instrument à ultrasons contondant est utilisée pour détruire certaines tumeurs.

L'impact des ultrasons puissants sur les tissus biologiques est utilisé pour détruire les micro-organismes lors des processus de stérilisation des instruments médicaux et des substances médicinales.

L'échographie a trouvé une application dans la pratique dentaire pour éliminer le tartre. Il vous permet d'éliminer rapidement, sans douleur et sans saignement, le tartre et la plaque dentaire de vos dents. Dans ce cas, la muqueuse buccale n'est pas blessée et les « poches » de la cavité sont désinfectées, et le patient éprouve une sensation de chaleur au lieu de douleur.

Littérature.

1. I.P. Golyamina. Ultrason. – M. : Encyclopédie soviétique, 1979.

2. I.G. Khorbenko. Dans un monde de sons inaudibles. – M. : Génie Mécanique, 1971.

3. V.P. Severdenko, V.V. Klubovitch. Application des ultrasons dans l'industrie. – Minsk : Science et Technologie, 1967.

La relaxation acoustique est le processus interne de restauration de l'équilibre thermodynamique du milieu, perturbé par les compressions et la raréfaction de l'onde ultrasonore. Selon le principe thermodynamique de répartition uniforme de l'énergie entre les degrés de liberté, l'énergie du mouvement de translation dans une onde sonore est transférée aux degrés de liberté internes, les excitant, ce qui entraîne une diminution de l'énergie par mouvement de translation. La relaxation s’accompagne donc toujours d’une absorption acoustique, ainsi que d’une dispersion de la vitesse du son.

Dans une onde monochromatique, l'évolution de la valeur oscillante W au fil du temps se produit selon la loi du sinus ou du cosinus et est décrite en chaque point par la formule : .

Il existe deux types de magnétostriction : linéaire, dans laquelle les dimensions géométriques du corps changent dans la direction du champ appliqué, et volumétrique, dans laquelle les dimensions géométriques du corps changent dans toutes les directions. La magnétostriction linéaire est observée à des intensités de champ nettement inférieures à la magnétostriction globale. Par conséquent, la magnétostriction linéaire est pratiquement utilisée dans les convertisseurs magnétostrictifs.

Une thermistance est une résistance dont la résistance dépend de la température. Un thermocouple est constitué de deux conducteurs de métaux différents connectés ensemble. Une force électromotrice apparaît aux extrémités des conducteurs proportionnellement à la température.

Ultrason- les vibrations mécaniques situées au-dessus de la gamme de fréquences audibles par l'oreille humaine (généralement 20 kHz). Les vibrations ultrasoniques se propagent sous des formes d’onde, similaires à la propagation de la lumière. Cependant, contrairement aux ondes lumineuses, qui peuvent se propager dans le vide, les ultrasons nécessitent un milieu élastique tel qu'un gaz, un liquide ou un solide.

, (3)

Pour les ondes transversales, elle est déterminée par la formule

Dispersion sonore- dépendance de la vitesse de phase des ondes sonores monochromatiques sur leur fréquence. La dispersion de la vitesse du son peut être due à la fois aux propriétés physiques du milieu et à la présence d'inclusions étrangères dans celui-ci et à la présence de limites du corps dans lequel l'onde sonore se propage.

Types d'ondes ultrasonores

La plupart des techniques échographiques utilisent des ondes longitudinales ou de cisaillement. Il existe également d’autres formes de propagation des ultrasons, notamment les ondes de surface et les ondes de Lamb.

Ultra longitudinal ondes sonores – des ondes dont la direction de propagation coïncide avec la direction des déplacements et des vitesses des particules du milieu.

Ondes ultrasonores transversales– des ondes se propageant dans une direction perpendiculaire au plan dans lequel se trouvent les directions de déplacements et les vitesses des particules du corps, au même titre que les ondes de cisaillement.

Ondes ultrasonores de surface (Rayleigh) ont un mouvement de particules elliptique et se propagent sur la surface du matériau. Leur vitesse est d'environ 90 % de la vitesse de propagation des ondes de cisaillement, et leur pénétration dans le matériau est égale à environ une longueur d'onde.

Vague d'agneau- une onde élastique se propageant dans une plaque (couche) solide aux frontières libres, dans laquelle le déplacement oscillatoire des particules se produit à la fois dans le sens de propagation de l'onde et perpendiculairement au plan de la plaque. Les ondes de Lamb sont l'un des types d'ondes normales dans un guide d'ondes élastique - dans une plaque aux limites libres. Parce que ces ondes doivent satisfaire non seulement aux équations de la théorie de l'élasticité, mais aussi aux conditions aux limites à la surface de la plaque ; le schéma de leur mouvement et leurs propriétés sont plus complexes que ceux des ondes dans les solides non limités.

