Лекция №2. Ультразвук. Эходоплерография

Ультразвук – упругая механическая продольная волна, частота которой превышает 20000Гц. В медицине применяется УЗ частотой 1-1,5МГц.

Ультразвуковая волна вследствие высокой её частоты распространяется в виде лучей (из-за малой длины УЗ-волны можно пренебречь её волновыми свойствами). Такие лучи можно сфокусировать с помощью специальных акустических линз и достигнуть, таким образом, большой интенсивности УЗ-волны. Кроме того, поскольку интенсивность волны пропорциональна квадрату частоты и амплитуды колебаний, то высокая частота УЗ-волны даже при малых её амплитудах предопределяет возможность получения УЗ-волн большой интенсивности.

Способы получения ультразвука:

1. магнитострикционный (получают ультразвук до 200кГц). Магнитострикция – это изменение формы и объёма ферромагнетика (железо, его сплавы с никелем) при помещении его в переменное магнитное поле. Переменное магнитное поле – это поле, вектор магнитной индукции которого изменяется во времени по гармоническому закону, т.е. изменение указанного параметра характеризуется определённой частотой. Это поле действует как вынуждающая сила, заставляющая стержень из железа сжиматься и растягиваться в зависимости от изменения величины магнитной индукции во времени. Частота сжатий и растяжений будет определяться частотой переменного магнитного поля. При этом в воздухе у концов стержня возникают деформации сжатия, которые распространяются в виде УЗ – волн.

Увеличения амплитуды УЗ-волн добиваются путём подбора такой частоты переменного магнитного поля, при которой наблюдается резонанс между собственными и вынужденными колебаниями стержня.

2. обратный пьезоэлектрический эффект (получают ультразвук более 200кГц). Пьезоэлектрики – вещества кристаллического строения, имеющие пьезоэлектрическую ось, то есть направление, в котором они легко деформируются (кварц, сегнетова соль, титанат бария и др.) Когда такие вещества помещают в переменное электрическое поле (по гармоническому закону колеблется напряжённость электрического поля), пьезоэлектрики начинают сжиматься и растягиваться вдоль пьезоэлектрической оси с частотой переменного электрического поля. При этом вокруг кристалла возникают механические возмущения – деформации сжатия и разряжения, которые распространяются в виде УЗ-волн. В достижении нужной амплитуды играют роль резонансные явления.

Эффект назван обратным, поскольку исторически раньше был открыт прямой пьезоэлектрический эффект – явление возникновения переменного электрического поля при деформации пьезоэлектриков.

Наличие прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта очень важно для работы УЗ- диагностических приборов. Для того чтобы направить УЗ-волну на тело пациента, необходимо получить её, что делают с помощью обратного пьезоэлектрического эффекта. Для того чтобы зарегистрировать и визуализировать отражённую УЗ-волну, необходимо её превратить в электрическое поле, чего достигают с помощью прямого пьезоэлектрического эффекта.

Особенности распространения УЗ-волн

1) В однородной среде. При прохождении УЗ-волны интенсивностью I через слой вещества шириной её интенсивность уменьшается и становится равной I = I₀·e -αd , где I₀ — начальная интенсивность УЗ-волны; I — интенсивность волны после прохождения через слой вещества, d — ширина слоя вещества, — α коэффициент угасания волны.

Угасание УЗ-волны вызвано двумя процессами: рассеянием энергии в тканях (связано с клеточной неоднородностью органов) и её поглощением (связано с макромолекулярной структурой тканей). Значение коэффициента угасания – важный диагностический признак. Так, печень имеет малый коэффициент угасания УЗ-волн вследствие малого коэффициента рассеяния. При циррозе эта величина резко возрастает.

Поглощение тканями УЗ-волн – основа диагностики состояния внутренних органов по принципу трансмиссии – анализа интенсивности волны, прошедшей через тело пациента, и применения УЗ в терапии и хирургии.

2) На границе двух сред. При попадании УЗ-волны интенсивностью на границу раздела сред происходит отражение волны и поглощение волны.

Часть энергии, которая будет заключена в отражённой волне, зависит от соотношения акустических сопротивлений сред. Так на границе тело пациента- воздух отражается почти 100% энергии. Поэтому, чтобы УЗ-волна попала в тело пациента применяют специальные гели (цель — уменьшить перепад акустического сопротивления сред).

Отражение УЗ волны от неоднородностей и границ внутренних органов – основа диагностики их состояния по принципу эхолокации – анализа интенсивности отражённой УЗ — волны. УЗ – волна, направленная на тело пациента, называется зондирующим сигналом, а отражённая УЗ-волна – эхосигналом.

Отражение УЗ-волн также зависит от размера отражающих структур:

— если размер отражающих структур сопоставим с длинной УЗ-волны, то будет происходить дифракция волн, т.е. огибание волной структуры с последующим рассеянием энергии в тканях и формированием УЗ-тени. Это ограничивает разрешающую способность УЗ-диагностики;

— если размер отражающих структур больше длины УЗ-волны, то последняя будет отражаться, причём интенсивность эхосигнала будет зависеть от направления зондирующего сигнала, формы и размера отражающих структур. Существуют так называемые зеркальные структуры, амплитуда эхосигналов от которых имеет самые большие значения (кровеносные сосуды, полости, границы органов и тканей).

