Книги по разным темам
Pages: | 1 | ... | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | ... | 29 | - распространение амплитуды колебаний акустические концентраторы предназначены для увеличения амплитуды колебательного смещения низкочастотных ультразвуковых излучателей, представляют собой твердый стержень переменного сечения или переменной плотности. К излучателю они присоединяются расширенным концом или частью с большей плотностью материала. Стержни с переменной плотностью представляют собой соединение различных материалов с одинаковым поперечным сечением.
В этом случае амплитуда смещения увеличивается с увеличением разницы диаметров или плотностей противоположных торцов стержней и концентрация энергии происходит в результате уменьшения их сечения или плотности.
Широкое распространение получили металлические стержни с сечением, изменяющимся по определенному закону (например, коническому, экспоненциальному, ступенчатому), могущими давать усиление по амплитуде в 10-15 раз.
Такие концентраторы применяются в ультразвуковой технологии. Они являются составной частью колебательных ультразвуковых устройств, которые работают в диапазоне частот от 18 до 100 кГц (в основном от 18 до кГц).
Эти концентраторы нашли применение в ультразвуковых станках для механической обработки металлов, в устройствах для ультразвуковой пайки и сварки, а также в ультразвуковых хирургических инструментах.
3.2.8 Распространение интенсивных звуковых волн Изучением распространения интенсивных звуковых волн занимается нелинейная акустика - область акустики, которая изучает явления, вызванные нелинейностью среды, где распространяются звуковые волны.
К нелинейным эффектам относятся: изменение формы волны в процессе ее распространения (изменение временной зависимости параметров волны), самофокусировка волны, давление звука, кавитация и др.
Обычно такие явления становятся существенными лишь при достаточно больших амплитудах звуковых волн.
Нелинейные эффекты возникают в результате изменения физических свойств среды, вызванных распространяющейся волной высокой интенситвости и влияющих как на условия распространения данной волны (само воздействие), так и на другие виды возмущений (взаимодействие).
Рассмотрим распространение интенсивных звуковых волн, которые называются также волнами конечной амплитуды.
Если волны малой амплитуды (речь, музыка и т.п.) распространяются, подчиняясь линейной теории звука, без изменения физических свойств среды и своей формы с постоянной скоростью для всех точек их профиля, то волны конечной амплитуды сопровождаются нарастающим искажением формы, вызванным разницей в скоростях перемещения различных точек её профиля.
Рисунок 3.5 - Эволюция формы гармонической волны в волну конечной амплитуды (а, б, в, г ) б - толщина фронта стационарной ударной волны, д - ударная волна.
В первом случае разница скоростей звука в области сжатия и разрежения практически одинакова. Поэтому распространение такой волны происходит без изменения формы с постоянной скоростью звука для всех точек ее профиля (рисунок 3.5а).
Во втором случае точки профиля волны, соответствующие областям сжатия двигаются быстрее точек, находящихся в области разрежения (Рисунок 3.5б). Это объясняется тем, что скорость звука в области сжатия больше скорости в области разрежения, и ещё тем, что увлекаемая средой волна в области сжатия движется в направлении распространения волны, а в области разрежения - в противоположном направлении.
При распространении волн со значительными амплитудами, когда уже нельзя пренебрегать изменениями свойств среды под её воздействием (когда сказываются нелинейные свойства среды), происходит постепенное искажение синусоидальной формы гармонической волны и приближение ее к ударной (рисунок 3.5в) Так в случае волн большой интенсивности накапливающийся эффект изменения формы первоначально синусоидальной волны может привести к такому увеличению крутизны отдельных участков ее профиля, что на каждом периоде ее появятся разрывы и образуется периодическая волна пилообразной формы (рисунок 3.5г).
В этом случае в результате увеличения крутизны волновых фронтов, формируется пилообразная волна с резкими скачками давления являющимися слабыми периодическими ударными волнами. Ударная взрывная волна- это скачок уплотнения. Она, например возникает при взрывах.
Основная ее особенность- это резкий скачок давления во фронте ударной волны.
На рисунке 3.5д дан мгновенный профиль взрывной волны, который состоит из участка постепенного подъема, завершающегося отвесным спуском. Жирная стрелка указывает направление движения волны.
Точка взрыва в начальный момент окружена покоящимся воздухом при нормальной плотности и атмосферном давлении. Продукты взрыва, расширяясь сжимают окружающий воздух небольшого объема практически мгновенно. Давление в этой точке резко возрастает до своего максимального значения. Участки воздуха, расположенные правее фронта взрывной волны, в рассматриваемое мгновение покоятся. Отвесная часть профиля взрывной волны является поверхностью, отделяющей сжатый воздух от невозмущенной его части, и представляет собой ее фронт. По мере дальнейшего продвижения ударной волны давление в рассматриваемой точке будет падать в соответствии с профилем левой части.