Visualisation des ondes ultrasonores

Pour une onde progressive sinusoïdale plane, l'intensité ultrasonore I est déterminée par la formule

, (5)

DANS onde progressive sphérique L'intensité des ultrasons est inversement proportionnelle au carré de la distance à la source. DANS vague stationnaire I = 0, c'est-à-dire qu'il n'y a en moyenne aucun flux d'énergie sonore. Intensité des ultrasons en onde progressive plane harmoniqueégale à la densité d'énergie de l'onde sonore multipliée par la vitesse du son. Le flux d'énergie sonore est caractérisé par ce qu'on appelle Vecteur Umov- le vecteur de la densité de flux énergétique de l'onde sonore, qui peut être représenté comme le produit de l'intensité ultrasonore et du vecteur normal d'onde, c'est-à-dire un vecteur unitaire perpendiculaire au front d'onde. Si le champ sonore est une superposition ondes harmoniques différentes fréquences, alors pour le vecteur de la densité de flux d'énergie sonore moyenne, il existe une additivité des composants.

Pour les émetteurs créant une onde plane, on parle de intensité du rayonnement, c'est-à-dire par là densité de puissance de l'émetteur, c'est-à-dire la puissance acoustique rayonnée par unité de surface de surface rayonnante.

L'intensité sonore est mesurée en unités SI en W/m2. Dans la technologie ultrasonique, la gamme de changements d'intensité des ultrasons est très large - depuis des valeurs seuils de ~ 10 -12 W/m2 jusqu'à des centaines de kW/m2 au foyer des concentrateurs à ultrasons.

Tableau 1 - Propriétés de certains matériaux courants

Atténuation des ultrasons

L’une des principales caractéristiques des ultrasons est leur atténuation. Atténuation des ultrasons est une diminution de l’amplitude et donc une onde sonore au fur et à mesure de sa propagation. L'atténuation des ultrasons se produit pour plusieurs raisons. Les principaux sont :

La première de ces raisons est due au fait qu'à mesure qu'une onde se propage à partir d'une source ponctuelle ou sphérique, l'énergie émise par la source est distribuée sur une surface toujours croissante du front d'onde et, par conséquent, l'énergie circule à travers une unité. la surface diminue, c'est-à-dire . Pour une onde sphérique dont la surface d'onde augmente avec la distance r de la source comme r 2, l'amplitude de l'onde diminue proportionnellement, et pour une onde cylindrique - proportionnellement.

Le coefficient d'atténuation est exprimé soit en décibels par mètre (dB/m), soit en décibels par mètre (Np/m).

Pour onde plane le coefficient d'atténuation d'amplitude avec la distance est déterminé par la formule

, (6)

Le coefficient d'atténuation en fonction du temps est déterminé

, (7)

L'unité dB/m est également utilisée pour mesurer le coefficient, dans ce cas

, (8)

Le décibel (dB) est une unité logarithmique de mesure du rapport des énergies ou des puissances en acoustique.

, (9)

• où A 1 est l'amplitude du premier signal,
• A 2 – amplitude du deuxième signal

Alors la relation entre les unités de mesure (dB/m) et (1/m) sera :

Réflexion des ultrasons depuis l'interface

Lorsqu’une onde sonore tombe sur l’interface, une partie de l’énergie sera réfléchie dans le premier milieu, et le reste de l’énergie passera dans le deuxième milieu. La relation entre l'énergie réfléchie et l'énergie passant dans le second milieu est déterminée par les impédances d'onde du premier et du second milieu. En l'absence de dispersion de la vitesse du son impédance caractéristique ne dépend pas de la forme d'onde et s'exprime par la formule :

Les coefficients de réflexion et de transmission seront déterminés comme suit

, (12)

, (13)

• où D est le coefficient de transmission de la pression acoustique

Il convient également de noter que si le deuxième médium est acoustiquement « plus doux », c'est-à-dire Z 1 >Z 2, puis lors de la réflexion, la phase de l'onde change de 180˚.

Le coefficient de transmission d'énergie d'un milieu à un autre est déterminé par le rapport de l'intensité de l'onde passant dans le deuxième milieu à l'intensité de l'onde incidente.

, (14)

Interférence et diffraction des ondes ultrasonores

Interférence sonore- répartition spatiale inégale de l'amplitude de l'onde sonore résultante en fonction du rapport entre les phases des ondes qui se développent en un point ou un autre de l'espace. Lorsque des ondes harmoniques de même fréquence sont ajoutées, la distribution spatiale des amplitudes résultante forme un motif d'interférence indépendant du temps, qui correspond à un changement dans la différence de phase des ondes composantes lors du déplacement d'un point à un autre. Pour deux ondes interférentes, ce motif sur un plan se présente sous la forme de bandes alternées d'amplification et d'atténuation de l'amplitude d'une valeur caractérisant le champ sonore (par exemple la pression acoustique). Pour deux ondes planes, les bandes sont rectilignes avec une amplitude qui varie à travers les bandes en fonction de l'évolution de la différence de phase. Important cas particulier interférence - l'ajout d'une onde plane avec sa réflexion depuis une limite plane ; dans ce cas, une onde stationnaire se forme avec les plans des nœuds et des ventres situés parallèlement à la frontière.