В целом, однако, интенсивность эхосигналов очень невелика, что требует для их регистрации очень чувствительной аппаратуры, но, с другой стороны, определяет проникновение УЗ-волн в более глубоколежащие внутренние структуры и способствует их визуализации.

Применение ультразвука в диагностике

С диагностической целью применяют УЗ-волны малой интенсивности, которые не вызывают биологических эффектов в тканях, — до 0,1 Вт на кв.см.

С помощью УЗ-датчика на основе обратного пьезоэлектрического эффекта получают УЗ зондирующий сигнал и принимают эхосигнал. Последний в датчике в результате прямого пьезоэлектрического эффекта преобразуется в переменное электрическое поле, что позволяет зарегистрировать, усилить и визуализировать эхосигналы с помощью электронной аппаратуры.

По способу регистрации и отражения на экране электронных приборов эхосигналов различают следующие режимы УЗ-сканирования:

— А-режим (amplitude mode). Эхосигналы, преобразованные в датчике в электрическое поле, вызывают вертикальное отклонение луча развёртки в форме пиков, амплитуда которых будет зависеть от интенсивности отражённой УЗ-волны, а местоположение на экране осциллографа – глубину залегания отражающей структуры в масштабе измерительного устройства. Примером использования А-режима в медицине является эхоэнцефалоскопия – методика УЗ-сканирования, используемая в неврологии и нейрохирургии для диагностики объёмных поражений головного мозга (гематом, опухолевых процессов и т.д.). Основные эхосигналы (максимальные по амплитуде) формируются при отражении от черепной коробки в месте расположения датчика, срединных структур, черепной коробки противоположной стороны. Смещение центрального пика в правую или левую сторону может указывать на наличие патологии соответственно левого или правого полушарий мозга.

— В-режим (brightness mode). Эхосигналы, преобразованные в датчике в электрическое поле, вызывают на экране свечение точек разной яркости: чем большее колебание напряжённости электрического поля (что, в свою очередь, зависит от интенсивности эхосигнала), тем более яркое и объёмное пятно образуется на экране измерительного прибора. Для реализации режима используют сложноустроенные датчики УЗ-волн, которые содержат множество элементов, излучающих зондирующие стимулы и преобразующих эхосигналы. Направление зондирующих сигналов также меняется. Электронная аппаратура накапливает данные исследования одного и того же участка тела, полученных с помощью всех элементов датчика и в разных направлениях, и, интегрируя их, формирует изображение исследуемого органа в реальном режиме времени в масштабе измерительного устройства. Таким образом можно получить двумерные эхотомограммы.

— М-режим (motion mode). Позволяет получать эхограммы подвижных структур организма. Как и при осуществлении А-режима, направление зондирующих сигналов остаётся неизменным на протяжении всего времени исследования, однако зондирование осуществляется многократно так, чтобы период формирования М—эхограммы превышал период движения исследуемых структур и период формирования А—эхограммы. Регистрируется изменение глубины залегания подвижной структуры во времени (перемещение луча измерительного устройства вдоль оси х). Амплитуда эхосигналов отображается в виде пятен различной яркости (как в режиме В). При каждом последующем зондировании продольная эхограмма смещается на малую величину в направлении, перпендикулярном оси изображения глубины (времени). Чаще всего в клинике используется эхокардиография.

Взаимодействие ультразвука с веществом. Применение ультразвука в терапии и хирургии.

УЗ характеризуется следующими видами действия на вещество:

— механическое действие. Оно связано с деформацией микроструктуры вещества вследствие периодического сближения и отдаления составляющих вещество микрочастиц. Например, в жидкости УЗ-волна вызывает разрывы её целостности с образованием полостей – кавитаций. Это энергетически невыгодное состояние жидкостей, поэтому полости быстро закрываются с выделением большого количества энергии.

— тепловое действие. Связано с тем, что энергия, заключённая в УЗ-волне и выделяющаяся при закрытии кавитаций, частично рассеивается в тканях в виде тепла, что приводит к их нагреванию.

— физико-химическое действие. Проявляется в ионизации и диссоциации молекул веществ, ускорении химических реакций (например, окисления и восстановления) и т.д.

На комплексном действии механических, тепловых и физико-химических факторов основано биологическое действие УЗ. Это действие будет определяться интенсивностью УЗ-волны.

УЗ малой и средней интенсивности (соответственно 1,5 Вт на кв. см. и 3 Вт на кв.см) вызывают в живых организмах позитивные эффекты, стимулирует протекание нормальных физиологических процессов. Это основа использования УЗ в физиотерапии. УЗ улучшает проницаемость клеточных мембран, активизирует все виды транспорта через мембрану, влияет на скорость протекания биохимических реакций.

Увеличение интенсивности УЗ-волны приводит к разрушающему его действию на клетки. Это используется для стерилизации медицинских помещений путём уничтожения ультразвуком вирусов и клеток бактерий и грибков.

УЗ высокой интенсивности широко используется в хирургии. Некоторые операции проводятся с помощью ультразвукового скальпеля. Они безболезненны, сопровождаются малыми кровотечениями, раны быстрее заживают, в том числе вследствие стерилизации раны УЗ.

Широкое использование имеет УЗ в ортопедии: для проведения некоторых операций на кости применяется УЗ-пилка, УЗ применяется для соединения костей между собой и скрепления с ними костных имплантантов.

Литотрипсия – методика разрушения камней в почках и жёлчном пузыре с помощью направленного действия УЗ волн большой интенсивности.

