На какое расстояние распространяется ультразвук в воздухе

Ультразвуковые датчики. Особенности применения и выбора

При выборе ультразвукового датчика необходимо учитывать особенности окружающей среды и характер ее влияния на измерения и работоспособность измерительных приборов.

Введение.

Ультразвуковые датчики широко используются в качестве датчиков приближения (proximity), для дистанционного обнаружении различных объектов, измерения расстояний. Как правило, датчики действуют путем посылки короткого цуга ультразвуковых волн в направлении объекта обнаружения, который, отразившись от поверхности объекта, возвращается обратно. Затем, электронная схема производит расчет времени между моментом посылки сигнала и моментом приема отраженного эха. Расстояние является производной величиной от времени и скорости звука в окружающей среде.

В настоящее время на рынке представлен широкий выбор ультразвуковых датчиков в различных конструктивных исполнениях, действующих в различных акустических частотах. Палитра поведения различных акустических частот в схожих условиях окружающей среды не является одинаковой. В большинстве случаев не составит труда, руководствуясь характеристиками, данными производителем, выбрать подходящий датчик для своей задачи. Но в случаях, когда в работе устройств появляются сбои или возникают существенные ошибки в измерениях, необходимо произвести более тщательную оценку факторов влияния, таких как:

• Изменения скорости звука в зависимости от температуры и свойств окружающей среды (в основном, воздуха), — как данные изменения влияют на точность измерений и разрешающую способность датчиков;
• Изменения длины звуковой волны в зависимости от скорости и частоты звука, — как данные изменения влияют на точность измерений, разрешающую способность, минимальный размер объекта, минимальное и максимальное расстояние до объекта;
• Изменения величины затухания в зависимости от частоты звука и влажности, — как данные изменения влияют на максимальное расстояние чувствительности датчиков в воздухе;
• Изменения уровня внешних шумов в зависимости от частоты, — как данные изменения влияют на максимальное расстояние чувствительности и размеры объекта обнаружения;
• Изменения амплитуды отраженного эха в зависимости от расстояния до объекта, размеров и геометрии поверхности, — как данные изменения влияют на расстояние чувствительности.

Ультразвуковые датчики. Особенности применения и выбора.

2. Ультразвук. Основные свойства.

Ультразвук – это звуковые колебания, не воспринимаемые человеческим слухом, частотой свыше 20кГц. Роль микрофонов и громкоговорителей в сфере ультразвука выполняют устройства, называемые трансдукторами. Большинство ультразвуковых датчиков используют один трансдуктор как для передачи, так и для приема сигналов. В датчиках приближения и измерения расстояния, предназначенных для автоматизации технологических процессов в качестве трансдукторов применяются пьезоэлектрические преобразователи (далее — пьезоэлементы) с рабочей частотой от 40 до 400кГц.

3. Скорость звука в воздухе. Зависимость от температуры.

Ультразвуковые датчики действуют по принципу эхолокации – расстояние до объекта рассчитывается на основании измерения промежутка времени между моментами посылки и приема звукового импульса и скорости звука в среде.

Для газов формула скорости звука (c) выглядит так:

c=√( γ k T/ m)= √( γ R T/ M)= √( γ R(t+273,15)/M), (1) где γ — показатель адиабаты: 5/3 для одноатомных газов, 7/5 для двухатомных (и для воздуха), 4/3 для многоатомных; k — постоянная Больцмана; R — универсальная газовая постоянная; T — абсолютная температура в кельвинах; t — температура в градусах Цельсия; m — молекулярная масса; M — молярная масса. По порядку величины скорость звука в газах близка к средней скорости теплового движения молекул и в приближении постоянства показателя адиабаты пропорциональна квадратному корню из абсолютной температуры.

Скорость звука в газах (0° С; 101325 Па), м/с
Азот	334
Аммиак	415
Ацетилен	327
Водород	1284
Воздух	331
Гелий	965
Кислород	316
Метан	430
Угарный газ	338
Углекислый газ	259
Хлор	206

Формула скорости звука в воздухе при давлении ~1атм:

где t – температура в градусах Цельсия.

Из зависимости видно, что скорость распространения звуковых волн снижается с понижением температуры воздуха. Большинство производителей в спецификации к ультразвуковым датчикам указывают коэффициент температурной погрешности, выраженный в % на один градус температуры. Тогда, с учетом L=ct, (3) расстояние чувствительности может быть откорректировано.

Датчики для высоких, низких температур или для расширенных температурных диапазонов оборудованы автоматической температурной коррекцией.

4. Длина звуковой волны.

Длина звуковой волны определяется из соотношения:

где λ – длина волны; c – скорость звука; f – частота.

В случае, когда размер препятствий и неоднородностей в среде заметно превышает длину волны звука, распространение звука происходит по законам геометрической акустики. Если же препятствия сравнимы с длиной волны (или меньше ее), существенную роль начинает играть дифракция волн, с которой связано и рассеяние звука. Данные явления следует учитывать при выборе датчика особенно для обнаружения мелких объектов и неровностей. Например, длина волны при скорости звука 344 м/с (20оС, 1атм) для частоты:

Эквивалентна длине волны и разрешающая способность датчиков, указываемая многими производителями в спецификациях на изделия.

5. Затухание. Зависимость от частоты звука и влажности.

При распространении звука в механической среде, амплитуда звукового давления снижается в результате дифракции волн, рассеяния, поглощения, необратимого превращения энергии в другие формы. Оценка объемов абсорбционных потерь и затухания используется в определении максимальной дальности действия ультразвукового датчика. Коэффициент затухания (дБ/м) увеличивается с ростом частоты ультразвука, в то же время, для любой отдельно взятой частоты существует зависимость коэффициента затухания от влажности (воздуха). Степень влажности, при которой происходит максимальное затухание, различна для разных частот. Например, для частоты свыше 125кГц максимальное затухание происходит при относительной влажности воздуха (ОВВ) 100%, для частоты 40кГц максимальное затухание происходит при ОВВ 50%. Определить максимальный коэффициент затухания для частот от 50 до 400кГц можно, воспользовавшись оценочной формулой:

где a(f) – коэффициент затухания (дБ/м); f – частота ультразвука (кГц) при 20оС, 1атм, ОВВ 80%.

