초음파란 무엇이며 산업에서 어떻게 사용됩니까?
초음파는 탄성파(탄성력의 작용으로 인해 액체, 고체 및 기체 매체에서 전파되는 파동)라고 하며 주파수는 약 20kHz 이상에서 사람이 들을 수 있는 범위를 벗어납니다.
초기에 초음파와 가청음은 인간의 귀에 의한 인지 여부에 따라서만 구별되었습니다. 다른 사람들의 청력 역치는 7에서 25kHz까지 다양하며 사람이 골전도 메커니즘을 통해 30-40kHz의 주파수로 초음파를 감지한다는 것이 확립되었습니다. 따라서, 통상적으로 초음파 주파수의 하한선이 허용된다.
초음파 주파수의 상한선은 주파수 1013 - 1014Hz, 즉 파장이 고체 및 액체의 분자간 거리와 비슷해지는 주파수까지. 기체에서 이 경계는 아래에 있으며 분자의 자유 경로에 의해 결정됩니다.
초음파의 유용한 기능
그리고 물리적으로 초음파는 가청 소리와 동일한 특성을 갖고 조건적으로만 다를 뿐(더 높은 주파수) 초음파가 여러 가지 유용한 방향에 적용할 수 있는 것은 바로 더 높은 주파수 때문입니다.
따라서 고체, 액체 또는 기체 물질에서 초음파의 속도를 측정할 때 빠른 프로세스를 관찰할 때, 비열(기체)을 결정할 때, 고체의 탄성 상수를 측정할 때 매우 작은 오류가 발생합니다.
탄성파의 에너지가 주파수의 제곱에 비례하기 때문에 낮은 진폭에서 높은 주파수를 사용하면 에너지 흐름의 밀도를 높일 수 있습니다. 또한 올바른 방식으로 사용되는 초음파는 여러 가지 매우 특수한 음향 효과와 현상을 생성할 수 있습니다.
이러한 비정상적인 현상 중 하나는 강력한 초음파가 액체로 향할 때 발생하는 음향 캐비테이션입니다. 액체의 초음파 작용 영역에서 증기 또는 가스의 작은 기포(미소 이하 크기)가 직경 1밀리미터의 분수로 성장하기 시작하여 파동의 주파수와 함께 맥동하고 양압 단계에서 붕괴됩니다.
붕괴하는 기포는 국부적으로 수천 기압에서 측정되는 고압 펄스를 생성하여 구형 충격파의 소스가 됩니다. 이러한 맥동 기포 근처에서 생성된 음향 미세 흐름은 에멀젼 준비, 부품 청소 등에 유용합니다.
초음파를 집속하여 음향 홀로그래피 및 사운드 비전 시스템에서 사운드 이미지를 얻고 사운드 에너지가 집중되어 정의되고 제어된 지향성 특성을 가진 지향성 빔을 형성합니다.
초음파를 빛의 회절 격자로 사용하면 일반적으로 탄성파와 마찬가지로 초음파의 밀도가 주기적으로 변하기 때문에 빛의 굴절률을 다양하게 변화시킬 수 있다.
마지막으로 초음파의 전파 속도와 관련된 특성입니다. 무기 매체에서 초음파는 매체의 탄성과 밀도에 따라 달라지는 속도로 전파됩니다.
즉, 위상 속도는 주파수(분산)에 따라 달라집니다.초음파는 소스에서 파동면의 거리에 따라 감쇠합니다. 흩어지고 흡수됩니다.
매질의 내부 마찰(전단 점도)은 초음파의 고전적 흡수로 이어지며, 더욱이 초음파의 이완 흡수는 고전적 흡수보다 우수합니다. 가스에서는 초음파가 더 강하게 약해지고 고체와 액체에서는 훨씬 약해집니다. 예를 들어 물에서는 공기보다 1000배 느리게 분해됩니다. 따라서 초음파의 산업적 응용은 거의 전적으로 고체 및 액체와 관련이 있습니다.
초음파의 사용
초음파의 사용은 다음과 같은 방향으로 발전하고 있습니다.
- W / cm2 단위에서 수십만 W / cm2의 강도를 갖는 초음파를 통해 주어진 물질 및 물리 화학적 과정 과정에서 돌이킬 수없는 효과를 생성 할 수있는 초음파 기술;
- 전파되는 매질의 상태에 대한 초음파의 흡수 및 속도 의존성에 기반한 초음파 제어;
- 고주파의 초음파 진동이 직선 빔(광선)으로 전파되는 능력을 기반으로 하는 초음파 위치 방법, 신호 지연선, 의료 진단 등은 기하학적 음향 법칙을 따르며 동시에 상대적으로 낮은 속도로 전파됩니다.