Эходоплерография

Эффект Доплера – изменение частоты волн, которые воспринимаются приёмником вследствие относительного движения источника волн и приёмника. Для вычисления частоты волн, которые воспринимаются приемником, пользуются формулой:

, где v_приемн – частота волн, воспринимаемых приемником, v_ист – частота волн, испускаемых источником, v₀ – скорость волны, u₀ – скорость движения приемника волн, u_ист – скорость движения источника волн.

Верхние знаки в числителе и знаменателе характеризуют случаи приближения друг к другу источника и приёмника УЗ-волн, а нижние знаки – случаи отдаления источника и приёмника УЗ-волн.

Эходоплерография – методика исследования скорости кровотока и движения подвижных структур организма (сердце и сосуды), основанная на применении эффекта Доплера.

В мягкие ткани с помощью неподвижного датчика излучается УЗ-волна определённой частоты ν , после чего регистрируют эхосигналы, отражённые от подвижных элементов (главным образом, от эритроцитов крови) и имеющие вследствие эффекта Доплера частоту ν«.

Доплеровский эффект наблюдается дважды:

— сначала датчик является источником волн частотой ν, а эритроцит – приёмником. Вследствие движения эритроцит воспримет волну частотой ν`.

— эритроцит отразит попавшую на него УЗ-волну частотой ν`, но датчик, к которому вернётся эхосигнал, вследствие подвижности эритроцита воспримет его частотой ν«.

Диагностическим признаком является разность Δν = ν — ν« , которая называется доплеровским сдвигом частоты. Эта разность зависит от скорости движения эритроцитов, т.е. и скорости кровотока в целом.

Доплеровский сдвиг частот находиться в звуковом диапазоне и может быть услышан опытным врачом с помощью специальных приспособлений. Существуют и более современные методы визуализации доплеровского сдвига частот.

Источник

ЭЛЕКТР О ТЕХНОЛОГИЯ

электронный учебно-методический комплекс

Содержание

Лекция 8

Природа ультразвука. По своей физической природе ультразвук (УЗ), так же как и слышимый звук, представляет собой упругие колебания и волны, т.е. чередующиеся во времени процессы механического сжатия и разрежения, распространяющиеся в твердой, жидкой и газообразной средах.

От слышимого звука ультразвук отличается лишь частотой. Слышимый звук охватывает диапазон частот от 16 Гц до 15. 20 кГц, а ультразвук — область неслышимых частот от 15. 20 кГц до 10 9 Гц.

Основные параметры ультразвука. Частицы среды, в которой распространяется УЗ, периодически колеблются около положения равновесия. Приближенно можно считать, что колебания частиц совершаются во времени по синусоидальному закону с амплитудой смещения А.

Сгущения и разрежения, которые образуются в среде при прохождении в ней упругой волны, добавочно изменяют давление по отношению к среднему (статическому). Эта добавочная переменная часть давления называется звуковым давлением. Его амплитуда, Па:

P зм =2πρcfА,

(8.1)

где ρ — плотность среды, кг/м 3 ; c — скорость распространения упругой волны (скорость звука), м/с; f-частота колебании, Гц; А — амплитуда смещения, м.

Величина ρс — важнейшая акустическая характеристика среды. Ее называют волновым сопротивлением.

При распространении ультразвуковой волны в среде происходит перенос энергии. Энергию волны, проходящую в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную распространению волны, называют интенсивностью ультразвука, Вт/м 2 :

І=p 2 /2ρc=2ρcπ 2 f 2 A 2 .

(8.2)

Закономерности распространения ультразвука. По мере распространения ультразвуковой волны в среде ультразвук поглощается, т.е. его энергия переходит в другие виды энергии, в частности в теплоту. Интенсивность плоской звуковой волны, распространяющейся вдоль оси х, убывает с расстоянием как е -2αx , где α — коэффициент поглощения звука, м -1 .

При переходе УЗ-вой волны из одной среды в другую, если их волновые сопротивления не равны, часть энергии волны отражается от границы раздела двух сред обратно в первую среду, а остальная часть проходит во вторую среду. Отношение интенсивности отраженной волны к интенсивности падающей, называемое коэффициентом отражения k o , зависит от волновых сопротивлений сред:

,

(8.3)

При переходе УЗ-вой волны из твердого тела в воздух коэффициент отражения близок к единице. Например, при движении УЗ-вой волны из никеля в воздух k o =0,99996, т.е. УЗ в воздух практически не проходит. Существенно меньшая часть энергии УЗ отражается от границы «твердое тело — жидкость». Например, при движении УЗ-вой волны из никеля в воду k o = 0,88613. Поэтому УЗ-вая обработка проводится с использованием промежуточной рабочей жидкости, с которой контактируют как излучатель УЗ, так и обрабатываемый объект.

Основные эффекты ультразвука. Эффекты, которые может вызвать УЗ в среде, делятся на первичные и вторичные.

Первичные эффекты имеют механическую природу. К этим эффектам относятся уже упоминавшиеся ранее звуковое давление, поглощение УЗ, а также кавитация и другие явления.

Кавитация состоит в том, что в жидкости в фазе разрежения образуются разрывы или полости, которые захлопываются в фазе сжатия, вызывая мгновенные пики давления, достигающие десятков мегапаскалей.

Вторичные эффекты УЗ являются следствием первичных и имеют различную природу. Выделяют четыре группы вторичных эффектов.