Diffraction sonore- écart du comportement sonore par rapport aux lois de l'acoustique géométrique, dû à nature des vagues son. Le résultat de la diffraction sonore est la divergence des faisceaux ultrasonores lorsqu'ils s'éloignent de l'émetteur ou après avoir traversé un trou de l'écran, la courbure des ondes sonores dans la zone d'ombre derrière des obstacles grands par rapport à la longueur d'onde, l'absence d'ombre derrière obstacles petits par rapport à la longueur d'onde, etc. n. Les champs sonores créés par la diffraction de l'onde originale sur les obstacles placés dans le milieu, sur les inhomogénéités du milieu lui-même, ainsi que sur les irrégularités et inhomogénéités des limites du milieu, sont appelés champs épars. Pour les objets sur lesquels se produit une diffraction sonore qui est grande par rapport à la longueur d'onde, le degré d'écart par rapport au motif géométrique dépend de la valeur du paramètre d'onde

, (15)

• où D est le diamètre de l'objet (par exemple, le diamètre d'un émetteur d'ultrasons ou d'un obstacle),
• r - distance du point d'observation à cet objet

Émetteurs d'ultrasons

Émetteurs d'ultrasons- les dispositifs utilisés pour exciter les vibrations et les ondes ultrasonores dans les milieux gazeux, liquides et support solide. Les émetteurs d'ultrasons convertissent l'énergie d'un autre type en énergie.

Les émetteurs d'ultrasons les plus utilisés sont transducteurs électroacoustiques. Dans la grande majorité des émetteurs d'ultrasons de ce type, à savoir dans transducteurs piézoélectriques , convertisseurs magnétostrictifs, émetteurs électrodynamiques, émetteurs électromagnétiques et électrostatiques, énergie électrique est convertie en énergie vibratoire d'un corps solide (plaque rayonnante, tige, diaphragme, etc.), qui émet des ondes acoustiques dans l'environnement. Tous les convertisseurs répertoriés sont, en règle générale, linéaires et, par conséquent, les oscillations du système rayonnant reproduisent sous forme le signal électrique d'excitation ; seulement à de très grandes amplitudes de vibration à proximité limite supérieure plage dynamique de l'émetteur d'ultrasons, des distorsions non linéaires peuvent se produire.

Les convertisseurs conçus pour émettre des ondes monochromatiques utilisent le phénomène résonance: ils fonctionnent sur une des oscillations naturelles de la mécanique système oscillatoire, à la fréquence de laquelle le générateur d'oscillations électriques et le convertisseur d'excitation sont accordés. Transducteurs électroacoustiques sans état solide système rayonnant, sont relativement rarement utilisés comme émetteurs d'ultrasons ; il s'agit, par exemple, d'émetteurs d'ultrasons basés sur décharge électrique dans un liquide ou sur l'électrostriction d'un liquide.

Caractéristiques de l'émetteur d'ultrasons

Les principales caractéristiques des émetteurs d'ultrasons comprennent leur spectre de fréquence, émis puissance sonore, directivité du rayonnement. Dans le cas du rayonnement monofréquence, les principales caractéristiques sont fréquence de fonctionnementémetteur d'ultrasons et son bande de fréquence, dont les limites sont déterminées par une baisse de moitié de la puissance rayonnée par rapport à sa valeur à la fréquence de rayonnement maximale. Pour les transducteurs électroacoustiques résonants, la fréquence de fonctionnement est fréquence naturelle convertisseur f 0, et bande passanteΔf est déterminé par son facteur de qualité Q.

Les émetteurs d'ultrasons (transducteurs électroacoustiques) sont caractérisés par leur sensibilité, leur coefficient électroacoustique action utile et sa propre impédance électrique.

Sensibilité de l'émetteur d'ultrasons- le rapport de la pression acoustique à la caractéristique directionnelle maximale à une certaine distance de l'émetteur (le plus souvent à une distance de 1 m) à la tension électrique aux bornes de celui-ci ou au courant qui y circule. Cette caractéristique s'applique aux émetteurs ultrasoniques utilisés dans les systèmes d'alarme audio, les sonars et autres appareils similaires. Pour les émetteurs à des fins technologiques, utilisés par exemple dans le nettoyage par ultrasons, la coagulation et l'influence sur les processus chimiques, la principale caractéristique est la puissance. Outre la puissance totale rayonnée, estimée en W, les émetteurs d'ultrasons se caractérisent par puissance spécifique, c'est-à-dire la puissance moyenne par unité de surface de la surface émettrice, ou l'intensité moyenne du rayonnement en champ proche, estimée en W/m 2.

