Co je ultrazvuk a jak se používá v průmyslu?

Ultrazvuk se nazývá elastické vlny (vlny šířící se v kapalném, pevném a plynném prostředí působením elastických sil), jejichž frekvence leží mimo rozsah slyšitelný člověkem — od cca 20 kHz a více.

Zpočátku se ultrazvukové a slyšitelné zvuky rozlišovaly pouze na základě vnímání či nevnímání lidským uchem. Práh sluchu se u různých lidí pohybuje od 7 do 25 kHz a bylo zjištěno, že člověk vnímá ultrazvuk s frekvencí 30 - 40 kHz mechanismem kostního vedení. Proto je běžně přijímána spodní hranice ultrazvukové frekvence.

Horní hranice ultrazvukové frekvence sahá do frekvencí 1013 — 1014 Hz, tzn. až po frekvence, kde se vlnová délka stává srovnatelnou s mezimolekulárními vzdálenostmi v pevných látkách a kapalinách. V plynech se tato hranice nachází níže a je určena volnou cestou molekuly.

Užitečné funkce ultrazvukových vln

A ačkoli fyzikálně ultrazvuk má stejnou povahu jako slyšitelný zvuk, liší se pouze podmíněně (vyšší frekvence), právě kvůli vyšší frekvenci je ultrazvuk použitelný v řadě užitečných směrů.

Takže při měření rychlosti ultrazvuku v pevné, kapalné nebo plynné látce dochází k velmi malým chybám při pozorování rychlých procesů, při stanovení měrného tepla (plynu), při měření elastických konstant pevných látek.

Vysoká frekvence při nízkých amplitudách umožňuje dosáhnout zvýšených hustot energetických toků, protože energie elastické vlny je úměrná druhé mocnině její frekvence. Navíc, ultrazvukové vlny, používané správným způsobem, mohou produkovat řadu velmi zvláštních akustických efektů a jevů.

Jedním z těchto neobvyklých jevů je akustická kavitace, ke které dochází, když je silná ultrazvuková vlna nasměrována do kapaliny. V kapalině v oblasti působení ultrazvuku začnou malé bublinky páry nebo plynu (submikroskopické velikosti) růst na zlomky milimetru v průměru, pulzují s frekvencí vlny a kolabují ve fázi přetlaku.

Hroutící se bublina lokálně generuje vysokotlaký puls měřený v tisících atmosfér a stává se zdrojem sférických rázových vln. Akustické mikroproudy generované v blízkosti takových pulzujících bublin byly užitečné pro přípravu emulzí, čištění dílů atd.

Fokusací ultrazvuku se v akustické holografii a systémech zvukového vidění získávají zvukové obrazy a zvuková energie se koncentruje do podoby směrového paprsku s definovanými a řízenými směrovými charakteristikami.

Použitím ultrazvukové vlny jako difrakční mřížky pro světlo je možné měnit indexy lomu světla pro různé účely, protože hustota v ultrazvukové vlně, stejně jako v elastické vlně, se obecně periodicky mění.

Konečně charakteristika související s rychlostí šíření ultrazvuku. V anorganických prostředích se ultrazvuk šíří rychlostí, která závisí na elasticitě a hustotě prostředí.

U organických médií je zde rychlost ovlivněna hranicemi a jejich povahou, to znamená, že fázová rychlost závisí na frekvenci (disperze) Ultrazvuk se rozpadá se vzdáleností čela vlny od zdroje — čelo se rozbíhá, ultrazvuk je rozptýlen, absorbován.

Vnitřní tření média (smyková viskozita) vede ke klasické absorpci ultrazvuku, navíc relaxační absorpce pro ultrazvuk je lepší než klasická. V plynu je ultrazvuk zeslaben silněji, v pevných látkách a v kapalinách je mnohem slabší. Ve vodě se například rozkládá 1000krát pomaleji než ve vzduchu. Průmyslové aplikace ultrazvuku se tedy téměř výhradně týkají pevných látek a kapalin.

Použití ultrazvuku

Využití ultrazvuku se vyvíjí v následujících směrech:

• ultrazvuková technologie, která umožňuje vyvolat nevratné účinky na danou látku a na průběh fyzikálně-chemických procesů pomocí ultrazvuku o intenzitě jednotek W/cm2 až stovek tisíc W/cm2;
• ultrazvukové řízení založené na závislosti absorpce a rychlosti ultrazvuku na stavu prostředí, kterým se šíří;
• ultrazvukové lokalizační metody, zpožďovací linky signálu, lékařská diagnostika atd., založené na schopnosti ultrazvukových kmitů vyšších frekvencí šířit se v přímočarých svazcích (paprskech), se řídí zákony geometrické akustiky a zároveň se šíří relativně nízkou rychlostí.

