ما هي الموجات فوق الصوتية وكيف تستخدم في الصناعة؟

تسمى الموجات فوق الصوتية الموجات المرنة (تنتشر الموجات في الوسائط السائلة والصلبة والغازية بسبب تأثير القوى المرنة) ، والتي يقع ترددها خارج النطاق المسموع للإنسان - من حوالي 20 كيلو هرتز وأكثر.

في البداية ، تم تمييز الأصوات فوق الصوتية والمسموعة فقط على أساس الإدراك أو عدم الإدراك من قبل الأذن البشرية. تتراوح عتبة السمع لدى الأشخاص المختلفين من 7 إلى 25 كيلو هرتز ، وقد ثبت أن الشخص يرى الموجات فوق الصوتية بتردد 30-40 كيلو هرتز من خلال آلية التوصيل العظمي. لذلك ، فإن الحد الأدنى لتردد الموجات فوق الصوتية مقبول بشكل تقليدي.

يمتد الحد الأعلى لتردد الموجات فوق الصوتية إلى الترددات 1013-1014 هرتز ، أي. حتى الترددات حيث يصبح الطول الموجي مشابهًا للمسافات بين الجزيئات في المواد الصلبة والسوائل. في الغازات ، تقع هذه الحدود أدناه ويتم تحديدها من خلال المسار الحر للجزيء.

وظائف مفيدة للموجات فوق الصوتية

وعلى الرغم من أن الموجات فوق الصوتية الفيزيائية لها نفس طبيعة الصوت المسموع ، إلا أنها تختلف فقط بشروط (تردد أعلى) ، إلا أن الموجات فوق الصوتية قابلة للتطبيق في عدد من الاتجاهات المفيدة بسبب التردد العالي.

لذلك ، عند قياس سرعة الموجات فوق الصوتية في مادة صلبة أو سائلة أو غازية ، يتم الحصول على أخطاء طفيفة جدًا عند مراقبة العمليات السريعة ، عند تحديد الحرارة النوعية (الغاز) ، عند قياس الثوابت المرنة للمواد الصلبة.

يتيح التردد العالي في السعات المنخفضة تحقيق كثافات متزايدة لتدفقات الطاقة ، لأن طاقة الموجة المرنة تتناسب مع مربع ترددها. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للموجات فوق الصوتية ، المستخدمة بالطريقة الصحيحة ، أن تنتج عددًا من التأثيرات والظواهر الصوتية الخاصة جدًا.

واحدة من هذه الظواهر غير العادية هي التجويف الصوتي ، والذي يحدث عندما يتم توجيه موجة قوية من الموجات فوق الصوتية إلى سائل. في السائل ، في منطقة العمل بالموجات فوق الصوتية ، تبدأ فقاعات صغيرة من البخار أو الغاز (الحجم تحت المجهري) في النمو إلى أجزاء من المليمتر في القطر ، تنبض مع تردد الموجة وتنهار في مرحلة الضغط الإيجابي.

تولد الفقاعة المنهارة محليًا نبضًا عالي الضغط يُقاس بآلاف الغلاف الجوي ، ليصبح مصدرًا لموجات الصدمة الكروية. كانت التدفقات الصوتية الدقيقة المتولدة بالقرب من هذه الفقاعات النابضة مفيدة في تحضير المستحلبات ، وتنظيف الأجزاء ، وما إلى ذلك.

من خلال تركيز الموجات فوق الصوتية ، يتم الحصول على الصور الصوتية في أنظمة التصوير الهولوغرافي الصوتية وأنظمة الرؤية الصوتية ، وتتركز طاقة الصوت لتشكيل حزمة اتجاهية بخصائص اتجاهية محددة ومحكومة.

باستخدام الموجات فوق الصوتية كمحزوز حيود للضوء ، من الممكن تغيير مؤشرات الانكسار للضوء لأغراض مختلفة ، لأن الكثافة في الموجة فوق الصوتية ، كما هو الحال في الموجة المرنة ، تتغير بشكل دوري بشكل دوري.

أخيرًا ، الخصائص المتعلقة بسرعة انتشار الموجات فوق الصوتية. في الوسائط غير العضوية ، تنتشر الموجات فوق الصوتية بسرعة تعتمد على مرونة الوسط وكثافته.

بالنسبة للوسائط العضوية ، هنا تتأثر السرعة بالحدود وطبيعتها ، أي أن سرعة الطور تعتمد على التردد (التشتت). تتحلل الموجات فوق الصوتية مع مسافة مقدمة الموجة من المصدر - تتباعد الجبهة ، والموجات فوق الصوتية مبعثرة ، ممتصة.