L'efficacité des transducteurs électroacoustiques émettant de l'énergie acoustique dans l'environnement sonore est caractérisée par leur ampleur efficacité électroacoustique, qui est le rapport entre la puissance acoustique émise et la puissance électrique dépensée. En acoustoélectronique, pour évaluer l'efficacité des émetteurs d'ultrasons, on utilise ce que l'on appelle le coefficient de perte électrique, égal au rapport(en dB) puissance électrique/puissance acoustique. L'efficacité des outils à ultrasons utilisés dans le soudage par ultrasons, l'usinage et autres est caractérisée par ce que l'on appelle le coefficient d'efficacité, qui est le rapport du carré de l'amplitude du déplacement oscillatoire à l'extrémité active du concentrateur à la puissance électrique consommée. par le transducteur. Parfois, le coefficient de couplage électromécanique effectif est utilisé pour caractériser la conversion d'énergie dans les émetteurs d'ultrasons.

Champ sonore de l'émetteur

Le champ sonore du transducteur est divisé en deux zones : la zone proche et la zone lointaine. Zone proche il s'agit de la zone située directement devant le transducteur où l'amplitude de l'écho passe par une série de maxima et de minima. La zone proche se termine au dernier maximum, qui se situe à une distance N du convertisseur. On sait que l'emplacement du dernier maximum est le foyer naturel du transducteur. Zone lointaine Il s’agit de la zone au-delà de N, où la pression du champ sonore diminue progressivement jusqu’à zéro.

La position du dernier maximum N sur l'axe acoustique, à son tour, dépend du diamètre et de la longueur d'onde et pour un émetteur à disque circulaire est exprimée par la formule

, (17)

Cependant, comme D est généralement beaucoup plus grand, l’équation peut être simplifiée sous la forme

Les caractéristiques du champ sonore sont déterminées par la conception du transducteur ultrasonique. Par conséquent, la propagation du son dans la zone étudiée et la sensibilité du capteur dépendent de sa forme.

Applications à ultrasons

Les diverses applications des ultrasons, dans lesquelles leurs diverses caractéristiques sont utilisées, peuvent être divisées en trois domaines. associés à l'obtention d'informations par ondes ultrasonores, - à une influence active sur la matière et - au traitement et à la transmission de signaux (les directions sont répertoriées dans l'ordre de leur formation historique). Pour chaque application spécifique, des ultrasons d'une certaine gamme de fréquences sont utilisés.

Ultrason- vibrations sonores élastiques de haute fréquence. L'oreille humaine perçoit des ondes élastiques se propageant dans le milieu avec une fréquence d'environ 16 à 20 kHz ; fluctuations avec plus haute fréquence représentent les ultrasons (au-delà de la limite audible). En règle générale, la gamme ultrasonique est considérée comme étant la gamme de fréquences allant de 20 000 à un milliard de Hz. Vibrations sonores

avec une fréquence plus élevée est appelé hyperson. Dans les liquides et les solides, les vibrations sonores peuvent atteindre 1 000 GHz utilisation pratique son utilisation dans la science, la technologie et l’industrie a commencé relativement récemment. Aujourd'hui, les ultrasons sont largement utilisés dans divers domaines de la physique, de la technologie, de la chimie et de la médecine.

La fréquence des ondes ultrasonores ultra-hautes fréquences utilisées dans l'industrie et la biologie est de l'ordre de plusieurs MHz. La focalisation de ces faisceaux est généralement réalisée à l'aide de lentilles et de miroirs soniques spéciaux. Un faisceau ultrasonore avec les paramètres nécessaires peut être obtenu en utilisant un transducteur approprié. Les transducteurs en céramique les plus courants sont le titanite de baryum. Dans les cas où la puissance du faisceau ultrasonore est primordiale, des sources ultrasonores mécaniques sont généralement utilisées. Initialement, toutes les ondes ultrasonores étaient reçues mécaniquement

(diapasons, sifflets, sirènes).

Dans la nature, les ultrasons se retrouvent à la fois comme composant de nombreux bruits naturels (dans le bruit du vent, de la cascade, de la pluie, dans le bruit des cailloux roulés par les vagues, dans les sons accompagnant les décharges d'orage, etc.), et parmi les bruits du monde animal. Certains animaux utilisent des ondes ultrasonores pour détecter les obstacles et naviguer dans l’espace.

Les émetteurs d'ultrasons peuvent être divisés en deux grands groupes. Le premier comprend les émetteurs-générateurs ; leurs oscillations sont excitées en raison de la présence d'obstacles sur le chemin d'un flux constant - un flux de gaz ou de liquide. Le deuxième groupe d'émetteurs est constitué de transducteurs électroacoustiques ; ils convertissent des fluctuations déjà données de tension ou de courant électrique en une vibration mécanique d'un corps solide, qui émet des ondes acoustiques dans l'environnement. Exemples d'émetteurs : sifflet Galton, sifflet liquide et ultrasonique, sirène.

Propagation des ultrasons.