Ultrazvuk hraje zvláštní roli při studiu struktury a vlastností látky, protože s jejich pomocí je relativně snadné určit nejrozmanitější charakteristiky materiálového prostředí, jako jsou elastické a viskoelastické konstanty, termodynamické charakteristiky, formy Fermiho povrchů, dislokace, nedokonalosti krystalové mřížky atd. Příslušný obor studia ultrazvuku se nazývá molekulární akustika.

Ultrazvuk v echolokaci a sonaru (potraviny, obrana, těžba)

První prototyp sonaru vytvořil ruský inženýr Shilovsky spolu s francouzským fyzikem Langevinem v roce 1912, aby zabránil srážkám lodi s ledovými bloky a ledovci.

Zařízení využívá principu odrazu a příjmu zvukových vln. Signál byl namířen do určitého bodu a na základě zpoždění signálu odezvy (echo), při znalosti rychlosti zvuku, bylo možné odhadnout vzdálenost k překážce, která zvuk odrážela.

Shilovsky a Langevin zahájili hloubkové studium hydroakustiky a brzy vytvořili zařízení schopné detekovat nepřátelské ponorky ve Středozemním moři na vzdálenost až 2 kilometrů. Všechny moderní sonary, včetně vojenských, jsou potomky tohoto zařízení.

Moderní echoloty pro studium spodního reliéfu se skládají ze čtyř bloků: vysílač, přijímač, převodník a obrazovka.Funkcí vysílače je posílat ultrazvukové pulsy (50 kHz, 192 kHz nebo 200 kHz) hluboko do vody, které se šíří vodou rychlostí 1,5 km/s, kde se odrážejí od ryb, kamenů, jiných předmětů a níže, poté, co tato ozvěna dorazí k přijímači, je zpracován převodník a výsledek je zobrazen na displeji ve formě vhodné pro vizuální vnímání.

Ultrazvuk v elektronickém a elektrotechnickém průmyslu

Řada oblastí moderní fyziky se bez ultrazvuku neobejde. Fyzika pevných látek a polovodičů, stejně jako akustická elektronika, v mnoha ohledech úzce souvisí s metodami ultrazvukového výzkumu — s účinky na frekvenci 20 kHz a vyšší. Zvláštní místo zde zaujímá akustoelektronika, kde ultrazvukové vlny interagují s elektrickými poli a elektrony uvnitř pevných těles.

Objemové ultrazvukové vlny se používají ve zpožďovacích linkách a v křemenných rezonátorech ke stabilizaci frekvence v moderních elektronických systémech pro zpracování a přenos informací.Povrchové akustické vlny zaujímají zvláštní místo v pásmových filtrech pro televizi, ve frekvenčních syntezátorech, v zařízeních pro přenos akustických vln, v zařízeních pro přenos akustických vln. v paměti a zařízeních pro čtení obrázků. Konečně korelátory a konvolvery využívají při své činnosti příčný akustoelektrický jev.

Radioelektronika a ultrazvuk

Ultrazvukové zpožďovací linky jsou užitečné pro zpožďování jednoho elektrického signálu vůči druhému.Elektrický puls je přeměněn na pulsní mechanické vibrace s ultrazvukovou frekvencí, která se šíří mnohonásobně pomaleji než elektromagnetický puls; mechanické vibrace se poté převedou zpět na elektrický impuls a vytvoří se signál, který je vzhledem k původnímu vstupu zpožděn.

Pro takový převod se obvykle používají piezoelektrické nebo magnetostrikční měniče, proto se zpožďovací vedení také nazývají piezoelektrické nebo magnetostrikční.

V piezoelektrickém zpožďovacím vedení je elektrický signál přiváděn na křemennou desku (piezoelektrický měnič) pevně spojenou s kovovou tyčí.

K druhému konci tyče je připojen druhý piezoelektrický měnič. Vstupní převodník přijme signál, generuje mechanické vibrace, které se šíří podél tyče, a když vibrace dosáhnou přes tyč druhý převodník, je opět vytvořen elektrický signál.

Rychlost šíření vibrací podél tyče je mnohem menší než u elektrického signálu, proto je signál procházející tyčí zpožděn oproti vstupu o hodnotu související s rozdílem rychlostí elektromagnetických a ultrazvukových vibrací.

Magnetostrikční zpožďovací vedení bude obsahovat vstupní převodník, magnety, zvukový vodič, výstupní převodník a absorbéry. Vstupní signál je přiveden na první cívku, v akustickém vodiči tyče z magnetostrikčního materiálu začínají ultrazvukové frekvenční kmity - mechanické kmity - magnet zde vytváří permanentní magnetizaci v transformační zóně a počáteční magnetickou indukci.

V tyči se vibrace šíří rychlostí 5000 m/s, např. pro tyč o délce 40 cm bude zpoždění 80 μs. Tlumiče na obou koncích tyče zabraňují nežádoucím odrazům signálu. Magnetostrikční poruchy způsobí změnu indukce ve druhém vinutí (výstupním převodníku) EMF.