1. Механические эффекты. К ним относят ультразвуковую коагуляцию (сближение и последующее слипание взвешенных в газе или жидкости мелких частиц), дегазацию (уменьшение содержания газа в жидкости), диспергирование (тонкое измельчение твердых или жидких веществ в какой-либо среде) и другие явления.

2. Тепловой эффект — нагревание среды из-за поглощения энергии ультразвуковых волн.

3. Химические эффекты — изменение скорости протекания или возникновение определенных химических реакций под действием УЗ.

4. Биологические эффекты — явления, возникающие в биологических тканях при прохождении через них УЗ-вых волн. Ультразвуковые колебания частиц среды создают своего рода микромассаж тканей и там, где ультразвук поглощается, ткани нагреваются. Кроме того, в тканях происходят физико-химические превращения. При малых интенсивностях УЗ перечисленные явления способствуют жизнедеятельности биологического объекта за счет улучшения обмена веществ. При больших интенсивностях УЗ биологические ткани разрушаются под действием сильного нагревания и кавитации.

На рисунке 8.1 показана наиболее распространенная схема генерирования УЗ. Рассмотрим отдельные элементы этой схемы.

Генераторы ультразвуковой частоты (ультразвуковые генераторы) — это устройства, предназначенные для преобразования электрической энергии переменного тока промышленной частоты в электрическую энергию переменного тока высокой частоты, равной частоте УЗ. Ультразвуковые генераторы (УЗГ) в зависимости от типа преобразовательного устройства делятся на машинные, ламповые и полупроводниковые (транзисторные и тиристорные). УЗГ в основном выполняют на полупроводниковых приборах, причем чаще всего на транзисторах (табл. 8.1).

Принципиальные электрические схемы УЗГ сходны со схемами высокочастотных установок для диэлектрического нагрева.

Рис. 8.1. Блок-схема генерирования ультразвука: 1- генератор ультразвуковой частоты; 2 — электроакустический преобразователь; 3 — акустический трансформатор.

Основные технические данные некоторых УЗГ

Марка генератора	Тип преобразо- вательного устройства	Мощность, потребля- емая из сети, кВт	Выходная мощность (под водимая к электро- акустическому преобразо- вателю), кВт	Рабочая частота, кВт
УЗГ 1-0,04/22 УЗГ 4-0,1 УЗГ 1-0,25 УЗГ 3-0,4/22 УЗГ 5-0,63 УЗГ 10-1,6 УЗГ 2-4 УЗГ 1-10/22 УЗГ 2-25/22	Транзисторное То же » « » « » « » « Тиристорное То же » «	0,09 0,15 0,4 0,8 1,2 2 5,7 12 34	0,04 0,1 0,25 0,4 0,63 1,6 4 10 25	22 18 18 22 18; 22 18 18; 22 18; 22 18; 22

Электроакустические преобразователи — это устройства, преобразующие электрическую энергию переменного тока в энергию колебаний твердого тела (стержня, пластинки и т.п.). Из электроакустических преобразователей наиболее распространены магнитострикционные и пьезоэлектрические.

Магнитострикционные преобразователи. Если стержень из ферромагнитного материала поместить в направленное вдоль него магнитное поле, то длина стержня изменится, причем в зависимости от материала стержень может как укоротиться, так и удлиниться. Это явление называется прямым магнитострикционным эффектом. Существует и обратный магни-тострикционный эффект: изменение намагниченности ферромагнетика при его деформации. Прямой магнитострикционный эффект используется в излучателях УЗ, а обратный-в приемниках УЗ.

Рис.8.2 . Схема двухстержневого магнитострикционного преобразователя: 1-сердечник (пакет из пластин магнитострикционного материала); 2-обмотка; стрелка показывает направление деформации сердечника.

На рисунке 8.2 показана схема двухстержневого магнитострикционного преобразователя, широко применяющегося в ультразвуковой технологической аппаратуре. По обмотке преобразователя пропускают переменный ток с частотой, равной частоте УЗ. Этот ток создает в сердечнике переменное магнитное поле. Под действием периодического намагничивания стержни сердечника периодически изменяют свою длину, и колеблющиеся торцы сердечника возбуждают в окружающей среде ультразвуковую волну.

Для изготовления сердечников преобразователей наиболее широко применяют никель и пермендюр (сплав, содержащий 49 % железа, 49 % кобальта и 2 % ванадия), обладающие высокой магнитострикцией.

Магнитострикционные преобразователи работают при сравнительно небольших частотах (до 100. 200 кГц), так как с увеличением частоты растут потери на гистерезис и вихревые токи.

Основные преимущества магнитострикционных преобразователей: более высокая механическая прочность и надежность; значительные относительные деформации, за счет чего можно получить сравнительно большие акустические мощности; устойчивость к коррозии.

Промышленность выпускает Магнитострикционные преобразователи серий ПМС и ПМ. Их рабочая частота равна, как правило, одному из трех стандартных значений: 18, 22 и 44кГц, потребляемая мощность составляет 0,4. 4 кВт, напряжение питания — 220 и 440 В. Интенсивность ультразвука у магнитострикционных преобразователей может достигать 200 кВт/м 2 и более. Пьезоэлектрические преобразователи. При сжатии и растяжении в определенных направлениях некоторых кристаллов на их поверхности появляются электрические заряды, обусловленные поляризацией. Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и используется в приемниках УЗ. Обратный пьезоэлектрический эффект (деформация кристаллов под действием электрического поля) применяют в излучателях УЗ. Пьезоэлектрические преобразователи часто выполняют в виде изготовленной из пьезоэлектрического материала пластинки с нанесенными на ее большие грани электродами. К электродам подводится переменное напряжение от генератора ультразвуковой частоты. При изменении приложенного электрического поля пластинка изменяет толщину и излучает УЗ в окружающую среду.