La propagation des ultrasons est le processus de déplacement dans l'espace et dans le temps des perturbations se produisant dans une onde sonore. Une onde sonore se propage à travers une substance dans un milieu gazeux, liquide ouétat solide , dans la même direction dans laquelle les particules de cette substance se déplacent, c'est-à-dire qu'elle provoque une déformation du milieu. La déformation consiste dans le fait qu'une décharge et une compression séquentielles se produisent certains volumes environnement, et la distance entre deux zones adjacentes correspond à la longueur de l’onde ultrasonore. Plus la résistance acoustique spécifique du milieu est grande, plus plus de diplôme

Les particules du milieu impliquées dans le transfert de l'énergie des vagues oscillent autour de leur position d'équilibre. La vitesse à laquelle les particules oscillent autour de la position d'équilibre moyenne est appelée oscillatoire.

vitesse.

Diffraction, interférence

Lorsque les ondes ultrasonores se propagent, des phénomènes de diffraction, d'interférence et de réflexion sont possibles.

La diffraction (ondes se courbant autour des obstacles) se produit lorsque la longueur d'onde ultrasonique est comparable (ou supérieure) à la taille de l'obstacle sur le chemin. Si l'obstacle est comparé à la longueur onde acoustique est grand, alors il n’y a pas de phénomène de diffraction.

À mouvement simultané dans le tissu de plusieurs ondes ultrasonores en un certain point du milieu, une superposition de ces ondes peut se produire. Cette superposition d'ondes les unes sur les autres porte nom commun ingérence. Si en train de passer par objet biologique Les ondes ultrasonores se croisent, puis à un certain point du milieu biologique on observe une augmentation ou une diminution des vibrations. Le résultat de l'interférence dépendra de la relation spatiale des phases des vibrations ultrasonores en un point donné du milieu. Si les ondes ultrasonores atteignent une certaine zone du milieu dans les mêmes phases (en phase), alors les déplacements de particules ont les mêmes signes et les interférences dans de telles conditions contribuent à augmenter l'amplitude des vibrations ultrasonores. Si les ondes ultrasonores arrivent sur une zone spécifique en antiphase, alors le déplacement des particules s'accompagnera différents signes, ce qui entraîne une diminution de l'amplitude des vibrations ultrasonores.

Jeux d'interférence rôle important lors de l'évaluation des phénomènes se produisant dans les tissus autour de l'émetteur d'ultrasons. Les interférences sont particulièrement importantes lorsque les ondes ultrasonores se propagent dans des directions opposées après avoir été réfléchies par un obstacle.

Absorption des ondes ultrasonores

Si le milieu dans lequel les ultrasons se propagent a une viscosité et une conductivité thermique ou s'il existe d'autres processus de friction internes, alors l'absorption acoustique se produit à mesure que l'onde se propage, c'est-à-dire qu'à mesure qu'elle s'éloigne de la source, l'amplitude des vibrations ultrasonores devient plus petite, ainsi que l'énergie qu'ils transportent. Le milieu dans lequel se propagent les ultrasons interagit avec l’énergie qui le traverse et en absorbe une partie. La partie prédominante de l'énergie absorbée est convertie en chaleur, la plus petite partie en provoque des conséquences irréversibles. changements structurels. L'absorption résulte du frottement des particules les unes contre les autres, environnements différents c'est différent. L'absorption dépend également de la fréquence des vibrations ultrasonores.

Théoriquement, l’absorption est proportionnelle au carré de la fréquence. Le degré d'absorption peut être caractérisé par le coefficient d'absorption, qui montre comment l'intensité des ultrasons change dans le milieu irradié. Il augmente avec une fréquence croissante. L'intensité des vibrations ultrasonores dans le milieu diminue de façon exponentielle. Ce processus est provoqué par le frottement interne, la conductivité thermique du milieu absorbant et sa structure. Elle est grossièrement caractérisée par la taille de la couche semi-absorbante, qui montre à quelle profondeur l'intensité des vibrations diminue de moitié (plus précisément de 2,718 fois ou de 63 %). Selon Pahlman, à une fréquence de 0,8 MHz, les valeurs moyennes de la couche semi-absorbante pour certains tissus sont les suivantes : tissu adipeux - 6,8 cm ; musclé - 3,6 cm; tissu adipeux et musculaire ensemble - 4,9 cm. Avec l'augmentation de la fréquence des ultrasons, la taille de la couche semi-absorbante diminue. Ainsi, à une fréquence de 2,4 MHz, l'intensité des ultrasons traversant les graisses et tissu musculaire

, diminue de moitié à une profondeur de 1,5 cm. De plus, une absorption anormale de l'énergie des vibrations ultrasonores dans certaines gammes de fréquences est possible - cela dépend des caractéristiques de la structure moléculaire d'un tissu donné. On sait que les 2/3 de l'énergie ultrasonore sont atténués par niveau moléculaire

et 1/3 au niveau des structures tissulaires microscopiques.

Profondeur de pénétration des ondes ultrasonores

La profondeur de pénétration des ultrasons fait référence à la profondeur à laquelle l’intensité est réduite de moitié. Cette valeur est inversement proportionnelle à l'absorption : plus le milieu absorbe fortement les ultrasons, plus la distance à laquelle l'intensité des ultrasons est atténuée de moitié est courte.