يؤدي الاحتكاك الداخلي للوسط (لزوجة القص) إلى الامتصاص الكلاسيكي للموجات فوق الصوتية ، علاوة على ذلك ، فإن امتصاص الاسترخاء للموجات فوق الصوتية يفوق الامتصاص الكلاسيكي. في الغاز ، يتم إضعاف الموجات فوق الصوتية بقوة أكبر ، وفي المواد الصلبة والسوائل تكون أضعف بكثير. في الماء ، على سبيل المثال ، يتحلل أبطأ 1000 مرة من الهواء. وبالتالي ، فإن التطبيقات الصناعية للموجات فوق الصوتية مرتبطة بشكل كامل تقريبًا بالمواد الصلبة والسوائل.

استخدام الموجات فوق الصوتية

يتطور استخدام الموجات فوق الصوتية في الاتجاهات التالية:

• تكنولوجيا الموجات فوق الصوتية ، التي تسمح بإحداث تأثيرات لا رجعة فيها على مادة معينة وعلى مسار العمليات الفيزيائية الكيميائية عن طريق الموجات فوق الصوتية بكثافة وحدات W / cm2 إلى مئات الآلاف من W / cm2 ؛
• التحكم بالموجات فوق الصوتية على أساس اعتماد امتصاص وسرعة الموجات فوق الصوتية على حالة الوسط الذي تنتشر من خلاله ؛
• طرق تحديد الموقع بالموجات فوق الصوتية ، وخطوط تأخير الإشارة ، والتشخيص الطبي ، وما إلى ذلك ، بناءً على قدرة الاهتزازات فوق الصوتية ذات الترددات الأعلى على الانتشار في حزم مستقيمة (أشعة) ، واتباع قوانين الصوتيات الهندسية وفي نفس الوقت تنتشر بسرعة منخفضة نسبيًا.

تلعب الموجات فوق الصوتية دورًا خاصًا في دراسة بنية وخصائص المادة ، حيث أنه بمساعدتها يكون من السهل نسبيًا تحديد الخصائص الأكثر تنوعًا للبيئات المادية ، مثل الثوابت المرنة والمطاطية اللزجة ، والخصائص الديناميكية الحرارية ، وأشكال أسطح فيرمي ، الاضطرابات وعيوب الشبكة البلورية ، إلخ. يسمى الفرع ذو الصلة بدراسة الموجات فوق الصوتية الصوتيات الجزيئية.

الموجات فوق الصوتية في تحديد الموقع بالصدى والسونار (الغذاء والدفاع والتعدين)

تم إنشاء أول نموذج أولي للسونار لمنع اصطدام السفن بالكتل الجليدية والجبال الجليدية من قبل المهندس الروسي شيلوفسكي مع الفيزيائي الفرنسي لانجفين في عام 1912.

يستخدم الجهاز مبدأ انعكاس الموجة الصوتية واستقبالها. كانت الإشارة موجهة إلى نقطة معينة ، وبتأخير إشارة الاستجابة (الصدى) ، مع معرفة سرعة الصوت ، كان من الممكن تقدير المسافة إلى العائق الذي يعكس الصوت.

بدأ Shilovsky و Langevin دراسة متعمقة للصوتيات المائية وسرعان ما ابتكروا جهازًا قادرًا على اكتشاف غواصات العدو في البحر الأبيض المتوسط ​​على مسافة تصل إلى كيلومترين. جميع السونار الحديث ، بما في ذلك السونار العسكري ، هم من نسل هذا الجهاز.

تتكون مسبار الصدى الحديثة لدراسة الإغاثة السفلية من أربع كتل: جهاز إرسال وجهاز استقبال ومحول وشاشة.وظيفة جهاز الإرسال هي إرسال نبضات فوق صوتية (50 كيلو هرتز ، 192 كيلو هرتز أو 200 كيلو هرتز) في عمق الماء ، والتي تنتشر عبر الماء بسرعة 1.5 كم / ثانية ، حيث تنعكس عن طريق الأسماك والحجارة والأشياء الأخرى وأدناه ، بعد وصول هذا الصدى إلى جهاز الاستقبال ، تتم معالجة المحول وتظهر النتيجة على الشاشة في شكل مناسب للإدراك البصري.

الموجات فوق الصوتية في الصناعة الإلكترونية والكهربائية

لا تستطيع العديد من مجالات الفيزياء الحديثة الاستغناء عن الموجات فوق الصوتية. ترتبط فيزياء المواد الصلبة وأشباه الموصلات ، وكذلك الإلكترونيات الصوتية ، من نواحٍ عديدة ، ارتباطًا وثيقًا بأساليب البحث بالموجات فوق الصوتية - مع تأثيرات بتردد 20 كيلو هرتز وأعلى. تحتل الإلكترونيات الصوتية مكانًا خاصًا هنا ، حيث تتفاعل الموجات فوق الصوتية مع الحقول الكهربائية والإلكترونات داخل الأجسام الصلبة.