На графике (Рис. 3) приведены экспериментальные кривые для разных частот, показывающие зависимость коэффициента затухания от влажности воздуха.

6. Внешние шумы.

Чем выше частота звука, тем меньше влияние внешних шумов. Это связано с тем, что в окружающей среде присутствует незначительное количество высокочастотных шумов, а низкочастотные шумы быстро рассеиваются в атмосфере.

7. Влияние частоты, расстояния и среды распространения звука на амплитуду звукового давления.

Ультразвуковой датчик посылает звуковой сигнал короткими цугами. Различные датчики производят различное звуковое давление (SPL – sound pressure level). В акустике, в силу широкого динамического диапазона, звуковое давление обычно выражается в децибелах. З. д., являясь совершенно относительной величиной, отвечает соотношению: SPL=20 log (P/P0), (6) где P – фактическое давление в микропаскалях (μПа); P0 – опорное давление, принимается равным 1 μПа – минимальному уровню, воспринимаемому на расстоянии R0=30см. от датчика. Соответственно, R0 принимается как опорное расстояние.

В процессе распространения, звуковой луч радиально расширяется по мере удаления от излучателя, а амплитуда звукового давления P снижается из-за затухания и рассеивания. Тогда SPL на расстоянии R от излучателя выражается формулой:

SPL(R)=SPL(R0)-20 Log (R/ R0)-a(f)R, (7)

где R – фактическое расстояние от датчика; R0 – опорное расстояние; a(f) – коэффициент затухания сигнала с частотой f.

8. Амплитуда отраженного эха от плоской поверхности для различных ультразвуковых частот.

Рассмотренная в предыдущем параграфе формула (7) звукового давления справедлива для прямолинейного распространения звука в среде от одной точки к другой и может применяться для датчиков с разделенным излучателем и приемником (THRU-BEAM). Для датчиков с диффузным отражением луча от объекта (с единственным элементом, исполняющим роль излучателя и приемника), действующим по принципу эхолокации свойственны потери при отражении от среды другой (большей) плотности. Отражение звука — явление, возникающее при падении звуковой волны на границу раздела двух упругих сред и состоящее в образовании волн, распространяющихся от границы раздела в обратном направлении. Количество отраженного звука зависит от соотношения акустического сопротивления сред (Z).

Т.к. акустическое сопротивление воздуха в 1000 раз превышает сопротивление воды, а более твердых материалов — в несколько тысяч раз, ультразвуковые волны на границе раздела отражаются почти полностью. В случае прямолинейного отражения луча от плоской поверхности можно пренебречь взаимодействием звука с твердым телом и воспользоваться формулой Френеля:

где V – коэффициент отражения; Z2 и Z1 – акустическое сопротивление материалов. Для границы воздух/вода коэффициент отражения V равен 0,99.

Тогда, звуковое давление отраженного эха можно выразить формулой:

SPL(2R)=V(SPL(R0)-20 Log (2R/ R0)-2a(f)R), (9)

где R – расстояние от датчика до объекта; R0 – опорное расстояние; a(f) – коэффициент затухания сигнала с частотой f; V – коэффициент отражения (~1).

Компания ГлавАвтоматика предлагает своим клиентам при автоматизации производственных операций воспользоваться высококачественными компактными ультразвуковыми датчиками производства швейцарской фирмы SNT Sensortechnik AG .

Ультразвук. Основы теории распространения ультразвуковых волн

Ультразвук — механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.

Основные параметры ультразвука

Основными параметрами волны являются длина волны и период. Число циклов совершенных за одну секунду называется частотой и измеряется в Герцах (Гц). Время, требуемое чтобы совершить полный цикл, называется периодом и измеряется в секундах. Взаимосвязь между частотой и периодом волны приведено в формуле:

,

Рисунок 1 – Основные параметры ультразвуковой волны

Скорость звука в идеальном упругом материале при заданной температуре и давлении является постоянной. Связь между скоростью ультразвука и длиной волны следующая:

,

• где λ – длина волны, м,
• с – скорость звука, м/с

В твердых веществах для продольных волн скорость звука [1]

,

• где c_l – скорость звука для продольных волн, м/c,
• E – модуль упругости, Па,
• μ – коэффициент Пуассона,
• ρ – плотность, кг/м 3

Для поперечных волн она определяется по формуле

,

• где c_t – скорость звука для поперечных волн, м/с,
• G – модуль сдвига, Па

Дисперсия звука — зависимость фазовой скорости монохроматических звуковых волн от их частоты. Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическими свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.

Разновидности ультразвуковых волн

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны [2].

Рисунок 2 – Движение частиц в продольных и поперечных ультразвуковых волнах

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны [3].

Волна Лэмба — упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Визуализация ультразвуковых волн

Интенсивность и мощность ультразвука

Интенсивность звука (сила звука) — средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны, в единицу времени. Для периодического звука усреднение производится либо за промежуток времени большой по сравнению с периодом, либо за целое число периодов [2]. Интенсивность ультразвука – величина, которая выражает мощность акустического поля в точке [6].

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

,

• где р — амплитуда звукового давления, Па
• v — амплитуда колебательной скорости частиц, м/c
• ρ — плотность среды, кг/м 3
• с — скорость звука, м/c

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова — вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения, понимая под этим удельную мощность излучателя, т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м 2 . В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик — от пороговых значений ~ 10 -12 Вт/м 2 до сотен кВт/м 2 в фокусе ультразвуковых концентраторов.

Мощность звука — энергия, передаваемая звуковой волной через рассматриваемую поверхность в единицу времени. Различают мгновенное значение мощности ультразвука и среднее за период или за длительное время. Наибольший интерес представляет среднее значение мощности ультразвука, отнесённое к единице площади, т. н. средняя удельная мощность звука, или интенсивность звука [2].

