ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЯ

Електронний посібник

ГОЛОВНА	ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ	АНОТАЦІЯ
ДОДАТКИ	СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ	УКЛАДАЧІ

2. ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЧНІ УСТАНОВКИ

2.5. Ультразвукова техніка і технологія

2.5.1. Природа і властивості ультразвуку

2.5.2. Способи генерування ультразвуку

2.5.3. Застосування ультразвуку в технологічних процесах сільськогосподарського виробництва

2.5.1. Природа і властивості ультразвуку

Без ультразвуку не обходяться багато областей сучасної фізики. Фізика твердого тіла і напівпровідників, а також акустоелектроніка, багато в чому тісно пов'язані з ультразвуковими методами досліджень, – з впливами на частоті від 20 кГц і вище. Особливе місце займає акустоелектроніка, де ультразвукові хвилі взаємодіють з електричними полями і електронами всередині твердих тіл.

Ультразвук – це періодичні пружні механічні коливання з частотою понад 20000 Гц (від 2 – 10⁴ до 10¹⁰ Гц), тобто вищою за верхню границю чутливості людського вуха.

Рис. 2.5.1. Вплив звуку на живі організми

Ультразвукові коливання збуджуються за допомогою спеціальних вібраторів (перетворювачів) і розповсюджуються в середовищах у вигляді ультразвукових хвиль. Частинки середовища коливаються біля деякого положення рівноваги, зазнаючи періодичних стискань (через напівперіод) і розширення (поздовжні хвилі). Вони поширюються у газі, рідині і твердих тілах. Під час розповсюдження ультразвукової хвилі у середовищі проходить перенесення енергії.

Ультразвукове поле в середовищі характеризується частотою і інтенсивністю ультразвуку.

Умовно розрізняють ультразвукові коливання:

ü низької (до 100 кГц) і високої (вище 100 кГц) частоти,

ü слабкої (до 10 Вт/м²) і високої (до 10⁶ – 10⁷ Вт/м²) інтенсивності.

2.5.2. Способи генерування ультразвуку

Розповсюдження ультразвуку в середовищах супроводжується акустичним, механічним, термічним і біологічним проявленням. Генерування ультразвуку здійснюється за допомогою магнітострикційних або п’єзоелектричних перетворювачів (рис 2.5.2).

Для отримання ультразвукових коливань застосовуються два види джерел: магнітострикційні генератори і п’єзоелектричні перетворювачі. Кожне з пристроїв має свої раціональні області застосування.

П’єзоефект полягає в тому, що під час силового впливу на визначені кристалічні речовини (ізолятори з полярно розташованими осями) в них виникають напруження певного знаку, які, в свою чергу, ініціюють електричні поверхневі заряди. При цьому величина напруги прямо пропорційна механічного навантаження, що дуже важливо саме в конструктивному сенсі, оскільки спрощує конструкцію приладу. Таким чином ціна ультразвукового дефектоскопа для контролю зварних з’єднань буде невисокою.

Принцип роботи пьєзогенератора дефектоскопа наступний: на конденсаторні пластини, які накладені на кристал, подається змінна електрична напруга. Це викликає коливання кристала з тією ж частотою. Як перетворювачі використовують такі матеріали, як кварц, титанат барію, сульфат літію та ін. За наявності зовнішнього тиску атоми в структурному осередку п’єзоелемента зсуваються, що і є моментом початку розряду конденсаторних пластин.

П'єзоелектричні перетворювачі майже безінерційні, у них відсутні втрати на гістерезис. Однак вони розвивають малі потужності, тому застосовуються в основному в ультразвуковій інформаційно-вимірювальній техніці.

Магнітострикція полягає в деформації феромагнітної деталі, яка розміщена в силовому магнітному полі. Довжина цієї деталі змінюється залежно від виду силових ліній магнітного поля, її матеріалу, температури і ступеня намагніченості. В ультразвукових дефектоскопах використовуються феромагнетики, відносна зміна довжини яких – не менше 5 – 10.

Працюють такі перетворювачі наступним чином: у приладі створюється змінне електромагнітне поле, при цьому феромагнітний стрижень починає здійснювати коливання подвоєної амплітуди. Оскільки лінійна деформація магнітостріктора не залежить від напряму силових ліній магнітного поля, то підмагнічування такого елемента не потрібно.

Рис. 2.5.2. Ультразвукові перетворювачі:

а – магнітострикційний; б – п’єзоелектричний;

1 – обмотка; 2 – магнітострикційний пакет; 3 – випромінювальна пластина;

4 – вхід і вихід охолоджувальної води; 5 – виводи обмотки; 6 -– керамічні пластини;

7 і 10 – накладки; 8 – прокладки із фольги; 9 – електрод; 11 – стяжний болт.