В качестве пьезоэлектрических материалов используют кристаллы кварца, сегнетовой соли, а также искусственно получаемую пьезокерамику: титанат бария и цирконат-титанат свинца.

Пьезоэлектрические преобразователи способны работать на очень высоких частотах (вплоть до десятков МГц) ввиду того, что пьезоэлектрический эффект является практически безынерционным и не связан с потерями на гистерезис. Однако они могут развивать относительно небольшую мощность (обычно не более сотен ватт) из-за низкой механической прочности пьезоэлектрических материалов. Напряжение питания составляет 50. 400 В для пъезокерамики и 2. 20 кВ для кварца, интенсивность УЗ достигает 100 кВт/м 2 .

Пьезоэлектрические преобразователи применяют в основном в ультразвуковой информационно-измерительной технике.

Акустические трансформаторы предназначены для усиления колебаний магнитострикционного преобразователя (трансформаторы скорости) и для согласования механического сопротивления технологической нагрузки с сопротивлением пакета преобразователя (трансформаторы сопротивления). Трансформаторы скорости называются концентраторами.

Концентратор представляет собой стержень переменного сечения, присоединяемый к пакету преобразователя более широким торцом. Меньший торец концентратора подводит колебания к технологической среде. Энергия концентрируется благодаря уменьшению площади сечения. Концентраторы могут усиливать амплитуду ультразвуковых колебаний в 10. 15 раз и доводить ее до 50мкм.

Наиболее распространены технологические процессы, связанные с воздействием УЗ на жидкость. Поскольку в этих процессах основную роль играет ультразвуковая кавитация, то для них используют, как правило, низкие частоты (18. 44 кГц), на которых кавитация наступает при относительно невысоких интенсивностях УЗ.

Рассмотрим примеры технологического использования УЗ в основных направлениях, представляющих интерес для сельскохозяйственного производства.

Применение УЗ в процессах, основанных на тепломассообмене. Ультразвук используют для очистки поверхностей твердых тел (деталей, сборочных единиц, изделий) от загрязнения. Предметы, подлежащие очистке, помещают в ванну, заполненную моющим раствором. Электроакустический преобразователь встраивают в дно или стенки ванны либо погружают в раствор. Параметры процесса: f=18. 44 кГц, I=2,5. 100 кВт/м 2 , время очистки — от десятков секунд до десятков минут.

Кавитационные пузырьки, играющие основную роль в процессе УЗ-вой очистки, проникают под пленку загрязнения, разрывают и отслаивают ее.

Применение ультразвука позволяет значительно ускорить процесс очистки; повысить ее качество (например, при прополаскивании деталей на их поверхности остается до 88 % загрязнения, при вибрационной очистке — около 55%, при ручной — около 20%, а при УЗ-вой — не более 0,5 %); исключить вредный ручной труд; заменить дорогие токсичные либо пожароопасные растворители водой или дешевыми водными растворами.

Ультразвуковую очистку применяют перед ремонтом, сборкой, окраской, хромированием, никелированием и другими операциями. Особенно эффективно УЗ применять для очистки деталей, имеющих сложную форму и труднодоступные места (узкие щели, прорези, маленькие отверстия и т.д.). УЗ можно использовать и для мытья доильной аппаратуры и молочной посуды.

Промышленность выпускает большое число установок для ультразвуковой очистки, различающихся конструктивными особенностями, вместимостью ванн, мощностью УЗ (табл. 8.2).

Основные технические данные некоторых ультразвуковых очистных установок универсального назначения

Ультразвук можно использовать также и для других процессов, связанных с тепломассообменом: сушки материалов, пропитки пористо-капиллярных материалов жидкостью (например, при пропитке электрической изоляции лаком, при ощелачивании соломы) и т.д.

Применение УЗ для размерной обработки твердых хрупких материалов. Сущность этой обработки состоит в том, что между инструментом 2 (рис. 8.3), колеблющимся с частотой 18. 44 кГц и амплитудой 10. 60 мкм, и обрабатываемой поверхностью заготовки 1 подаются взвешенные в воде зерна абразива 3. Инструмент периодически ударяет по зернам абразива, которые выкалывают микрочастицы с поверхности заготовки. Поскольку инструмент прижимается к обрабатываемой поверхности, то на ней постепенно образуется углубление, копирующее форму рабочей части инструмента. Таким образом осуществляется соответствующая операция: вырезание, прошивание, сверление и т. п.

Ультразвуковая размерная обработка в отличие от электроэрозионной пригодна для обработки как проводящих, так и диэлектрических материалов. Наиболее эффективна ультразвуковая обработка при изготовлении деталей и отверстий сложной формы в изделиях из твердых хрупких материалов (стекло, керамика, алмаз, германий, кремний и др.), обработка которых другими методами затруднена.