تستخدم الموجات فوق الصوتية الحجمية في خطوط التأخير وفي رنانات الكوارتز لتثبيت التردد في الأنظمة الإلكترونية الحديثة لمعالجة ونقل المعلومات.تحتل الموجات الصوتية السطحية مكانًا خاصًا في مرشحات النطاق الترددي للتلفزيون ، في مُركِّبات التردد ، في أجهزة إرسال الموجات الصوتية ، في أجهزة قراءة الذاكرة والصورة. أخيرًا ، تستخدم عوامل الارتباط والمحولون التأثير الكهروضوئي المستعرض في تشغيلهم.

الإلكترونيات اللاسلكية والموجات فوق الصوتية

تعد خطوط التأخير بالموجات فوق الصوتية مفيدة لتأخير إشارة كهربائية واحدة بالنسبة إلى أخرى.يتم تحويل النبضة الكهربائية إلى اهتزاز ميكانيكي نبضي بتردد فوق صوتي ، ينتشر أبطأ عدة مرات من النبض الكهرومغناطيسي ؛ ثم يتم تحويل الاهتزاز الميكانيكي مرة أخرى إلى نبضة كهربائية ويتم إنتاج إشارة متأخرة بالنسبة للإدخال الأصلي.

لمثل هذا التحويل ، عادة ما يتم استخدام محولات كهرضغطية أو تقبض مغناطيسي ، وهذا هو السبب في أن خطوط التأخير تسمى أيضًا كهرضغطية أو تقبض مغناطيسي.

في خط تأخير كهرضغطية ، يتم تطبيق إشارة كهربائية على لوحة كوارتز (محول طاقة كهرضغطية) متصلة بشكل صارم بقضيب معدني.

يتم توصيل محول طاقة كهرضغطية ثان بالطرف الآخر من القضيب. يستقبل محول الطاقة الإدخال الإشارة ، ويولد اهتزازات ميكانيكية تنتشر على طول القضيب ، وعندما تصل الاهتزازات إلى المحول الثاني عبر القضيب ، يتم إصدار إشارة كهربائية مرة أخرى.

سرعة انتشار الاهتزازات على طول القضيب أصغر بكثير من سرعة الإشارة الكهربائية ، وبالتالي فإن الإشارة التي تمر عبر القضيب تتأخر بالنسبة للإدخال بمقدار متعلق بالاختلاف في سرعات الاهتزازات الكهرومغناطيسية والموجات فوق الصوتية.

سيحتوي خط التأخير المغنطيسي على محول طاقة الإدخال والمغناطيس وسلك الصوت ومحول طاقة الإخراج والامتصاص. يتم تطبيق إشارة الإدخال على الملف الأول ، وتذبذبات التردد فوق الصوتي - التذبذبات الميكانيكية - تبدأ في الموصل الصوتي للقضيب المصنوع من مادة تقبض مغناطيسي - يخلق المغناطيس هنا مغنطة دائمة في منطقة التحويل والحث المغناطيسي الأولي.

في القضيب ، تنتشر الاهتزازات بسرعة 5000 م / ث ، على سبيل المثال ، بالنسبة لقضيب بطول 40 سم ، سيكون التأخير 80 ميكروثانية. المخففات في طرفي القضيب تمنع انعكاسات الإشارة غير المرغوب فيها. سوف تتسبب اضطرابات التضيق المغناطيسي في حدوث تغيير في الحث في الملف الثاني (محول الخرج) EMF.

الموجات فوق الصوتية في الصناعة التحويلية (القطع واللحام)

يتم وضع مادة كاشطة (رمل الكوارتز ، الماس ، الحجر ، إلخ) بين مصدر الموجات فوق الصوتية وقطعة العمل. تعمل الموجات فوق الصوتية على الجزيئات الكاشطة ، والتي بدورها تضرب الجزء بتردد الموجات فوق الصوتية. يتم تدمير مادة الشغل تحت تأثير عدد كبير من الضربات الصغيرة من الحبوب الكاشطة - هذه هي الطريقة التي تتم بها المعالجة.

تتم إضافة القطع مع حركة التغذية ، في حين أن التذبذبات الطولية هي التذبذبات الرئيسية. تعتمد دقة العلاج بالموجات فوق الصوتية على حجم حبيبات الكاشطة وتصل إلى 1 ميكرون. بهذه الطريقة ، يتم إجراء عمليات قطع معقدة ، وهي ضرورية في إنتاج الأجزاء المعدنية والطحن والنقش والحفر.