Таблица 1 — Свойства некоторых распространенных материалов [6]

Материал	Плотность, кг/м 3	Скорость продольной волны, м/c	Скорость поперечной волны, м/c	Акустический импеданс, 10 3 кг/(м 2 *с)
Акрил	1180	2670	—	3,15
Воздух	0,1	330	—	0,00033
Алюминий	2700	6320	3130	17,064
Латунь	8100	4430	2120	35,883
Медь	8900	4700	2260	41,830
Стекло	3600	4260	2560	15,336
Никель	8800	5630	2960	49,544
Полиамид (нейлон)	1100	2620	1080	2,882
Сталь (низколегированный сплав)	7850	5940	3250	46,629
Титан	4540	6230	3180	26,284
Вольфрам	19100	5460	2620	104,286
Вода (293К)	1000	1480	—	1,480

Затухание ультразвука

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

• убывание амплитуды волны с расстоянием от источника, обусловленное формой и волновыми размерами источника;
• рассеяние ультразвука на неоднородностях среды, в результате чего уменьшается поток энергии в первоначальном направлении распространения;
• поглощение ультразвука, т.е. необратимый переход энергии звуковой волны в другие формы, в частности в тепло.

Первая из этих причин связана с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и соответственно уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т.е. интенсивность звука. Для сферической волны, волновая поверхность которой растёт с расстоянием r от источника как r 2 , амплитуда волны убывает пропорционально r -1 , а для цилиндрической волны — пропорционально r -1/2 .

Рассеяние ультразвука происходит из-за резкого изменения свойств среды – её плотности и модулей упругости — на границе неоднородностей, размеры которых сравнимы с длиной волны. В газах это могут быть, например, жидкие капли, в водной среде — пузырьки воздуха, в твёрдых телах — различные инородные включения или отдельные кристаллиты в поликристаллах и т. п. Особый интерес представляет рассеяние на хаотически распределённых в пространстве неоднородностях.

Поглощение ультразвука может быть обусловлено различными механизмами. Большую роль играет вязкость и теплопроводность среды, взаимодействие волны с различными молекулярными процессами вещества, с тепловыми колебаниями кристаллической решётки и др.

3атухание звука, обусловленное рассеянием и поглощением, описывается экспоненциальным законом убывания амплитуды с расстоянием, т. е. амплитуда пропорциональна e -δr , а интенсивность – e -2δr в отличие от степенного закона убывания амплитуды при расхождении волны, где δ – коэффициент затухания звука [2].

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).

Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле [4]

,

• где α – коэффициент затухания с расстоянием, 1/м,
• L – расстояние, м,
• p(0), p(L) – амплитуда звукового давления в исходной точке и на расстояние L, Па

Коэффициент затухания от времени определяется [5]

,

• где β – коэффициент затухания от времени, 1/с,
• T – время, с,
• p(0), p(T) – амплитуда звукового давления в начале и через время T соответственно, Па

Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае

,

Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике [2].

,

• где A₁ – амплитуда первого сигнала,
• A₂ – амплитуда второго сигнала

Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:

,

Коэффициент затухания выражается либо в децибелах на метр (дб/м), либо в неперах на метр (Нп/м) или что тоже самое м -1 . Затухание в 1 Нп/м означает, что на расстоянии 1м амплитуда волны уменьшается в e раз (e =2,71 — основание натуральных логарифмов или число непера).

Отражение ультразвука от границы раздела сред

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:

,

• где Z – волновое сопротивление, кг/(м 2 с),
• ρ – плотность, кг/м 3 ,
• с – скорость звука, м/с

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом

,

• где R – коэффициент отражения звукового давления [1],
• Z₁ – волновое сопротивление первого вещества, в котором распространяется звуковая волна, кг/(м 2 с),
• Z₂ – волновое сопротивление второго вещества, в которую проходит звуковая волна, кг/(м 2 с)

,

• где D – коэффициент прохождения звукового давления

Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т.е. Z₁>Z₂, то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ [1].

Коэффициент пропускания энергии τ из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны

,

Интерференция и дифракция ультразвуковых волн

Интерференция звука — неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции — сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука — отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука — расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны λ, степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

,

• где D — поперечник объекта (например, поперечник ультразвукового излучателя или препятствия),
• r — расстояние точки наблюдения от этого объекта

Излучатели ультразвука

Излучатели ультразвука — устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию звукового поля энергию какого-либо другого вида.

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи. В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях, магнитострикционных преобразователях, электродинамических излучателях, электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса: они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости [2].

Характеристики излучателя ультразвука

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения. В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса, границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f₀ преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

,

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука — отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью, т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м 2 .

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия, представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Звуковое поле излучателя

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля [1].

Рисунок 3 – Звуковое поле круглого излучателя

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

,

• где N – длина ближней зоны, м,
• D – диаметр излучателя, м,
• λ – длина волны, м

Однако поскольку D обычно значительно больше λ, уравнение можно упростить и привести к виду

,

Рисунок 4 – Ближняя и дальняя зоны звукового поля

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, второе — с активным воздействием на вещество и третье — с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

Получение информации с помощью ультразвуковых методов. Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них процессов на макро- и микроуровнях. Эти методы основаны главным образом на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих.

Воздействие ультразвука на вещество. Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.

Обработка и передача сигналов. Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электрических сигналов в различных отраслях радиоэлектроники, например в радиолокации, связи, вычислительной технике, и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. В устройствах для управления электрическими сигналами используются следующие особенности ультразвука: малая по сравнению с электромагнитными волнами скорость распространения; малое поглощение в кристаллах и соответственно высокая добротность резонаторов [2].