Рис. 8.3. Схема ультразвуковой размерной обработки материалов: 1 — обрабатываемая поверхность заготовки; 2 — инструмент, колеблющийся с ультразвуковой частотой; 3 — зерна абразива, взвешенные в воде.

Применение УЗ для соединения материалов. Ультразвук можно успешно применять для пайки и сварки металлов.

Ультразвуковая пайка отличается от обычной тем, что жало паяльника жестко связано через концентратор с электроакустическим преобразователем и совершает колебания с частотой 18. 44 кГц и амплитудой 3. 20 мкм. Ультразвуковые колебания вызывают в расплавленном припое кавитацию, которая способствует разрушению окисной пленки на поверхности металла. Чистый металл, обнажившийся при этом, облуживается. Ультразвук позволяет проводить пайку легкоокисляющихся металлов (например, алюминия) без специальных флюсов и повышает качество соединений. Для ультразвуковой пайки применяют устройства различной мощности (от 0,01 до 0,6 кВт): УП-21, УЗУП-2, УЗП 2-0,025 и др.

Ультразвуковая сварка . При ультразвуковой сварке металлов соединяемые детали прижимаются одна к другой под действием относительно небольшой силы, направленной нормально к поверхности их соприкосновения. По касательной к этой поверхности направлены ультразвуковые колебания, которые разрушают пленку окиси на поверхности деталей и вызывают в зоне сварки состояние пластичности или текучести. При этом под действием нормальной силы детали соединяются.

Сварка происходит без заметного нагрева металла, вследствие чего его структура в зоне сварки изменяется мало. Ультразвук можно использовать для сварки листов очень малой толщины (доли миллиметра), при этом требования к чистоте поверхности снижены. Эксплуатируются различные типы ультразвукового оборудования для сварки металлов мощностью 0,1. 4 кВт; машины МТУ и сварочные клещи КТУ для точечной сварки, машины МШУ для шовной сварки и т.д.

Применение УЗ для диспергирования и коагуляции. Используются следующие виды ультразвукового диспергирования: образование суспензий (измельчение твердых тел в жидкости), жидких аэрозолей (распыление жидкостей в воздухе) и эмульсий (получение мелких капелек одной из взаимно нерастворимых жидкостей в среде другой).

Для получения эмульсий выпускают смеситель-эмульгатор УГС-10 и другие аппараты. Ультразвуковое эмульгирование может быть использовано, например, при смешивании рыбьего жира с водой для выпаивания его животным и птицам.

Ультразвук применяют также для гомогенизации молока (раздробления жировых шариков в молоке с целью повышения его сохранности и усвояемости), борьбы с накипеобразованием и для других целей.

Применение УЗ при восстановлении изношенных деталей. Работы, проведенные в ЧИМЭСХ (под научным руководством И. Е. Ульмана и М. В. Авдеева), а также в других сельскохозяйственных вузах и НИИ, показали возможность применения ультразвука для повышения качества восстановления деталей методами вибродуговой наплавки и наплавки под слоем флюса. Ультразвуковые колебания в расплавленный металл могут вводиться как через дополнительный присадочный материал, так и через основной материал детали. Воздействие ультразвука вызывает дегазацию жидкого металла, в результате чего значительно (в 3. 5 раз) снижается такой характерный для наплавки дефект, как пористость наплавленного металлического слоя. Под действием ультразвука снижается степень технологического коробления наплавляемых удлиненных деталей, например коленчатых валов. Ультразвуковое воздействие оказалось эффективным и для упрочнения рабочей поверхности восстанавливаемых деталей после их наплавки. Упрочнение достигается за счет пластического деформирования поверхности инструментом, колеблющимся с ультразвуковой частотой.

Ультразвук используют для пастеризации молока, предпосевной обработки семян с целью ускорения их прорастания и повышения урожайности, стерилизации молока и других жидких пищевых продуктов, лечения животных, отпугивания грызунов от сельскохозяйственных помещений и т. д.

Установлено, что ультразвук интенсивностью 1. 12 кВт/м 2 и частотой от сотен килогерц до нескольких мегагерц можно эффективно использовать для профилактики и терапии болезней глаз, суставов, костей, маститов, раневых инфекций, фурункулеза и других болезней. В ветеринарной практике применяют ультразвуковые аппараты УРСК-7Н, УТС-1, ВУТ-1 и др.

Использование ультразвука для получения информации.

Применение ультразвука для получения информации основано на анализе ультразвукового сигнала, прошедшего через исследуемый объект или отраженного от него. В качестве приемника ультразвука чаще всего применяют пьезоэлектрические преобразователи. Методы получения информации при помощи ультразвука можно разделить на две группы.

Методы, основанные на измерении затухания и скорости распространения ультразвуковых волн в среде. Коэффициент поглощения α и скорость звука с зависят от состава и свойств среды. Эта зависимость может быть использована, например, при построении влагомеров для различных сельскохозяйственных материалов; для определения содержания белка и жира в молоке; для контроля концентрации моющих растворов, применяемых при ремонте сельскохозяйственной техники и т. д.

Методы, основанные на отражении ультразвуковых волн от границы раздела двух сред, применяют в таких областях, как гидролокация (определение положения подводных объектов), дефектоскопия, медицинская и ветеринарная диагностика и др.