Diffusion des ondes ultrasonores

S'il y a des inhomogénéités dans le milieu, une diffusion du son se produit, ce qui peut modifier considérablement le schéma de propagation simple des ultrasons et, finalement, provoquer également une atténuation de l'onde dans la direction de propagation d'origine.

Réfraction des ondes ultrasonores

Étant donné que la résistance acoustique des tissus mous humains n'est pas très différente de la résistance de l'eau, on peut supposer qu'à l'interface entre les milieux (épiderme - derme - fascia - muscle), une réfraction des ondes ultrasonores sera observée.

Réflexion des ondes ultrasonores Le diagnostic échographique repose sur le phénomène de réflexion. La réflexion se produit dans peau et graisse, graisse et muscle, muscle et os. Si les ultrasons, lors de leur propagation, rencontrent un obstacle, alors la réflexion se produit ; si l'obstacle est petit, alors les ultrasons semblent le contourner. Les hétérogénéités du corps ne provoquent pas d'écarts significatifs, car par rapport à la longueur d'onde (2 mm), leurs tailles (0,1-0,2 mm) peuvent être négligées. Si les ultrasons sur leur trajet rencontrent des organes dont les dimensions sont supérieures à la longueur d'onde, une réfraction et une réflexion des ultrasons se produisent. La réflexion la plus forte est observée aux limites de l'os - tissu environnant et du tissu - air. L'air a une faible densité et une réflexion presque complète des ultrasons est observée. La réflexion des ondes ultrasonores est observée à la limite muscle - périoste - os, à la surface des organes creux.

Ondes ultrasonores mobiles et stationnaires

Si, lorsque les ondes ultrasonores se propagent dans un milieu, elles ne sont pas réfléchies, des ondes progressives se forment. En raison des pertes d'énergie, les mouvements oscillatoires des particules du milieu s'atténuent progressivement, et plus les particules sont éloignées de la surface rayonnante, plus l'amplitude de leurs oscillations est faible. Si, sur le chemin de propagation des ondes ultrasonores, se trouvent des tissus présentant différentes résistances acoustiques spécifiques, alors, à un degré ou à un autre, les ondes ultrasonores sont réfléchies depuis l'interface limite. La superposition des ondes ultrasonores incidentes et réfléchies peut conduire à vagues stationnaires. Pour que des ondes stationnaires se produisent, la distance entre la surface émettrice et la surface réfléchissante doit être un multiple de la moitié de la longueur d'onde.

Les ondes mécaniques ayant une fréquence d'oscillation supérieure à 20 000 Hz ne sont pas perçues par l'homme comme du son. On les appelle ondes ultrasonores ou ultrasons. Les ultrasons sont fortement absorbés par les gaz et sont plusieurs fois plus faibles - solides et des liquides. Par conséquent, les ondes ultrasonores ne peuvent se propager sur des distances importantes que dans les solides et les liquides.

L’énergie transportée par les ondes étant proportionnelle à la densité du milieu et au carré de la fréquence, les ultrasons peuvent transporter beaucoup plus d’énergie que les ondes sonores. Encore une chose propriété importante L'avantage des ultrasons réside dans le fait que leur rayonnement dirigé est relativement simple à réaliser. Tout cela permet l'utilisation généralisée des ultrasons dans la technologie.

Les propriétés décrites des ultrasons sont utilisées dans un échosondeur - un dispositif permettant de déterminer la profondeur de la mer (Fig. 25.11). Le navire est équipé d'une source et d'un récepteur d'ultrasons d'une certaine fréquence. La source envoie des impulsions ultrasonores à court terme et le récepteur capte les impulsions réfléchies. Connaissant le temps entre l'envoi et la réception des impulsions et la vitesse de propagation des ultrasons dans l'eau, la profondeur de la mer est déterminée à l'aide de la formule (25.3). Un localisateur à ultrasons fonctionne de la même manière et est utilisé pour déterminer la distance jusqu'à un obstacle sur

la trajectoire du navire dans le sens horizontal. En l’absence de tels obstacles, les impulsions ultrasonores ne reviennent pas au navire.

Il est intéressant de noter que certains animaux, par ex. chauves-souris, disposent d'organes qui fonctionnent sur le principe d'un localisateur à ultrasons, ce qui leur permet de bien naviguer dans l'obscurité. Les dauphins ont de parfaits localisateurs à ultrasons. -

Lorsque les ultrasons traversent un liquide, les particules liquides acquièrent accélérations élevées et ont un fort impact sur différents corps placé dans un liquide. Ceci est utilisé pour accélérer une variété de processus technologiques(par exemple, préparer des solutions, laver des pièces, tanner du cuir, etc.).