Особенности измерения расстояния / уровня ультразвуковыми датчиками

В основе данного принципа измерения лежит пъезокерамический элемент, излучающий с поверхности датчика ультразвуковую волну. Отразившись от объекта, волна возвращается обратно к датчику. Зная скорость распространения звука в воздухе (v) и измеряя время между излучением и принятием ультразвуковой волны (t), схемотехника датчика производит вычисление расстояния.

Рисунок 2 — Принцип работы ультразвукового датчика расстояния

Однако, у данного метода измерений существует целый ряд особенностей и ограничений, которые влияют как на точность, так и на саму возможность измерения.

2. Скорость звука и точность измерения ультразвуковых датчиков

v = γR M T v= sqrt < <γR>over T>

График зависимости скорости звука от температуры Для идеальных газов скорость звука определяется формулой Лапласа: где:

γ — показатель адиабаты газа (7/5 для воздуха);

R – универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль*К);

М — молярная масса (29 г/моль для воздуха);

Т — абсолютная температура (в К).

Общепромышленные ультразвуковые датчики калибруются в воздухе: скорость распространения звука в нем составляет 330 м/с при 0 С температуры окружающей среды. Соответственно, эксплуатировать датчик расстояния, например, в СО₂ невозможно, поскольку скорость звука при 0 °С будет составлять уже 260 м/с и измерение не будет достоверным.

Скорость распространения звука в воздухе, в свою очередь, практически полностью зависит только от температуры.

По этой причине, в корпус ультразвуковых датчиков microsonic встроен сенсор температуры, обеспечивающий компенсацию изменения температуры воздуха во всем диапазоне эксплуатации -25. +70 С: погрешность измерения составляет ± 1% от измеряемого значения расстояния. Однако, это справедливо в случае однородной температуры на всем пути распространения ультразвуковой волны: если же температура неоднородна, необходимы иные методы компенсации.

Один из таких методов применяется при измерении диаметра выдуваемого рукава полиэтиленовой пленки. Для точного контроля устанавливаются 3 ультразвуковых датчика под углом 120 градусов относительно друг друга (см. рис. 3). Поверхность пленки достаточно горячая: ультразвуковая волна, излучаемая датчиком, ускоряется с приближением к пленке и вычисленное датчиком значение расстояние всегда будет меньше фактического. Для компенсации погрешности устанавливается дополнительный 4-й датчик в тех же температурных условиях, но измеряющий точно известное расстояние до неподвижного объекта. Показания всех четырех датчиков подключены к программируемому контроллеру — на сколько изменяются показания 4-го датчика относительно известного расстояния, на столько компенсируются показания 3-х остальных датчиков (см. рис. 4). Для решения подобных задач возможно использование, например,ультразвуковых датчиков mic+35/IU/TC.

Важным условием измерения является плавное изменение температуры воздуха, поскольку если объект очень горячий (например, расплавленный металл), то образующаяся турбулентность воздуха приведет к отклонению ультразвуковой волны в сторону и невозможности измерения ультразвуковым методом.

3. Затухание звука и максимальное рабочее расстояние датчика

Помимо точности измерения расстояния, важнейшим критерием является дальность распространения ультразвуковой волны или максимальное рабочее расстояние датчика, вплоть до которого он способен производить измерение. В свою очередь, это расстояние зависит от затухания звука.

Звуковая волна в воздухе распространяется за счет продольных колебаний молекул воздуха относительно своего положения и их соударения друг с другом.

На рисунке 5 отображены две зоны — разряжения (обозначена синим) и избыточного давления (обозначена красным). Соответственно, изменения звукового давления носят периодический характер (период колебаний Т), графически описываются синусоидой и имеют определенную амплитуду (А). Сама ультразвуковая волна обладает энергией: в результате соударений молекул ее энергия рассеивается, поглощаясь самой средой, и преобразуется в тепловую энергию.

Затухание — это уменьшение амплитуды звукового давления с увеличением расстояния от источника звука (излучателя датчика). Если измеряемый объект находится на расстоянии большем, чем максимальное рабочее расстояние, то отправленная и затем отразившаяся обратно волна успевает полностью поглотится средой и измерение становится невозможным.

A ‘ = A 0 e − δr A’=A_e^

А’ – звуковое давление на расстоянии от источника звука r;

А₀— начальное звуковое давление;

δ — коэффициент затухания, измеряемый в дБ/метр или Нп/метр.

Преобразуя формулу выше, имеем:

δ = 1 r ln ( A ‘ A 0 ) δ = 1 over r ln ( over A_0)

Однако данная формула позволяет рассчитать коэффициент только на основе экспериментальных данных.

Существует следующая зависимость, связывающая коэффициент затухания с параметрами окружающей среды, влияющими на поглощение звука в воздухе:

δ = ω 2 2 ρc 3 ( 4 3 η + ξ + χ ( 1 С v − 1 С p ) ) δ = ω^2 over (4 over 3 η+ξ+χ(1 over С_v — 1 over С_p))

ω — частота ультразвуковой волны;

ρ — плотность среды;

с — скорость распространения звука в среде;

η — коэффициент сдвиговой вязкости;

ξ — коэффициент объемной вязкости;

χ — коэффициент теплопроводности;

С_v – теплоемкость при постоянном объеме;

С_p – теплоемкость при постоянном давлении.

Таким образом, следующие параметры среды влияют на рабочее расстояние датчика:

• Температура: влияет на вязкость, плотность и скорость распространения звука. С ростом температуры, затухание увеличивается и максимальное расстояние уменьшается.
• Давление: в пределах 6 бар влияет только на плотность. С повышением давления затухание уменьшается и максимальное расстояние увеличивается.
• Относительная влажность: как и температура, влияет одновременно на несколько параметров. В реальности зависимость описывается эмпирически: график для частот 40, 3, 100, 160 и 200 кГц представлен на рисунке 6. На разных частотах, затухание будет максимальным при разной относительной влажности воздуха.