В качестве примера использования ультразвука в ветеринарной диагностике можно привести прибор «Су-пор-БМ», предназначенный для раннего определения супоросности у свиней. Принцип действия прибора основан на следующем. Головка излучателя УЗ через слой контактной смазки соприкасается с поверхностью кожи животного. Ультразвуковые волны проникают внутрь тела и распространяются в нем узким пучком. Если свинья супоросная, то в ее матке накапливается жидкость, что сказывается на отражении ультразвукового луча. Прибор работает на частоте 2 мГц. Ценность такого прибора для практики заключается в том, что раннее определение супоросности позволяет экономить корм и снижать затраты рабочего времени на содержание животных.

Аналогичные приборы можно использовать и для прижизненного определения толщины жирового слоя и мышц у свиней.

В технологических процессах магнитные поля обычно используют с индукцией до 4 Тл. Такие поля получают главным образом при помощи электромагнитов и постоянных магнитов.

Постоянные магниты изготовляют путем предварительного намагничивания магнитно-твердых материалов, т. е. таких материалов, которые после устранения намагничивающего поля способны сохранять большую магнитную индукцию. Широко применяют постоянные магниты, выполненные из ферритобариевых сплавов, сплавов магнико (Fe — Ni — А1 — Co — Cu), ални (Fe — Ni — А1- Cu) и др.

Постоянные магниты по сравнению с электромагнитами дешевле и проще по конструкции, не требуют электропроводки и источников электропитания, безопасны в пожарном отношении. При их использовании магнитное поле не может внезапно исчезнуть. Основные недостатки постоянных магнитов заключаются в затруднительности регулирования магнитной индукции и ослаблении магнитного поля с течением времени. Последнее обстоятельство вынуждает периодически намагничивать постоянные магниты.

Разновидностью постоянных магнитов являются магнитофоры. Их изготовляют путем формовки смеси из вяжущих веществ (цемента, каучука, смолы и др.) и порошкообразных ферромагнитных наполнителей (оксидных или металлических сплавов). Изделия, полученные таким образом, намагничивают в специальных режимах, после чего на поверхности изделий (магнитофоров) оказывается «записанным» магнитное поле с любыми заданными конфигурацией и числом пар магнитных полюсов на единицу площади.

На частицу, помещенную в неоднородное магнитное поле, действует сила F м , Н, которую при достаточно малых размерах частицы можно рассчитать по выражению

F м =μ 0 x 0 VHgrad,

(8.4)

где x 0 — магнитная восприимчивость частицы; V- объем частицы, м 3 ; Н — напряженность магнитного поля, А/м.

,

(8.5)

где x 0 — магнитная восприимчивость вещества; N — коэффициент размагничивания.

x=μ r 1,

(8.6)

здесь μ r — относительная магнитная проницаемость вещества.

,

(8.7)

Здесь υ — отношение длины частицы к ее диаметру.

Для ферромагнитных материалов x может быть в сотни тысяч раз больше, чем для парамагнитных (и тем более диамагнитных). Это различие, сказывающееся соответствующим образом и на значении силы F м , положено в основу магнитной сепарации (разделения) материалов, отличающихся магнитной восприимчивостью.

В сельскохозяйственном производстве магнитную сепарацию применяют для очистки семян культурных растений от семян сорняков и для очистки кормов от ферромагнитных примесей.

Магнитная очистка семян. Ее принцип рассмотрим на примере электромагнитной семяочистительной машины ЭМС-1А, предназначенной для выделения семян сорняков с шероховатой поверхностью (повилика, плевел, подорожник, смолевка, василек, горчак розовый и др.) из семян клевера, люцерны, льна и других мелкосемянных культур, имеющих гладкую поверхность.

Семена предварительно обрабатываются магнитным порошком. Порошок хорошо пристает к шероховатой поверхности семян сорняков и не пристает к гладкой поверхности семян культурных растений. Семена, обработанные порошком, поступают на поверхность вращающегося барабана, изготовленного из неферромагнитного материала (латуни). Внутри барабана находится электромагнит, полюсы которого занимают примерно половину окружности сверху донизу. Семена сорняков, покрытые порошком, и излишки порошка притягиваются к поверхности барабана и сбрасываются внизу под барабаном. Семена культурного растения, не покрытые порошком, свободно падают с барабана, не достигнув его нижней части.

Условие удержания семени сорняка на поверхности барабана в нижней части последнего имеет вид

F м >F ц +F g cosβ,

(8.8)

где F ц и F g — центробежная сила и сила тяжести, действующие на семя; β — угол между направлением центробежной силы и вертикальной осью. Силы F ц и F g определяют из выражений (16.18) и (16.19).

Производительность ЭМС-1А на очистке семян клевера — 180. 250 кг/ч, суммарная установленная мощность 3,1 кВт (в том числе электропривод 2,2 кВт; селеновый выпрямитель для питания электромагнита 0,9 кВт), частота вращения барабана 42. 43 об/мин, расход магнитного порошка 1. 2,5 % от массы очищаемых семян.

Предусматривается замена машины ЭМС-1А на новую машину аналогичного назначения СМЩ-0,4 мощностью 2,6 кВт и производительностью на очистке семян клевера 400 кг/ч, льна — 500 кг/ч.

Магнитная очистка кормов — важная составная часть технологического процесса кормоприготовления, так как металлические включения в кормах (кусочки проволоки, гвозди, гайки, болты и т. п.) вызывают поломки измельчающих машин, а также, проникая в организм животных, снижают продуктивность последних и могут быть причиной их травм и даже гибели.