Фронт ударной волны несет с собой как скачок давления, так и скачок плотности и температуры. Кроме того он несет с собой и движение, создавая ветер, ураган.
Скачок указанных свойств очень резок. Для воздуха переход от полного покоя к максимальной скорости движения происходит на отрезке пути порядка стотысячных долей сантиметра (несколько длин свободного пробега газовой молекулы). Время скачка 10-10с (десятимиллиардная доля секунды) Ударная волна обладает большой разрушительной силой. Так, например ударная волна, несущая увеличение давления в два раза, способна ломать толстые стены, а волна с фронтом высотой 2% способна вышибать стекла.
3.3 Ультразвук Ультразвук - это упругие колебания волны с частотами от (1,52)Гц до 109 Гц (рисунок 3.1) Этот диапазон принято подразделять на ультразвук низких частот (УНЧ), средних частот (УСЧ) и высоких частот (УЗВЧ). Их частотное разделение следующее: УНЧ от 1,5104 до 105 Гц, УСЧ от 105 до 107 Гц, УЗВЧ от 107 до 109 Гц.
3.3.1 Свойства ультразвука и особенности его распространения Ультразвук по своей физической природе не отличается от звука и представляет собой упругие волны.
Все же он имеет ряд особенностей распространения, обусловленные более высокими частотами и малыми длинами волн, присущими ультразвуку.
Частотные границы ультразвука вы уже знаете. А длины волн УЗВЧ, например, в воздухе составляют 3,410-33,410-5 см, в воде 1,510-21,510-см, в стали 510-2 510-4 см.
Ультразвук в газах и воздухе распространяется с большим, а в жидкостях и твердых телах со значительно меньшим затуханием. Установлено, что при распространении ультразвука (при равных условиях) в воде его затухание примерно в 1000 раз меньше, чем в воздухе.
Это обстоятельство объясняется тем, что в газах и ряде жидкостей существуют области дисперсии звука, сопровождающиеся сильным возрастанием его поглощения.
Поэтому область использования УНЧ относится к газовым и воздушным средам, а УСЧ и УЗВЧ к жидкостям и твердым телам.
Поскольку ультразвуковые волны обладают малой длиной, то в ряде случаев их распространение можно рассматривать методами геометрической акустики. Физически это приводит к лучевой картине распространения.
Следовательно, ультразвук, как и свет, подчиняется законам преломления, отражения, фокусировки и может образовывать строго направленные пучки. С помощью вогнутых зеркальных отражателей ультразвуковые волны можно посылать от источника звука в заданном направлении. Ультразвук практически распространяется прямолинейно.
Другой особенностью ультразвука является то, что даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний можно получить волны большой интенсивности. Поскольку при данной амплитуде интенсивность I примерно равна квадрату частоты f, т.е.
If2, то, ясно, что высоким частотам будут соответствовать большие интенсивности.
Так, например, в фокусе параболоида, внутренние стенки которого выполнены из мозаики кварцевых пластинок или из пьезокерамики, на частоте 0,5 МГц удается получать в воде интенсивности ультразвука больше, чем Вт/см2. Интенсивности, полученные при генерации ультразвука в области УСЧ лежат в пределах от 10-1410-15 до 0,1 Вт/см2 и считаются малыми, Рассмотрим еще одно явление, которое было обнаружено при использовании ультразвука в гидролокации. Оказалось, что при мощном излучении, составляющим 12 Вт с см2 излучателя, дальность распространения акустического сигнала перестает расти. Кроме того интенсивность его на некотором расстоянии от излучателя довольно низка, сигнал неразборчив из-за шума и поверхность излучателя разъедается, покрываясь мелкими раковинами. В этом случае как бы возникает экранизация на пути распространения ультразвука.
Установлено, что причиной сказанного были очень маленькие пузырьки. Под действием ультразвука происходила акустическая кавитация. Мощные высокочастотные колебания растягивали попавшие в поле звука порции жидкости, происходили мелкие разрывы ее с образованием пустых пузырьков, каверн.
Растворенные в жидкости газы и ее пары тотчас всасывались в эти пузырьки. Происходил их рост в ультразвуковом поле до разметов в доли миллиметра. Они начинали пульсировать с частотой ультразвука и захлопываться в положительной фазе давления. Захлопывание пузырьков во время полу периодов сжатия сопровождается коротковременными ударными волнами (длительностью 10-6 c) импульсами давления (до 108 Па 103 кг/см2 и более), способные разрушать довольно прочные материалы (рисунок 3.6). Облако, образованное такими пузырьками перед излучателем, было помехой на пути распространения мощного ультразвукового излучения.