Частота ультразвука: зависит от характеристик конкретной модели датчика. Чем выше рабочая частота, с которой датчик излучает ультразвуковую волну, тем быстрее затухает сама волна. Например, ультразвуковой датчик модификации mic+600 (рабочий диапазон от 0,6 до 6 м) изготовлен с рабочей частотой излучателя 80 кГц, а датчик mic+35 (рабочий диапазон от 65 до 350 мм) с рабочей частотой 400 кГц.

Производителем составлены диаграммы направленности (рис. 7) для различных моделей датчиков, которые позволяют увидеть зону распространения ультразвукового поля в объеме. Например, для модели датчика расстояния mic+35:

• Серая область — зона, в которой обнаруживается металлическая пластина размером 500х500 мм.
• Голубая область — зона, в которой обнаруживается круглый прут диаметром 10 мм.
• Слепая зона — область, в которой датчик не способен производить измерение.
• Рабочий диапазон — область, в которой датчик гарантированно будет производить измерения при атмосферном давлении, относительной влажности 0. 100% и температуре -25. 70 С.
• Максимальное рабочее расстояние — расстояние, достижимое лишь при идеальных условиях отражения и нормальных условиях окружающей среды (50% относительная влажность, давление 101,3 кПа, температура 20 С).

4. Отражающие свойства объектов

Помимо поглощения звука самой средой, ультразвук взаимодействует с самим объектом, отражаясь от его поверхности. При достижении ультразвуковой волной поверхности объекта, часть энергии волны проходит внутрь объекта, а остальная часть энергии отражается обратно(см. рис 8).

E полн = E отр + E погл E_полн=E_отр+E_погл

В свою очередь, чем меньше акустическое сопротивление объекта, тем большая часть энергии Е_погл проникает внутрь среды и тем сильнее уменьшается максимальное рабочее расстояние вместе с уменьшением Е_отр.

Z – акустическое сопротивление, Па*с/м;

ρ – плотность среды, кг/м 3 ;

с — скорость звука в среде, м/с.

Для расчета коэффициента отражения, используется формула Френеля:

R = Z 2 − Z 1 Z 2 + Z 1 R= over

Z1 – акустическое сопротивление воздуха, Па*с/м;

Z2 – акустическое сопротивление объекта, Па*с/м.

Чем больше коэффициент отражения, тем большая часть энергии волны E_отр отразится обратно и тем больше расстояние, на котором может происходить измерение.

К объектам с высоким акустическим сопротивлением относятся: жидкости, сталь, дерево, стекло, пластик. В случае, если параметры окружающего воздуха (температура, влажность, давление) соответствуют нормальным условиям, то измерение расстояния ультразвуковым датчиком до объектов из подобных материалов возможно на максимальном рабочем расстоянии.

К объектам с низким акустическим сопротивлениями относятся: пена, шерсть,поролон, пух. По причине высокой пористости, большая часть энергии волны сквозь эти поры попадает внутрь объекта и «гасится» во внутренних полостях. При работе с подобными материалами, даже если параметры окружающей среды соответствуют нормальным, измерение может стать невозможным даже в пределах рабочего диапазона.

Как правило, ультразвуковые датчики не применяются для измерения уровня пенящихся сред (пиво, шампанское и прочих). Но в ряде случаев, если использовать датчик на большое рабочее расстояние, с мощным излучателем и измерять им насколько возможно близко, то степени поглощения звука материалом объекта может не хватить, чтобы волна полностью «погасилась» и не вернулась обратно к датчику: измерение станет возможным.

5. Слепая зона

Еще одной важной особенностью работы ультразвуковых датчиков является невозможность измерения уровня на близком от датчика расстоянии. Это связано с тем, что излучатель датчика является одновременно и его приемником.

В основе датчика лежит пъезокерамический элемент, который начинает колебаться при подачи на него напряжения. В зависимости от его характеристик, он излучает ультразвуковую волну определенной частоты, после чего переходит в режим приема и ожидает возвращения отраженной от объекта волны.

Однако после прекращения подачи напряжения, в пъезокерамическом элементе наблюдаются затухающие автоколебания, которые невозможно избежать. Если объект находится слишком близко, то отраженная волна вернется к излучателю в тот момент, пока автоколебания еще не прекратились. И как следствие, измерение станет невозможным. Слепая зона — это расстояние, которое ультразвуковая волна проходит за время полного затухания автоколебаний. Это фиксированная величина, являющаяся характеристикой конкретной модели датчика, не подлежит настройки и не зависит от параметров окружающей среды.

6. Монтаж ультразвуковых датчиков

Залогом корректной работы ультразвуковых датчиков является их правильный монтаж.

1. При работе с хорошо отражающими звук объектами, предъявляются особые требования к монтажу — излучаемая волна должна строго перпендикулярно отражаться от гладкой поверхности, чтобы вернуться обратно к излучателю датчика.

2. В случае наличия выступающих частей (например, приваренной арматуры) в емкости с измеряемой средой, ультразвуковая волна может отражаться от этих выступов, если они попадают в зону распространения волны. Необходимо или замонтировать датчик в другом месте, или опустить его ниже (тем самым сузив область распространения, в которую может попадать препятствие), или использовать волновод: трубку из любого отражающего звук материала произвольной длины, в которую устанавливается датчик и тем самым сужается зона распространения звуковой волны (см рис. 9). Аналогичны рекомендации, когда датчик расположен над отверстием и измеряет уровень в емкости через него, при этом диаметр отверстия меньше, чем диаметр пятна ультразвуковой волны в соответствии с диаграммой направленности.

3.Важнейшим преимуществом ультразвукового метода измерения является возможность непрерывного контроля уровня сыпучего компонента, такого как: картофель, щепа, ягоды, свекла, сахар, щебень и т. д.(рис. 10)

Поверхность имеет неоднородную структуру и форму, что приводит к тому, что отраженная волна не только отражается обратно к датчику, но и рассеивается в разные стороны на неоднородностях поверхности. С одной стороны, это позволяет гарантированно измерять уровень, даже если поверхность находится под значительным углом по отношению к датчику (когда насыпание происходит «с горкой»), но с другой стороны, отраженная энергия Е_отруменьшается за счет увеличения рассеиваемой энергии E_рас. В результате, при измерении уровня сыпучего компонента, максимальное расстояние измерение может уменьшаться (рис. 11).