По обмотці 1 проходить змінний струм з частотою, що дорівнює частоті ультразвукових коливань. Струм створює в стержнях двозмінне магнітне поле. Під дією цього поля періодично змінюється довжина стержнів, що веде до збудження в оточуючому середовищі ультразвукових коливань.

Для концентрації ультразвукових коливань і підведення їх до технологічного середовища використовують акустичні трансформатори, які є стержнями змінного перерізу. Більший торець стержня кріпиться до перетворювача, а менший підводиться до робочого середовища. Енергія концентрується в зоні робочого середовища завдяки зменшенню перетину стержня.

2.5.3. Застосування ультразвуку в технологічних процесах сільськогосподарського виробництва

Ультразвуковій обробці піддають рідкі, газоподібні та тверді середовища для прискорення в них масо- і теплообміну, хімічних реакцій, руйнування, ущільнення й коагуляції тощо.

Обробка твердих матеріалів

Ультразвукові установки отримали застосування для обробки твердих матеріалів, які мають високу хрупкість. До таких матеріалів відноситься скло, фарфор, кераміка, кварц.

За допомогою ультразвуку здійснюють наступні технологічні операції:

ü ультразвукове зварювання

ü ультразвукове паяння

ü ультразвукове абразивно-імпульсну обробку

ü ультразвукове зміцнення

ü ультразвукове очищення

Рис. 2.5.3. Пристрій магнітострикційного випромінювача для ультразвукового свердління матеріалів:

1 – концентратор ультразвукових коливань; 2 – сопло подачі абразиву; 3 – робоча частина; 4 – деталь

Принцип ультразвукової обробки матеріалів можна з’ясувати на прикладі рис. 2.5.3. До магнітострикційного сердечника закріплюють концентратор ультразвуку, на кінець якого насаджують робочу частину інструменту (головку). Оброблювану поверхню матеріалу змочують емульсією абразивного порошку в воді або в маслі. Як абразив можна використовувати корунд або карбід бору, карбід кремнію та ін.

Коли головку робочого інструмента підводять до оброблюваної поверхні, то частинки абразиву, що знаходяться між ними, вдаряють по оброблюваному матеріалу і виколюють із нього мініатюрні частинки. Так як частинок абразиву багато, а частота ударів визначається частотою ультразвуку 20 – 30 кГц, то процес обробки йде доволі швидко.

Рис. 2.5.4. Безконтактний віброметр

Віброметр призначений для безконтактних вимірювань амплітуди вібрацій металевих поверхонь, наприклад, інструменту та деталей машин, а також ультразвукових перетворювачів.

Прилад може бути використаний для безконтактних вимірювань лінійних переміщень металевих виробів, контролю розмірів деталей, оцінки відхилень розмірів деталей від заданих.

Оброблення рідких середовищ

ü Ультразвукове просочення в рідкому середовищі – один з високопродуктивних і високоякісних способів просочення різних пористо-капілярних виробів.

Рис. 2.5.5. Ультразвукова ванна

ü Ультразвукова дегазація – процес зменшення вмісту газу в рідині, що знаходиться в ній як в розчиненому стані, так і у вигляді бульбашок, під впливом акустичних коливань ультразвукового діапазону.

КАВІТОМЕТР

Призначення

Кавітометр призначений для вимірювання та контролю активності кавітації в потужних ультразвукових полях та гідродинамічних кавітаторах. Пристрій може використовуватися для оптимізації ультразвукових технологічних процесів, визначення наявності та інтенсивності кавітації в гідравлічних системах, вимірювання порогів кавітації.

Принцип роботи

Акустичний сигнал, що генерується кавітацією (кавітаційний шум), приймається датчиком приладу і перетворюється в електричний. Останній обробляється електронним блоком, значення активності кавітації виводиться на індикатор.

Галузь застосування

Промисловість

ü контроль і оптимізація режимів в технологіях очищення, просочення, отримання і обробки суспензій, тощо.

Хімія

ü прискорення звуко-хімічних реакцій, руйнування високомолекулярних сполучень, тощо.

Біологія та медицина

ü підвищення проникності мембран клітин, без істотного впливу на життєдіяльність клітини, пригнічення росту і розмноження клітин, тощо.

Фізика

ü дослідження особливостей генерування і динаміки розвитку кавітаційної галузі в різних середовищах і при різних умовах.

Рис. 2.5.6. Кавітометр

ü Ультразвукове розпилення – процес отримання аерозолів з використанням ультразвуку.