إذا كان من الضروري لحام المعادن غير المتشابهة (أو حتى البوليمرات) أو دمج جزء سميك مع لوحة رقيقة ، فإن الموجات فوق الصوتية تأتي مرة أخرى للإنقاذ. هذا هو ما يسمى ب اللحام بالموجات فوق الصوتية الباردة... تحت تأثير الموجات فوق الصوتية في منطقة اللحام ، يصبح المعدن بلاستيكيًا للغاية ، ويمكن للأجزاء أن تدور بسهولة أثناء الالتحام بأي زاوية. ومن الجدير إيقاف تشغيل الموجات فوق الصوتية - سيتم توصيل الأجزاء على الفور ، والتقاطها.

من اللافت للنظر بشكل خاص أن اللحام يتم عند درجة حرارة أقل من نقطة انصهار الأجزاء ، ويتم توصيلها في الواقع في حالة صلبة ، ولكن يتم لحام الفولاذ والتيتانيوم وحتى الموليبدينوم بهذه الطريقة. الألواح الرقيقة هي الأسهل في اللحام. لا تعني طريقة اللحام هذه تحضيرًا خاصًا لسطح الأجزاء ، بل ينطبق أيضًا على المعادن والبوليمرات.

يستخدم الاختبار بالموجات فوق الصوتية للكشف عن العيوب المسطحة في المعدن أثناء اللحام (الشقوق ، عدم الاختراق ، عدم الالتصاق). هذه الطريقة فعالة جدًا في فولاذ الحبوب الناعم.

الموجات فوق الصوتية في علم المعادن (الكشف عن الخلل بالموجات فوق الصوتية)

الكشف بالموجات فوق الصوتية للعيوب - اكتشاف العيوب بناءً على تغيير ظروف انتشار المرونة ، وخاصة الاهتزازات فوق الصوتية.

يعد اكتشاف الخلل بالموجات فوق الصوتية أحد أكثر الطرق فعالية لمراقبة الجودة غير المدمرة للأجزاء المعدنية.

في وسط متجانس ، تنتشر الموجات فوق الصوتية في اتجاه بدون توهين سريع ، والانعكاس هو سمة لها عند حدود الوسط. لذلك يتم فحص الأجزاء المعدنية بحثًا عن فراغات وتشققات بداخلها (واجهة من الهواء إلى المعدن) ويتم الكشف عن إجهاد المعدن المتزايد.

يمكن أن تخترق الموجات فوق الصوتية جزءًا على عمق 10 أمتار ، وحجم العيوب المكتشفة 5 مم. هناك: الظل ، النبض ، الرنين ، التحليل الهيكلي ، التصور ، - خمس طرق للكشف عن الخلل بالموجات فوق الصوتية.

أبسط طريقة هي اكتشاف عيب الظل بالموجات فوق الصوتية ، وتستند هذه الطريقة على توهين الموجات فوق الصوتية عندما تواجه عيبًا عند المرور عبر جزء ، حيث يخلق العيب ظلًا فوق صوتي.يعمل محوّلان: الأول يصدر موجة ، والثاني يستقبلها.

هذه الطريقة غير حساسة ، ولا يتم اكتشاف الخلل إلا إذا غيّر تأثيره الإشارة بنسبة 15٪ على الأقل ، بالإضافة إلى أنه من المستحيل تحديد العمق الذي يقع فيه العيب في الجزء. يتم الحصول على نتائج أكثر دقة بواسطة طريقة الموجات فوق الصوتية النبضية ، كما تظهر العمق.

لانبعاث واستقبال الاهتزازات المرنة تستخدم محولات كهرضغطية ، وفي نطاق الصوت والترددات فوق الصوتية المنخفضة - محولات التقبُّض المغناطيسي.

تُستخدم الطرق التالية لنقل الاهتزازات المرنة من محول الطاقة إلى المنتج الخاضع للرقابة والعكس بالعكس:

• لا تلامس.
• اتصال جاف (بشكل أساسي للترددات المنخفضة) ؛
• التلامس مع مادة التشحيم (قبل الاختبار ، يتم تطبيق طبقة من الزيت أو الماء بسمك أصغر بكثير من الطول الموجي المرن على سطح المنتج المعالج بشكل نظيف) ؛
• اتصال نفاث (من خلال تيار من السائل يتدفق في فجوة صغيرة بين العنصر الكهروضغطي وسطح المنتج) ؛
• الغمر (يتم غمر المنتج الخاضع للرقابة في الحمام ويتم التلامس من خلال طبقة من السائل ، يجب أن يكون سمكها على الأقل 1/4 من سمك المنتج).

تتمثل ميزة طرق الغمر ونفث الحبر وعدم الاتصال في عدم تآكل رؤوس البحث وإمكانية استخدام سرعات مسح ضوئي أعلى ، فضلاً عن إمكانية أتمتة الإدارة.

أنظر أيضا:

قطع المعادن بالموجات فوق الصوتية

منشآت التنظيف بالموجات فوق الصوتية للأجزاء

مجسات فوق صوتية لأنظمة التشغيل الآلي

مجسات وأجهزة قياس لتحديد تركيبة وخصائص المواد