4.Как правило, сыпучий компонент засыпается сверху емкости. И в случае, если сыплющийся поток постоянно попадает в зону распространения ультразвуковой волны, датчик не сможет производить измерение. Возможным решением проблемы, помимо переноса датчика в другое место, может являться установка его под козырьком, который одновременно будет являться отражателем.

5.Зачастую при измерении уровня сыпучего, мелкодисперсного компонента (например, муки), в воздухе присутствует высокая запыленность. Существует ряд ограничений, при которых измерение станет невозможным:

• при достаточно высоком уровне запыленности, ультразвуковая волна может постоянно отражаться от пылевого облака;
• если пыль налипает на излучатель толстым слоем и/или затвердевает при высокой влажности;
• аналогичная ситуация проявляется при отрицательных температурах — если конденсат на поверхности датчика замерзнет с образованием корки льда;
• в емкости часто включается принудительная аэрация для поддержания рыхлости.

При достаточной скорости воздуха, направление распространения ультразвуковой волны будет изменяться и не позволит отраженной волне от объекта вернуться обратно к датчику.

7. Выводы

Применение ультразвукового метода имеет ряд ограничений, которые необходимо учитывать при эксплуатации и подборе датчиков:

• температурный диапазон в месте монтажа датчика должен соответствовать температуре эксплуатации датчиков -25. 70 С;
• температура между датчиком и объектом должна быть однородной, в противном случае необходимы дополнительные меры компенсации;
• максимальное расстояние, на котором датчик способен производить измерение, зависит от большого количества факторов: температуры, влажности, давления, отражающих свойств среды. Рекомендуется проведение дополнительного тестирования на объекте;
• измерение с поглощающими звук средами невозможно. Прежде всего к ним относятся среды, содержащие на поверхности пену (пиво, шампанское, моющие растворы);
• измерение в пределах слепой зоны невозможно;
• необходимо отсутствие препятствий в зоне распространения ультразвуковой волны;
• наличие сильного потока воздуха при аэрации, высокая запыленность или наледь препятствуют работе датчиков.

Несмотря на данные ограничения, ультразвуковые датчики microsonic с успехом применяются в таких отраслях промышленности, как: сельское хозяйство, химическое производство, водоочистка, автомобилестроение, производство сахара, кондитерское производство, печатные машины, автоматы розлива и многих других.

Список использованной литературы:

1. Балдев Радж, В. Раджендран, П. Паланичами, Применения ультразвука, М., «Техносфера», 2006
2. Б. А. Агранат, В. И. Башкиров, Ю. И. Китайгородский, Н. Н. Хавский, Ультразвуковая технология, М., «Металлургия», 1974
3. Колесников А. Е., Ультразвуковые измерения, 2 изд., М., 1982
4. Ультразвуковые датчики в окружающей среде, «ГлавАвтоматика», Челябинск, 2012.
5. ISO 9613-1:1993 Acoustics – Attenuation of sound during propagation outdoors – Part1: Calculation of the absorption of sound by the atmosphere
6. L. Jakevičius, A. Demčenko Ultrasound attenuation dependence on air temperature in closad chambers, ISSN 1392-2114 ULTRAGARSAS (ULTRASOUND), Vol. 63, No.1, 2008
7. Donald P. Massa Choosing an Ultrasonic Sensor for Proximity or Distance Measurement. Part 1: Acoustic Considerations February 1, 1999

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Рывкин Е.Е.

• Статья «Особенности измерения расстояния / уровня ультразвуковыми датчиками» в pdf-формате — 964КБ
• Современные способы измерения объема жидкости

Ультразвук, виды, свойства и применение

История открытия ультразвуковых волн началась в 1927 году, когда американский ученый, доктор Людвиг Дж. Прандтль, проводил исследования в области аэродинамики. Он заметил, что при прохождении звука через твердые тела, на границе между разными материалами возникают эхо-сигналы, но которые были очень слабыми и находились за пределами слышимого диапазона человеческого уха.

Ученый продолжил свои исследования и в 1930 году вместе с коллегами опубликовал статью, в которой описал свои наблюдения и предложил термин “ультразвук” для обозначения этих эхо-сигналов. Однако, его открытие не получило широкого признания и ультразвуковые волны оставались малоизученными до начала Второй мировой войны.

Во время войны ультразвук был использован для обнаружения подводных лодок и обнаружения объектов в воздухе. Это привело к увеличению интереса к ультразвуковым волнам и исследованиям в этой области.

В 1940-х годах ученые из США, Великобритании, Франции и СССР начали активно изучать свойства ультразвука и его применение в различных областях науки и техники. В 1950-х и 1960-х годах ультразвук начал использоваться в медицине, в частности, в ультразвуковой диагностике.

С тех пор ультразвук стал широко использоваться в различных областях, включая медицину, промышленность, науку и технику. Современные ультразвуковые технологии позволяют проводить высокоточные исследования и измерения, а также использовать для лечения различных заболеваний.

Виды ультразвука

Существует различные виды ультразвука, которые отличаются по частоте, длине волны и области применения и т.д:

По частоте волны:

• Низкочастотные (НЧ) — от 20 до 100 кГц.
• Среднечастотные (СЧ) — от 100 до 500 кГц.
• Высокочастотные (ВЧ) — выше 500кГц.

По типу генерации:

• Пьезоэлектрический ультразвук. Используются кристаллы, такие как кварц или титанат бария, которые при подаче электрического напряжения могут сжиматься или расширяться, создавая ультразвуковые волны.
• Магнитострикционный ультразвук. Волны создаются магнитными полями, воздействующими на специальные сплавы, например, никель или железо.
• Электромагнитный ультразвук. Ультразвуковые волны генерируются электромагнитными полями.