초음파는 탄성 및 점탄성 상수, 열역학적 특성, 페르미 표면의 형태, 전위, 결정 격자 결함 등 초음파 연구의 관련 분야는 분자 음향학이라고 합니다.
반향 정위 및 음파 탐지기의 초음파(식품, 방어, 채광)
1912년 러시아 공학자 Shilovsky가 프랑스 물리학자 Langevin과 함께 얼음 블록과 빙산과의 선박 충돌을 방지하기 위해 소나의 첫 번째 프로토타입을 만들었습니다.
이 장치는 음파 반사 및 수신 원리를 사용합니다. 신호는 특정 지점을 향하고 응답 신호(에코)의 지연으로 소리의 속도를 알면 소리를 반사하는 장애물까지의 거리를 추정할 수 있습니다.
Shilovsky와 Langevin은 수중 음향에 대한 심층 연구를 시작했으며 곧 최대 2km 거리에서 지중해의 적 잠수함을 탐지할 수 있는 장치를 만들었습니다. 군용 소나를 포함한 모든 현대 소나는 이 장치의 후예입니다.
바닥 릴리프 연구를 위한 최신 에코 사운더는 송신기, 수신기, 트랜스듀서 및 스크린의 4개 블록으로 구성됩니다.송신기의 기능은 초음파 펄스(50kHz, 192kHz 또는 200kHz)를 수심 깊숙이 보내는 것입니다. 이 펄스는 1.5km/s의 속도로 물을 통해 전파되며 물고기, 돌, 기타 물체에 의해 반사됩니다. 그리고 아래에서 이 에코가 수신기에 도달한 후 변환기가 처리되고 그 결과가 시각적 인식에 편리한 형태로 디스플레이에 표시됩니다.
전자 및 전기 산업의 초음파
현대 물리학의 많은 영역은 초음파 없이는 할 수 없습니다. 고체 및 반도체의 물리학과 음향 전자 공학은 여러 면에서 20kHz 이상의 주파수에서 영향을 미치는 초음파 연구 방법과 밀접하게 관련되어 있습니다. 여기서 특별한 장소는 초음파가 고체 내부의 전기장 및 전자와 상호 작용하는 음향 전자 공학이 차지합니다.
체적 초음파는 정보 처리 및 전송을 위한 최신 전자 시스템의 주파수를 안정화하기 위해 지연선 및 석영 공진기에 사용됩니다.표면 음향파는 텔레비전용 대역 통과 필터, 주파수 합성기, 음파 전송 장치, 메모리 및 이미지 판독 장치에서. 마지막으로, 상관기 및 컨볼버는 작업에서 횡방향 음향 전기 효과를 사용합니다.
라디오전자공학 및 초음파
초음파 지연선은 하나의 전기 신호를 다른 신호에 비해 지연시키는 데 유용합니다.전기 펄스는 전자기 펄스보다 몇 배 더 느리게 전파되는 초음파 주파수의 펄스형 기계적 진동으로 변환됩니다. 그런 다음 기계적 진동이 다시 전기 펄스로 변환되고 원래 입력에 비해 지연된 신호가 생성됩니다.
이러한 변환을 위해 일반적으로 압전 또는 자왜 변환기가 사용되며 지연선을 압전 또는 자왜라고도 합니다.
압전지연선에서는 금속막대에 견고하게 연결된 석영판(압전변환기)에 전기신호를 인가한다.
두 번째 압전 변환기는 막대의 다른 쪽 끝에 연결됩니다. 입력 변환기는 신호를 수신하고 막대를 따라 전파되는 기계적 진동을 생성하며 진동이 막대를 통해 두 번째 변환기에 도달하면 다시 전기 신호가 생성됩니다.
막대를 따라 진동이 전파되는 속도는 전기 신호보다 훨씬 작기 때문에 막대를 통과하는 신호는 전자기 및 초음파 진동의 속도 차이와 관련된 양만큼 입력에 비해 지연됩니다.
자기 변형 지연 라인에는 입력 변환기, 자석, 사운드 와이어, 출력 변환기 및 흡수기가 포함됩니다. 입력 신호는 첫 번째 코일에 적용되고, 초음파 주파수 진동 - 기계적 진동 - 자왜 재료로 만들어진 로드의 음향 전도체에서 시작됩니다. 여기서 자석은 변환 영역 및 초기 자기 유도에서 영구 자화를 생성합니다.
막대에서 진동은 5000m / s의 속도로 전파됩니다. 예를 들어 막대 길이가 40cm이면 지연이 80μs입니다. 막대 양쪽 끝에 있는 감쇠기는 원치 않는 신호 반사를 방지합니다. 자기 왜곡 교란은 두 번째 권선(출력 변환기) EMF의 유도에 변화를 일으킵니다.