Рис 3.6 - Форма импульса давления, излучаемого при схлопывании пузырька Изложенное относится к числу значимых нелинейных явлений, возникающих при распространении интенсивного ультразвука в жидкостях.
3.3.2 Генерация ультразвука Генераторы ультразвуковых колебаний обычно разбивают на две основные группы: механические и электромеханические.
В механических генераторах источником ультразвука является механическая энергия потока газа или жидкости: свистки и сирены.
Рассмотрим конструкцию свистка Гальтона и генератор Гартмана. На рисунке 3.7а показана схема свистка Гальтона, который представляет собой газоструйный излучатель звуковых и ультразвуковых волн, работающий на малых скоростях истечения газа. Предложен английским ученым Ф. Гальтоном. Свисток работает следующим образом.
Газ, выходя под небольшим избыточным давлением (примерно 0,1 атм) из узкой кольцевой щели 2 сопла 1, попадает на острый край резонатора 3, возбуждая в нем периодические вихри.
Частота звука, излучаемого свистком, определяется глубиной h резонатора, которая регулируется положением подвижного дна резонатора 3, и расстоянием l между рабочим торцом сопла 1 и обрезом резонатора 3.
На рисунке 3.7б дана схема газоструйного излучателя высокого давления звуковых и ультразвуковых волн, называемого генератором Гартмана (датский ученый Ю. Гартман).
Рис 3.7 - Конструкция свистка Гальтона и генератора Гартмана а - схема свистка Гальтона (пояснение в тексте);
б - схема генератора Гартмана (пояснение в тексте) Излучатель состоит из сопла 1 и резонатора 2, расположенных соосно на некотором расстоянии друг от друга. Работа его заключается в том, что вытекающая из сопла 1 сверхзвуковая газовая струя тормозясь перед резонатором 2, способствует возникновению отсоединенного скачка уплотнения 3.
Участок струи за скачком 3 превращается в источник звуковых и ультразвуковых волн.
Частота излучаемого звука зависит от расстояния между соплом 1 и резонатором 2, а также от размера d резонатора. Наиболее благоприятные условия излучения: Д =l, d = (1,3 - 1,5) Д.
Мощность излучения доходит до нескольких десятков Вт. При использовании сжатого воздуха получают частоты от 1 - 2 до 60 кГц, а водорода до кГц.
Описанные ультразвуковые устройства имеют относительно широкий спектр излучаемых частот и нестабильность частоты и амплитуды. Они в частности применяются как средства сигнализации.
Рассмотренные устройства, не требуют дорогостоящей электроэнергии высокой частоты, но излучают широкий спектр нестабильных частот.
Электромеханические устройства являются основными излучателями ультразвука. Они преобразуют электрические колебания в механические по схеме: ультразвуковые генераторы (машинные, ламповые, полупроводниковые) преобразуют ток промышленной частоты в ток высокой частоты, который является источником питания электроакустических системпреобразователей (магнитострикционных и пьезоэлектрических). Преобразователи соединяются с согласующими устройствами, передающими акустическую энергию от преобразователя к рабочему инструменту. В качестве согласующих устройств используют акустические концентраторы, которые одновременно могут служить и рабочим инструментом.
По принципу действия электромеханические излучатели делятся на электромагнитные, электродинамические (на электромагнитные и электродинамические вибраторы), магнитострикционные и пьезоэлектрические. В настоящее время электромагнитные и электродинамические преобразователи применяются редко и здесь не рассматриваются.
В диапазоне УНЧ нашли применение магнитострикционные преобразователи. Они, используя явление магнитострикции, генерируют ультразвуковые волны до 50кГц. У ферромагнитных материалов (никель, железо, железоалюминиевые сплавы - альферо и др.) под действием магнитного поля происходит незначительное изменение линейных размеров. Так, например, никелевый стержень, помещенный в переменное магнитное поле, совершает правильные колебания с соответствующей частотой.
Для излучения ультразвука в области УСЧ и УЗВЧ применяются главным образом пьезоэлектрические преобразователи, использующие явление пьезоэлектричества. Если к кварцевой пластине приложить переменное напряжение высокой частоты, то пластина будет совершать колебания соответствующей частоты. Таким способом можно получать частоты до 104 кГц. Как правило для увеличения амплитуды колебаний и излучаемой в среду мощности применяются колебания магнитострикционных и пьезоэлектрических элементов на их собственной резонансной частоте.
Для излучения УСЧ и УЗВЧ основными пьезоэлектрическими материалами служат пьезокварц, ниобат лития, дигидрофосфат калия, титанат бария.
Рис 3.8 - Схематичное изображение магнитострикционного эффекта Магнитострикционные излучатели представляют собой сердечник стержневой или кольцевой формы с обмоткой, по которой протекает переменный ток (рисунок 3.8).
Pages: | 1 | ... | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | ... | 29 | Книги по разным темам