ü Ультразвукове емульгування – процес емульгування матеріалу під дією генератора ультразвукових коливань.

УЛЬТРАЗВУКОВИЙ ДИСПЕРГАТОР

Призначення

Ультразвуковий диспергатор призначений для генерування ультразвукових коливань в рідинах. Прилад може бути використаний для отримання суспензій або емульсій з різних речовин, відмивання дрібних деталей від механічних забруднень, а також для обробки зразків з волокнистих, кристалічних, порошкоподібних і інших речовин при електронно-мікроскопічних дослідженнях.

Принцип роботи

П'єзоелектричний випромінювач перетворює електричні коливання, що виробляються транзисторним генератором, в пружні механічні коливання відповідної частоти. Через хвилеві коливання передаються в робоче середовище. Вплив на фізико-хімічні процеси в рідинах здійснюється в основному за рахунок вторинних акустичних ефектів - кавітації і акустичних коливань.

Рис. 2.5.7. Ультразвуковий диспергатор

Оброблення газорідинних середовищ

ü Акустична (ультразвукова) коагуляція – процес зближення і укрупнення завішаних у газі або рідині дрібних твердих частинок, рідких крапельок або газових бульбашок під впливом акустичних коливань.

ü Ультразвукова абсорбція – явище масообміну, що відбувається між рідкою і газовою фазами. Одним з таких процесів є абсорбція газу.

ü Акустичне (ультразвукове) сушіння – видалення вологи з матеріалу під впливом інтенсивних акустичних коливань.

Ультразвукові дефектоскопи і прилади

Неруйнівний контроль з’єднань – сучасний метод діагностики наявності та глибини дефектів у вузлах і деталях. Щодо оцінки подальшої працездатності зварних з’єднань особливо ефективною визнана ультразвукова дефектоскопія. Справа в тому, що в переважній більшості виробничих ситуацій наявні неоднорідності зварного шва розташовуються так, що добре відображають саме акустичні хвилі надвисокої частоти. Цей метод перевірки і укладає в собі ультразвуковий дефектоскоп.

В ультразвукових дефектоскопах і приладах використовують в основному такі властивості ультразвуку: властивість під час певних частот поширюватися в твердих речовинах на велику глибину без помітного послаблення і властивість відбиватися і переломлюватися на межі розділення двох речовин, різна швидкість поширення і ступінь поглинання в різних середовищах і речовинах.

Рис. 2.5.8. Універсальний дефектоскоп Sonocon

Принцип дії найпростішого дефектоскопа. Якщо до досліджуваного предмета з однієї сторони підвести ультразвукові коливання, а з протилежної сторони ці коливання будуть прийматися приймачем, наприклад, у вигляді п'єзоелектричної пластини, яка коливаючись, створює електричні потенціали, підсилюванні за допомогою підсилювача, то покази приладів і характер зміни вихідних електричних величин будуть характеризувати внутрішній стан речовини матеріалу.

Якщо всередині досліджуваного об’єкта є дефект, то частина ультразвукових хвиль відбивається від межі дефекта і не попадає на приймальну п'єзоелектричну пластинку, створюючи звукову тінь за дефектом і викликаючи відповідні зміни в показах електричних приладів, запису осцилографа або зображення на екрані дисплея.

За допомогою ультразвуку можна в різних деталях визначати дефекти, їх розміри, глибину залягання і склад окремих компонентів речовини. Ультразвуковими дефектоскопами контролюють якість зварювання, цілісність болтів та. ін.

Існують ультразвукові прилади, які дозволяють вимірювати відстань, виявити перешкоду, визначити товщину сального шару у свиней, вимірювати концентрацію багатьох газів, ступінь запиленості повітря та ін.

У сільськогосподарському виробництві ультразвук високої інтенсивності застосовується в процесах очищення і миття деталей і вузлів у ремонтному виробництві миття доїльної апаратури, молочної посуди, пастеризації і гомогенізації молока, стерилізації парникового ґрунту, передпосівної обробки насіння.

Рис. 2.5.9. Ультразвуковий вібраційний гуркіт

Ультразвуковий вібраційний гуркіт – це багатошаровий, високоефективний і новий вібраційний гуркіт, який рухається круговими рухами. Ультразвуковий коливальний екран в основному складається з екрануючої коробки, збудника, що висить пристроєм, і електромотора.

Питання для самоперевірки

1. Що таке ультразвук?

2. Які основні параметри ультразвуку?

3. Який принцип дії ультразвукових перетворювачів?

4. В яких технологічних процесах використовують ультразвук?

5. Який принцип дії найпростішого дефектоскопа?

Попередня тема

На початок

Наступна тема