По способу применения:

• Контактный УЗ. Используется для непосредственного воздействия на объект.
• Иммерсионный УЗ. Объект погружается в жидкость, в которой создаются ультразвуковые волны.

По форме сигнала:

• Синусоидальный УЗ. Представляет собой синусоидальные волны.
• Импульсный ультразвук. Состоит из коротких импульсов с паузами между ними.

По типу волны:

• Продольные ультразвуковые волны, распространяющиеся параллельно направлению движения волны.
• Поперечные ультразвуковые волны, перпендикулярные направлению движения волны.

По назначению:

• Диагностический ультразвук, используемый для визуализации внутренних органов и структур.
• Терапевтический ультразвук, применяемый для лечения различных заболеваний.

По степени опасности для человека:

• Класс 1 Безопасный. Не представляет угрозы для здоровья человека.
• Класс 2. Ограниченно безопасный. Может вызывать кратковременные нежелательные эффекты у некоторых людей.
• Класс 3. Опасный. Может вызвать серьезные последствия для здоровья.

По виду применения:

• Промышленный, использующийся в различных технологических процессах.
• Медицинский, предназначенный для диагностики и лечения заболеваний.

По источникам:

• Устройства промышленного производства.
• Самодельные устройства.

В заключение, ультразвук имеет множество классификаций, и каждая из них имеет свои особенности и сферы применения. Важно знать и понимать эти классификации, чтобы правильно использовать ультразвук в различных областях деятельности.

Принцип работы ультразвука

Принцип работы ультразвука основан на преобразовании электрических сигналов в акустические волны с помощью специальных устройств – преобразователей. Этот процесс происходит в несколько этапов:

• Генерация электрических импульсов: Сначала источник УЗ (например, генератор сигналов) генерирует электрические импульсы определенной частоты. Эти импульсы будут управлять работой ультразвукового преобразователя.
• Преобразование электрических импульсов в механические колебания: Ультразвуковой преобразователь принимает электрические импульсы и преобразует их в механические колебания. Это происходит благодаря пьезоэлектрическому эффекту – изменению размеров некоторых материалов при подаче на них электрического напряжения.

• Распространение механических колебаний в среде: Механические колебания распространяются в среде (обычно это жидкость или газ), создавая акустические волны. Эти волны создают изменения давления в среде, которые затем воспринимаются как звук.
• Прием и обработка акустических сигналов: Если ультразвуковые волны используются для получения информации об объекте или среде, то они отражаются от объекта и возвращаются обратно к преобразователю. Здесь они снова преобразуются в электрические сигналы, которые могут быть обработаны и проанализированы.

Важно отметить, что частота ультразвуковых волн определяет их проникающую способность и возможности применения. Более высокие частоты обеспечивают лучшее разрешение и проникающую способность, но имеют более короткое расстояние распространения. Напротив, более низкие частоты имеют большую дальность распространения, но худшее разрешение.

Свойства ультразвука

Ультразвук — это звуковые волны, частота которых превышает 20 кГц (т.е. выше порога слышимости человеческого уха). Основные характеристики ультразвука включают в себя:

• Частота: обычно находится в диапазоне от 20 до 500 кГц. Более высокая частота обычно ассоциируется с более высокой интенсивностью звука и лучшими возможностями для его применения.
• Длина волны: обратно пропорциональная частоте. Ультразвуковые волны имеют очень короткие длины волн, от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.
• Интенсивность: измеряется в Вт/м^2 и показывает количество энергии, переносимой ультразвуком через единицу площади. Интенсивность ультразвука может варьироваться от очень низкой до достаточно высокой, чтобы вызвать различные физические эффекты.
• Давление ультразвука: это переменное акустическое давление, возникающее из-за сжатия и расширения среды под воздействием ультразвуковых волн.
• Мощность: определяется как энергия, переносимая ультразвуковыми волнами через единицу площади в единицу времени. Измеряется в ваттах (Вт).

• Направление распространения: может быть продольным (сжатие и растяжение среды) или поперечным (колебания среды перпендикулярны направлению распространения).
• Поляризация: описывает ориентацию колебаний частиц в среде относительно направления распространения ультразвуковых волн. Может быть линейной, круговой или эллиптической.
• Вид модуляции: непрерывные ультразвуковые волны (CW) или импульсные.
• Взаимодействие ультразвука с веществом: зависит от частоты, интенсивности и вида модуляции ультразвука, а также от свойств материала. Может приводить к различным эффектам, таким как кавитация, нагрев, массаж и другие.

Частота ультразвука

Частота ультразвука — это число колебаний звуковых волн в секунду. В отличие от обычного звука, ультразвук имеет частоты выше 20 килогерц, что делает его неслышимым для человеческого уха. Он используется в различных областях, включая медицину, промышленность и науку.

УЗ обладает рядом уникальных свойств, которые делают его привлекательным для применения в разных сферах. Например, он может проходить через некоторые материалы, не вызывая заметных потерь, и может быть сфокусирован в очень узкий луч. Это делает его идеальным для использования в диагностике и терапии, например, в ультразвуковой диагностике (УЗИ) и ультразвуковой терапии.

Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных диапазонов частот, используемых в различных приложениях:

• Ультразвуковая диагностика (медицинское использование): обычно используются частоты от 2 МГц до 15 МГц.
• Ультразвуковые очистители: работают в диапазоне от 25 кГц до 45 кГц, что позволяет очищать мелкие детали без повреждения поверхности.
• Ультразвуковое тестирование материалов: используются частоты от нескольких сотен кГц до нескольких МГц для определения свойств материалов.
• Ультразвуковой контроль сварных швов: применяется частота около 20 МГц для обнаружения дефектов сварных швов.
• Ультразвуковая очистка воздуха: для очистки воздуха от пыли и других загрязнений используются частоты в диапазоне от 50 кГц до 300 кГц.
• Ультразвуковая обработка пищевых продуктов: применяются частоты от 20 до 400 кГц для улучшения качества и продления срока хранения продуктов.
• Ультразвуковое исследование тканей: для исследования тканей используется частота около 10 МГц.