Рис. 8.4. Электромагнитный сепаратор грубых кормов: 1 — электромагнит подвесного типа; 2 — кормовая масса; 3 — немагнитный барабан; 4 — транспортерная лента конвейера; 5 — металлические включения.

На предприятиях комбикормовой широко используют магнитные сепараторы, выделяющие ферромагнитные примеси из зерна и продуктов его измельчения, из мучнистого сырья и комбикормов. В кормоцехах животноводческих комплексов начинают применять магнитную очистку стебельчатых кормов (сена, соломы, сенажа). В МИИСП разработан электромагнитный сепаратор грубых кормов. В сепараторе (рис. 18.1) использован серийный электромагнит постоянного тока М-22 В, подключенный к сети через выпрямительный мост и имеющий установленную мощность 2,2 кВт. При скорости транспортерной ленты конвейера 1,5 м/с, угле наклона магнитной системы 45° и зазоре между немагнитным барабаном и полюсами электромагнита 0,2 м обеспечивается 100 %-ное извлечение ферромагнитных примесей из стебельчатых кормов при их подаче 40 т/ч.

Наиболее изучено физико-химическое действие магнитного поля на водные системы, в частности магнитная обработка воды с целью уменьшения образования накипи.

При магнитной обработке вода пропускается через зазор магнита. После прохождения воды через магнитное поле соли жесткости в основном теряют способность кристаллизоваться на рабочей поверхности теплообменного аппарата и выпадают в виде взвешенных частиц (шлама), легко уносимых потоком воды и улавливаемых в дальнейшем шламоотделителем. Та накипь, которая все же отлагается на стенках аппарата, имеет более рыхлую структуру и значительно меньшую толщину, чем накипь, образующаяся из необработанной воды, и поэтому легко очищается.

Рис. 8.5. Аппарат для магнитной обработки воды ПМУ-1: 1 — нижняя крышка; 2 — гайка; 3 — полюсные наконечники; 4 — постоянный магнит; 5 — чугунный стакан (магнитопровод); 6 — прокладка; 7 — отверстие в дне стакана; 8 — верхняя крышка.

По истечении определенного времени вода теряет приобретенные свойства, и ее способность к накипеобразованию становится такой же, как и у необработанной воды. Поэтому время между магнитной обработкой воды и ее поступлением в теплообменный аппарат должно быть не более 1. 4 ч.

Магнитная обработка воды с целью уменьшения накипеобразования эффективна лишь тогда, когда концентрация растворенной в ней свободной двуокиси углерода СО 2 меньше так называемой равновесной концентрации. В этом случае вода перенасыщается по карбонату кальция СаСО 3 (основному накипеобразователю) и становится склонной к образованию его кристаллов. Поэтому эффект противонакипной магнитной обработки воды зависит от времени года. Летом обработка более эффективна, чем зимой, так как потребление СО 2 растениями зимой сокращается.

Рядом экспериментальных исследований установлено, что противонакипный эффект магнитной обработки связан с наличием в воде ферромагнитных примесей (оксидов железа и их гидратов), частички которых в магнитном поле, по-видимому, слипаются и служат затравочными центрами кристаллизации солей жесткости непосредственно в объеме воды, а не на теплообменных поверхностях.

Для магнитной обработки воды предложено более семидесяти различных конструкций аппаратов. Некоторые из них выпускают серийно [32]. Наиболее часто используют аппараты с постоянными магнитами, например аппараты ПМУ. Аппарат ПМУ-1 (рис. 18.2) состоит из трех — пяти однотипных, последовательно соединенных чугунных секций. Кольцевой зазор между постоянными магнитами и корпусом составляет 2,5 мм, напряженность магнитного поля — 88. 143 кА/м, скорость воды — 1. 2 м/с, объемный расход воды — 2. 7 м 3 / ч.

Область возможного применения магнитной обработки воды в сельском хозяйстве не ограничивается, однако, борьбой с накипеобразованием. Результаты некоторых исследований свидетельствуют о том, что магнитная обработка воды способна давать положительный эффект при орошении посевов (урожайность различных сельскохозяйственных культур повышается на 6. 40%), предпосевном замачивании семян (урожайность сахарной свеклы и риса повышается на 7. 16%), рассолении почв (расход промывной воды сокращается на 30. 50 %, вымывание солей увеличивается в 1,2. 2 раза) и т. д.

Общепринятой теории, которая строго объясняла бы механизм воздействия активированной в магнитном поле воды на различные объекты, еще не создано. Это затрудняет объяснение нестабильности получаемых результатов и расчет конструкций применяемых аппаратов. Отсутствие теоретического обоснования магнитной обработки водных систем сдерживает ее широкое применение в сельском хозяйстве еще и потому, что сама возможность изменения физико-химических свойств воды после пребывания в магнитном поле ставится некоторыми учеными — представителями фундаментальных наук — под сомнение исходя из соображений именно теоретического характера.

1. Перечислите основные параметры ультразвука

2. Как проявляется действие ультразвука на физические и биологические объекты?

3. Объясните принцип действия ультразвуковых преобразователей.

4. В каких технологических процессах используют ультразвук?

5. Объясните принцип действия магнитных сепараторов.

6. Какие технологические процессы выполняют, используя магнитные поля?

7. С какой целью и каким образом воду обрабатывают магнитным полем?

© ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2006
© Центр дистанционного обучения КрасГАУ, 2006

Источник