Avec d'intenses vibrations ultrasonores dans un liquide, ses particules acquièrent des accélérations si importantes qu'elles se forment dans le liquide peu de temps des espaces (vides) qui se referment brusquement, créant de nombreux petits impacts, c'est-à-dire qu'une cavitation se produit. Dans de telles conditions, le liquide a un fort effet de broyage, qui est utilisé pour préparer des suspensions constituées de particules atomisées d'un solide dans un liquide, et des émulsions - des suspensions de petites gouttelettes d'un liquide dans un autre.

Les ultrasons sont utilisés pour détecter les défauts des pièces métalliques. DANS technologie moderne L'utilisation des ultrasons est si répandue qu'il est même difficile d'énumérer tous les domaines de son utilisation.

Noter que ondes mécaniques avec une fréquence d'oscillation inférieure à 16 Hz sont appelées ondes infrasonores ou infrasons. Ils ne provoquent pas non plus de sensations sonores. Les ondes infrasonores se produisent en mer lors des ouragans et des tremblements de terre. La vitesse de propagation des infrasons dans l'eau est bien supérieure à la vitesse d'un ouragan ou d'un tsunami géant généré par un tremblement de terre. Cela permet à certains animaux marins qui ont la capacité de percevoir les ondes infrasons de recevoir ainsi des signaux indiquant l'approche d'un danger.

Bien que l’existence des ultrasons soit connue depuis longtemps, leur utilisation pratique est assez jeune. De nos jours, les ultrasons sont largement utilisés dans diverses méthodes physiques et technologiques. Ainsi, par la vitesse de propagation du son dans un milieu, on juge de sa caractéristiques physiques. Les mesures de vitesse aux fréquences ultrasonores permettent de déterminer, par exemple, les caractéristiques adiabatiques de processus rapides, les valeurs capacité thermique spécifique gaz, constantes élastiques des solides.

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Sources d'ultrasons

La fréquence des vibrations ultrasonores utilisées dans l'industrie et la biologie varie de plusieurs dizaines de kHz à plusieurs MHz. Les vibrations à haute fréquence sont généralement créées à l'aide de transducteurs piézocéramiques, par exemple en titanite de baryum. Dans les cas où la puissance des vibrations ultrasonores est primordiale, des sources ultrasonores mécaniques sont généralement utilisées. Initialement, toutes les ondes ultrasonores étaient reçues mécaniquement (diapasons, sifflets, sirènes).

Dans la nature, les ultrasons se retrouvent à la fois comme composants de nombreux bruits naturels (dans le bruit du vent, de la cascade, de la pluie, dans le bruit des cailloux roulés par les vagues, dans les sons accompagnant les décharges d'orage, etc.), et parmi les sons du monde animal. Certains animaux utilisent les ondes ultrasonores pour détecter les obstacles, naviguer dans l'espace et communiquer (baleines, dauphins, chauves-souris, rongeurs, tarsiers).

Les émetteurs d'ultrasons peuvent être divisés en deux grands groupes. Le premier comprend les émetteurs-générateurs ; leurs oscillations sont excitées en raison de la présence d'obstacles sur le chemin d'un flux constant - un flux de gaz ou de liquide. Le deuxième groupe d'émetteurs est constitué de transducteurs électroacoustiques ; ils convertissent des fluctuations déjà données de tension ou de courant électrique en vibrations mécaniques solide, qui émet des ondes acoustiques dans l’environnement.

Le sifflet de Galton

Le premier sifflet à ultrasons a été fabriqué en 1883 par l'Anglais Galton.

L'échographie ici est créée de manière similaire au son aigu émis par le tranchant d'un couteau lorsqu'un courant d'air le frappe. Le rôle d'une telle pointe dans un sifflet Galton est joué par une « lèvre » dans une petite cavité résonante cylindrique. Gaz passé sous haute pressionà travers un cylindre creux, heurte cette « lèvre » ; des oscillations se produisent dont la fréquence (environ 170 kHz) est déterminée par la taille de la buse et de la lèvre. La puissance du sifflet de Galton est faible. Il est principalement utilisé pour donner des ordres lors du dressage des chiens et des chats.

Sifflet ultrasonique liquide

La plupart des sifflets à ultrasons peuvent être adaptés pour fonctionner milieu liquide. Par rapport aux sources électriques à ultrasons, les sifflets à ultrasons liquides sont de faible puissance, mais parfois, par exemple pour l'homogénéisation par ultrasons, ils présentent un avantage significatif. Étant donné que les ondes ultrasonores proviennent directement d’un milieu liquide, il n’y a aucune perte d’énergie des ondes ultrasonores lors du passage d’un milieu à un autre. La conception la plus réussie est peut-être le sifflet liquide à ultrasons fabriqué par les scientifiques anglais Cottel et Goodman au début des années 50 du 20e siècle. Dans celui-ci, un flux de liquide à haute pression sort d'une buse elliptique et est dirigé sur une plaque d'acier.