Выбор конкретной частоты ультразвука зависит от конкретного применения и требуемых характеристик.

Скорость ультразвука

Скорость ультразвука — это скорость, с которой ультразвуковые волны распространяются в среде. Ультразвук — это звуковые волны, частота которых превышает 20 килогерц, что находится за пределами слышимости человеческого уха. В связи с этим, для его генерации и приема используются специальные устройства — ультразвуковые преобразователи.

Скорость ультразвука зависит от нескольких факторов, включая свойства среды (например, плотность, вязкость, упругость), частоту ультразвуковых волн и наличие примесей в среде. В общем случае, скорость ультразвука увеличивается с увеличением упругости и плотности среды.

В воздухе скорость ультразвука составляет около 330 метров в секунду, в воде — около 1500 метров в секунду. В мягких тканях организма человека, таких как мышцы и жир, скорость ультразвука варьируется от 1400 до 1600 метров в секунду в зависимости от типа ткани. В костях скорость ультразвука может достигать 4000 метров в секунду и выше.

Знание скорости ультразвука важно для различных медицинских применений, таких как ультразвуковая диагностика, лечение ультразвуком и т.д.

Это позволяет точно определить расстояние между источником ультразвука и исследуемым объектом, а также время, необходимое для прохождения ультразвуковых волн через среду.

Применение ультразвука

Ультразвук широко используется в различных отраслях:

• промышленности,
• медицине,
• косметологии,
• сельском хозяйстве,
• пищевой промышленности,
• электронике,
• науке и исследовании.

Применение ультразвука в природе

Ультразвук в природе окружают нас повсюду, и многие живые существа используют их для коммуникации, навигации и ориентации в пространстве.

Эхолокация

Способность животных определять свое местоположение и ориентироваться в окружающей среде при помощи ультразвука. Многие виды летучих мышей и дельфинов используют ультразвук для обнаружения объектов и определения расстояния до них. Они испускают сигнал, который отражается от объектов и возвращается к ним, позволяя им определить их положение и форму.

Общение

Ультразвуковые сигналы используются животными для общения на больших расстояниях. Некоторые виды птиц и насекомых издают ультразвуковые звуки для привлечения партнеров или предупреждения об опасности.

Обнаружение добычи

Некоторые животные, такие как совы и койоты, используют ультразвуковые волны для обнаружения движений своей добычи. Эти звуки отражаются от движущихся объектов, что позволяет животным определить их местоположение и размер.

Навигация

Некоторые птицы, например, голуби, используют магнитное поле Земли для навигации. Они могут улавливать магнитные поля, создаваемые магнитным полем Земли, при помощи своих ушей. Уши голубей способны воспринимать ультразвуковые колебания магнитного поля Земли, что помогает им ориентироваться и находить дорогу домой.

Ультразвуковая мимикрия

Некоторые виды рыб и насекомых имитируют звуки, издаваемые другими существами, чтобы отпугнуть хищников или привлечь добычу. Например, некоторые виды цикад и сверчков могут генерировать ультразвуковые частоты, которые отпугивают хищников.

Биологическое воздействие

Ультразвук может оказывать влияние на поведение и физиологию живых существ. Например, ультразвук может стимулировать рост растений и микроорганизмов, а также подавлять развитие патогенных бактерий.

В целом, ультразвук играет важную роль в жизни многих животных и растений, помогая им ориентироваться в пространстве, общаться, находить добычу и избегать хищников.

Применение ультразвука в технике

Ультразвук в технике используется для различных целей, таких как:

• Измерение расстояний: Ультразвуковые датчики используются для измерения расстояний, размеров и скоростей объектов. Они работают, посылая звуковые волны и измеряя время, необходимое для возвращения отраженного сигнала.
• Контроль качества материалов: Ультразвуковой метод применяется для оценки степени однородности и прочности материалов. Ультразвуковые волны рассеиваются по-разному в зависимости от структуры материала, что позволяет определить его качество.
• Дефектоскопия: Ультразвуковая дефектоскопия используется для обнаружения внутренних дефектов в материалах, таких как трещины, поры и включения. Это важно для обеспечения надежности и безопасности конструкций.
• Сварка пластмасс: Ультразвук используется для сварки пластмассовых деталей. Он обеспечивает равномерное соединение без перегрева и изменения свойств материала.

• Очистка деталей: Ультразвуковые ванны используются для очистки деталей от загрязнений, таких как масла, жиры и остатки клея. Ванна заполняется специальным раствором, и детали помещаются в нее. Ультразвук создает множество микроскопических пузырьков, которые разрушают загрязнения и облегчают их удаление.
• Обработка материалов: Ультразвуковое воздействие может изменять свойства материалов, такие как прочность, твердость и износостойкость. Это может быть использовано для улучшения качества изделий и повышения их долговечности.
• Производство композитных материалов: Композитные материалы, состоящие из двух или более различных материалов, могут быть изготовлены с использованием ультразвука. Например, в производстве углеродных волокон ультразвук используется для соединения волокон с полимерными связующими материалами.
• Полировка и шлифовка: Ультразвуковые инструменты используются для полировки и шлифовки металлических и неметаллических поверхностей. Они обеспечивают равномерную обработку поверхности с минимальными усилиями со стороны оператора.
• Медицина: Ультразвук также используется в медицине для диагностики и лечения различных заболеваний, таких как рак, болезни сердца и неврологические расстройства.

Чистка ультразвуком

Ультразвуковая чистка — это косметологическая процедура, направленная на очищение и обновление кожи лица.

Она выполняется с использованием специального прибора, который создает ультразвуковые волны высокой частоты (от 20 до 30 кГц). Этот метод подходит для всех типов кожи и не вызывает неприятных ощущений.

Суть процедуры заключается в том, что ультразвуковые колебания создают в коже микровибрации, которые способствуют отделению омертвевших клеток эпидермиса и загрязнений из пор. В результате кожа становится более гладкой, мягкой и сияющей.