Ultrazvuk ve zpracovatelském průmyslu (řezání a svařování)

Mezi zdroj ultrazvuku a obrobek je umístěn abrazivní materiál (křemenný písek, diamant, kámen atd.). Ultrazvuk působí na abrazivní částice, které zase dopadají na díl s frekvencí ultrazvuku. Materiál obrobku pod vlivem velkého množství malých úderů brusných zrn je zničen - tak se provádí zpracování.

Řezání se přidává s pohybem posuvu, přičemž hlavní jsou podélné oscilace řezání. Přesnost úpravy ultrazvukem závisí na velikosti zrn brusiva a dosahuje 1 mikron. Tímto způsobem vznikají složité řezy, které jsou nutné při výrobě kovových dílů, broušení, gravírování a vrtání.

Pokud je nutné svařovat různé kovy (nebo dokonce polymery) nebo kombinovat tlustou část s tenkou deskou, přichází k záchraně opět ultrazvuk. Jedná se o tzv svařování ultrazvukem za studena… Pod vlivem ultrazvuku ve svařovací zóně se kov stává velmi plastickým, díly se mohou velmi snadno otáčet při spojování pod libovolným úhlem. A stojí za to vypnout ultrazvuk - díly se okamžitě spojí, zachytí.

Pozoruhodné je zejména to, že svařování probíhá při teplotě pod bodem tavení dílů a jejich spojení vlastně probíhá v pevném stavu.Ale svařují se takto oceli, titan a dokonce i molybden. Nejsnáze se svařují tenké plechy. Tento způsob svařování neznamená speciální přípravu povrchu dílů, to platí i pro kovy a polymery.

Ultrazvukové testování se používá k detekci defektů plochého typu v kovu během svařování (trhliny, nedostatek průvaru, nedostatek adheze). Tato metoda je velmi účinná pro jemnozrnné oceli.

Ultrazvuk v metalurgii (ultrazvuková detekce defektů)

Ultrazvuková detekce vad — detekce vad na základě změny podmínek šíření elastických, především ultrazvukových vibrací.

Ultrazvuková detekce vad je jednou z nejúčinnějších metod nedestruktivní kontroly kvality kovových dílů.

V homogenním prostředí se ultrazvuk šíří ve směru bez rychlého útlumu a na hranici prostředí je pro něj charakteristický odraz. Kovové části jsou tedy kontrolovány, zda v nich nejsou dutiny a praskliny (rozhraní vzduch-kov) a je detekována zvýšená únava kovu.

Ultrazvuk dokáže proniknout součástí v hloubce 10 metrů a velikost zjištěných defektů je řádově 5 mm. Existují: stín, pulz, rezonance, strukturální analýza, vizualizace — pět metod ultrazvukové detekce defektů.

Nejjednodušší metodou je ultrazvuková detekce stínové vady, tato metoda je založena na zeslabení ultrazvukové vlny při jejím setkání s vadou při průchodu součástí, jelikož vada vytváří ultrazvukový stín.Pracují dva měniče: první vysílá vlnu, druhý ji přijímá.

Tato metoda je necitlivá, vada je detekována pouze v případě, že její vliv změní signál alespoň o 15%, navíc nelze určit hloubku, kde se vada v dílu nachází. Přesnější výsledky získává pulzní ultrazvuková metoda, ukazuje i hloubku.

Pro vysílání a příjem se používají elastické vibrace piezoelektrické měniče, a v rozsahu zvuku a nízkých ultrazvukových frekvencí — magnetostrikční měniče.

K přenosu elastických vibrací z převodníku na řízený výrobek a naopak se používají následující metody:

• bezkontaktní;
• suchý kontakt (hlavně pro nízké frekvence);
• kontakt s lubrikantem (před zkouškou se na čistě zpracovaný povrch výrobku nanese vrstva oleje nebo vody o tloušťce mnohem menší, než je elastická vlnová délka);
• tryskový kontakt (prostřednictvím proudu kapaliny proudící v malé mezeře mezi piezoelektrickým prvkem a povrchem výrobku);
• ponořením (kontrolovaný výrobek se ponoří do lázně a kontakt se provede vrstvou kapaliny, jejíž tloušťka musí být alespoň 1/4 tloušťky výrobku).

Výhodou imerzních, inkoustových a bezkontaktních metod je neopotřebování vyhledávacích hlav a možnost využití vyšších rychlostí skenování a také možnost automatizace řízení.

Viz také:

Ultrazvukové řezání kovů

Zařízení pro ultrazvukové čištění dílů

Ultrazvukové senzory pro automatizační systémy

Senzory a měřicí přístroje pro stanovení složení a vlastností látek