제조 산업의 초음파(절단 및 용접)
초음파 소스와 공작물 사이에 연마재(석영 모래, 다이아몬드, 돌 등)를 놓습니다. 초음파는 연마 입자에 작용하여 초음파 주파수로 부품에 충돌합니다. 연마 입자의 수많은 작은 타격의 영향을받는 공작물의 재료가 파괴됩니다. 이것이 가공이 수행되는 방식입니다.
절단은 이송 동작과 함께 추가되며 세로 절단 진동이 주요 진동입니다. 초음파 처리의 정확도는 연마재 입자의 크기에 따라 달라지며 1미크론에 이릅니다. 이러한 방식으로 금속 부품 생산, 연삭, 조각 및 드릴링에 필요한 복잡한 절단이 이루어집니다.
이종 금속(또는 폴리머)을 용접하거나 두꺼운 부품을 얇은 판과 결합해야 하는 경우 초음파가 다시 사용됩니다. 이것은 소위 냉간 초음파 용접... 용접 영역에서 초음파의 영향으로 금속이 매우 가소성이 되고 부품이 어떤 각도에서든 접합하는 동안 매우 쉽게 회전할 수 있습니다. 그리고 초음파를 끄는 것이 좋습니다. 부품이 즉시 연결되고 잡습니다.
특히 용접이 부품의 녹는점보다 낮은 온도에서 수행되고 실제로 연결이 고체 상태로 이루어지지만 강철, 티타늄 및 몰리브덴도 이러한 방식으로 용접됩니다. 얇은 시트는 용접하기 가장 쉽습니다. 이 용접 방법은 부품 표면의 특별한 준비를 의미하지 않으며 금속 및 폴리머에도 적용됩니다.
초음파 검사는 용접 중 금속의 평면형 결함(균열, 침투 부족, 접착력 부족)을 감지하는 데 사용됩니다. 이 방법은 미세 입자 강에 매우 효과적입니다.
야금술의 초음파(초음파 결함 탐지)
초음파 결함 검출 - 탄성, 주로 초음파 진동의 전파 조건 변화에 따른 결함 검출.
초음파 결함 탐지는 금속 부품의 비파괴 품질 관리를 위한 가장 효과적인 방법 중 하나입니다.
균질한 매질에서 초음파는 급격한 감쇠가 없는 방향으로 전파되며 반사는 매질의 경계에서 특징입니다. 따라서 금속 부품 내부의 공극과 균열(공기 대 금속 인터페이스)이 있는지 확인하고 금속 피로 증가를 감지합니다.
초음파는 10m 깊이의 부품을 관통할 수 있으며 감지된 결함의 크기는 5mm 정도입니다. 그림자, 펄스, 공명, 구조 분석, 시각화, — 초음파 결함 탐지의 다섯 가지 방법이 있습니다.
가장 간단한 방법은 초음파 그림자 결함 검출이며, 이 방법은 결함이 초음파 그림자를 생성하기 때문에 부품을 통과할 때 결함을 만났을 때 초음파의 감쇠를 기반으로 합니다.두 개의 변환기가 작동합니다. 첫 번째는 파동을 방출하고 두 번째는 파동을 수신합니다.
이 방법은 민감하지 않으며 그 영향이 신호를 15% 이상 변경하는 경우에만 결함이 감지되며 부품에서 결함이 있는 깊이를 결정할 수 없습니다. 펄스 초음파 방식으로 보다 정확한 결과를 얻을 수 있으며 깊이도 함께 보여줍니다.
방출 및 수신을 위해 탄성 진동이 사용됩니다. 압전 변형기, 소리와 낮은 초음파 주파수 범위에서 — 자왜 변환기.
변환기에서 제어 대상 제품으로 또는 그 반대로 탄성 진동을 전달하는 데 다음 방법이 사용됩니다.
- 비접촉식
- 건식 접촉(주로 저주파용);
- 윤활제와의 접촉(시험 전에 탄성 파장보다 훨씬 작은 두께의 오일 또는 물 층이 제품의 깨끗하게 처리된 표면에 적용됨);
- 제트 접촉(압전 소자와 제품 표면 사이의 작은 틈으로 흐르는 액체 흐름을 통해);
- 침지(통제 제품을 욕조에 담그고 액체 층을 통해 접촉하며, 그 두께는 제품 두께의 1/4 이상이어야 함).
침지, 잉크젯 및 비접촉 방법의 장점은 검색 헤드의 마모가 적고 더 높은 스캐닝 속도를 사용할 수 있으며 관리 자동화 가능성이 있다는 것입니다.
또한보십시오:
물질의 구성 및 특성을 결정하기 위한 센서 및 측정 장치