Diverses modifications de cette conception sont devenues assez répandues pour obtenir environnements homogènes. De par la simplicité et la stabilité de leur conception (seul le plateau oscillant est détruit), de tels systèmes sont durables et peu coûteux.

Sirène

Sirène - source mécanique vibrations élastiques et, y compris l'échographie. Leur gamme de fréquences peut atteindre 100 kHz, mais on sait que les sirènes fonctionnent à des fréquences allant jusqu'à 600 kHz. La puissance des sirènes atteint des dizaines de kW.

Les sirènes aérodynamiques sont utilisées à des fins de signalisation et technologiques (coagulation d'aérosols fins (dépôt de brouillards), destruction de mousse, accélération des processus de transfert de masse et de chaleur, etc.).

Toutes les sirènes rotatives sont constituées d'une chambre fermée sur le dessus par un disque (stator) dans lequel grand nombre trous. Il y a le même nombre de trous sur le disque tournant à l'intérieur de la chambre - le rotor. Lorsque le rotor tourne, la position des trous coïncide périodiquement avec la position des trous sur le stator. De l'air comprimé est continuellement introduit dans la chambre et s'en échappe pendant de courts instants lorsque les trous du rotor et du stator coïncident.

La fréquence du son des sirènes dépend du nombre de trous et de leur forme géométrique et la vitesse du rotor.

L'échographie dans la nature

Applications à ultrasons

Applications diagnostiques de l'échographie en médecine (échographie)

En raison de la bonne propagation des ultrasons dans les tissus mous humains, de leur relative innocuité par rapport aux rayons X et de leur facilité d'utilisation par rapport à l'imagerie par résonance magnétique, les ultrasons sont largement utilisés pour l'imagerie. organes internes humain, en particulier dans la cavité abdominale et pelvienne.

Applications thérapeutiques des ultrasons en médecine

En plus de son utilisation répandue à des fins de diagnostic (voir Ultrasons), les ultrasons sont utilisés en médecine (y compris en médecine régénérative) comme outil de traitement.

L'échographie a les effets suivants :

• effets anti-inflammatoires et résorbables;
• effets analgésiques et spasmolytiques;
• amélioration de la perméabilité cutanée par cavitation. [ ]

Application de l'échographie en biologie

La capacité des ultrasons à rompre les membranes cellulaires a trouvé des applications dans recherche biologique, par exemple, si nécessaire, séparez la cellule des enzymes. Les ultrasons sont également utilisés pour perturber les structures intracellulaires telles que les mitochondries et les chloroplastes afin d'étudier la relation entre leur structure et leur fonction. Une autre utilisation des ultrasons en biologie concerne leur capacité à induire des mutations. Des recherches menées à Oxford ont montré que même les ultrasons de faible intensité peuvent endommager la molécule d'ADN. [ ] La création artificielle et ciblée de mutations joue un rôle important dans la sélection végétale. Le principal avantage des ultrasons par rapport aux autres mutagènes ( radiographies, rayons ultraviolets), c'est qu'il est extrêmement facile de travailler avec.

L'utilisation des ultrasons pour le nettoyage

L'utilisation des ultrasons pour le nettoyage mécanique repose sur l'apparition de divers effets non linéaires dans le liquide sous son influence. Ceux-ci incluent la cavitation, les flux acoustiques et la pression acoustique. La cavitation joue le rôle principal. Ses bulles, naissant et s'effondrant à proximité des contaminants, les détruisent. Cet effet est connu sous le nom érosion par cavitation. Les ultrasons utilisés à ces fins ont une basse fréquence et une puissance élevée.

En laboratoire et conditions de production Pour laver les petites pièces et la vaisselle, on utilise des bains à ultrasons remplis d'un solvant (eau, alcool, etc.). Parfois, avec leur aide, même les légumes-racines (pommes de terre, carottes, betteraves, etc.) sont lavés des particules de sol.

Application des ultrasons à la mesure du débit

Les débitmètres à ultrasons sont utilisés dans l'industrie depuis les années 1960 pour contrôler le débit et le dosage de l'eau et du liquide de refroidissement.

Application des ultrasons à la détection des défauts

Les ultrasons se propagent bien dans certains matériaux, ce qui permet de les utiliser pour la détection par ultrasons des défauts des produits fabriqués à partir de ces matériaux. DANS dernièrement La direction de la microscopie ultrasonore se développe, permettant d'examiner la couche souterraine d'un matériau avec une bonne résolution.

Soudage par ultrasons

Le soudage par ultrasons est un soudage sous pression réalisé sous l'influence de vibrations ultrasonores. Ce type de soudage est utilisé pour relier des pièces dont l'échauffement est difficile, lors de la connexion de métaux dissemblables, de métaux à films d'oxydes résistants (aluminium, acier inoxydable, circuits magnétiques permalloy, etc.), dans la réalisation de circuits intégrés.

Application des ultrasons à la galvanoplastie

Les ultrasons sont utilisés pour intensifier les processus galvaniques et améliorer la qualité des revêtements produits par des méthodes électrochimiques.