Neišsemiamos ultragarso galimybės: nuo gręžimo iki suvirinimo (Foto) (0)

2012-05-21

Jei dėl kokių nors priežasčių dujų, skysčių ar kietų kūnų dalelės bus išvestos iš pusiausvyros padėties, tai dėl sąveikos su kitomis dalelėmis atsiradusios tamprumo jėgos stengsis jas grąžinti į pusiausvyros padėtį. Dėl šios priežasties dalelės pradės virpėti apie pusiausvyros padėtį, kartu priversdamos virpėti ir kaimynines daleles, šios savo ruožtu tolimesnes. Tamprumo jėgų sukeltų svyravimų plitimas aplinka vadinams bangavimu.

Virpesių kurių dažnis mažesnis už 20 Hz žmogus negirdi. Tai infragarsas. Gamtoje šio dažnio bangos atsiranda banguojant jūrai, gyvojoje gamtoje infragarsą tarpusavio bendravimui naudoja drambliai. Žmonės girdi bangos kurių dažni yra nuo 20 Hz iki 16...20 kHz. Jos vadinamos girdimuoju garsu. Virpesiai kurių dažnis nuo 16...20 kHz iki 108 Hz vadinami ultragarsu, o virpesiai kurių dažnis didesnis už 108 Hz – hipergarsu.

Aplinkose tiek garsiniai tiek ultragarsiniai virpesiai sklinda beveik tuo pačiu greičiu. Tačiau ultragarsinių bangų dažnis yra žymiai didesnis, todėl jų bangos ilgis lyginant su garsinėmis bangomis yra daug trumpesnis. Tokios ultragarsinės bangas (trumpesnes už 1...10 mm), taikant nesudėtingas technines priemones galima fokusuoti, nukreipti spinduliavimo energiją reikiama kryptimi ir sukaupti ją reikiamame tūryje.

Ultragarsinės bangos gali sklisti įvairiose medžiagose (skaidriose ir neskaidriose, laidininkuose, dielektrikuose ir t.t.). Tai leidžia ultragarsines bangas panaudoti polimerų, metalų, skysčių, dujų ir kitų medžiagų savybių tyrimui ir poveikiui joms.

Ultragarsinių virpesių, sklindančių aplinkose, galia proporcinga jų dažnio kvadratui. Todėl jų galia lyginant su garsiniais signalais yra labai didelė. Ultragarsinių virpesių galia gali siekti šimtus kilovatų, o jų intensyvumas (energija praeinanti per laiko vienetą pro ploto vienetą) – 1...1000W/cm2. Esant tokiems intensyvumams medžiagose sklinda didelės galios mechaninių svyravimų enegija. Skilindant tokiai ultragarsinei bangai, medžiagose atsiranda garsinio slėgio perkričiai siekiantys dešimtis ar net daugiau Mpa. Be to šis slėgis keičiasi virpesių dažniu, tai yra jis per sekundę pakinta ne mažiau 20 tūkstančių kartų. Galimybė ultragarsu perduoti didelius energijos kiekius į medžiagas, leidžia padidinti daugelio įvairių technologinių procesų efektyvumą, gauti naujas medžiagas, spręsti eilę technologinių procesų. Keletą jų apžvelgsime šiame straipsnyje. Veikiant didelio intensyvumo ultragarsinėmis bangomis kietus kūnus, galima realizuoti technologinius procesus kurie tradiciniais būdais atlikti neįmanomi arba sunkiai įmanomi. Sakykime, jums reikia išgręžti skylę stiklę. Ne gana to, ji dar turi būti tam tikros formos ir tikslių matmenų. Daugelis sakysite, kad tai neįmanoma. Tačiau panaudojus ultragarsą ši problema išspendžiama nesunkiai.

Tam mums reikės turėti didelės galios ultragarsinį generatorių ir ultragarsinį keitiklį. Didelės galios ultragarsinis keitiklį sudaro 2 arba 4 pjezoelementai (medžiagos kurių geometriniai matmenys kinta veikiant jas elektriniu lauku) įveržti tarp dviejų tam tikrų matmenų metalinių pilnavidurių cilindrų. Iš generatoriaus padavus elektrinį signalą į keitiklį jis pradeda virpėti ir elektrinį signalą paverčia mechaniniu. Taip generuojamas ultragarsas. Kad gauti didesnį mechaninės energijos intensyvumą, prie keitiklio prisukamas smailėjantis tam tikrų matmenų kūgis, vadinamas koncentratoriumi. Ultragarsiniam signalui praėjus koncentratorių jo energija susikaupia mažesniame plote, ko pasekoje išauga koncentratoriaus smailojo galo virpesių amplitudė. Dabar reikia iš metalo pasigaminti formą, kuri atitiktų mums reikiamos išgręžti skylės matmenis, ir ją pritvirtinti prie koncentratoriaus galo. Toliau tereiktų ultragarsinį keitiklį įtvirtinti į stovą, po koncentratoriumi ant kieto pagrindo padėti stiklą, ant jo užberti abrazyvinių miltelių ir įjungus generatorių, gręžimo formą nestipriai prispausti prie stiklo. Po keleto minučių turėsime reikiamą kiaurymę stikle. Taip pat naudojant ultragarsą galima pjauti, šlifuoti, poliruoti, daryti sriegius bei atlikti kitus apdirbimo procesus ypatingai kietose ir trapiose medžiagose. Visais šiais atvejais reikalingos tos pačios priemonės, kaip ir gręžimui: ultragarsinis generetorius, keitiklis koncentratorius. Skirsis tik darbinis antgalis. Pvz., pjovimui prie koncentratoriaus galo tvirtinsis atitinkamos formos peilis. Išsivysčius plastikų pramonei, neatskiriamu jos palydovu tapo ultragarsinis suvirinimas. Su daiktais kurių gamybos procese buvo naudotas ultragarsinis suvirinimas susiduriame kiekviename žingsnyje, pradedant raktų pakabukais ar užtrauktukais (beje Lietuvoje veikia dvi užtrauktukų įmonės – Kaune ir Šiauliuose, kur visuose technologiniuose procesuose naudojama ultragarsinės technologijos) ir baigiant mobiliais telefonais ar automobiliais.

Ultragarsinio suvirinimo procesas panašus į aukščiau aprašytus, tik šiuo atveju iš priešingos pusės naudojama tam tikrų matmenų atrama (kartais vietoj jos dar vienas ultragarsinis keitiklis su koncentratoriumi). Konstrukcijos matmenys parenkami taip, kad suvirinimo paviršiuje mechaninių svyravimų amplitudė būtų didžiausia. Pradėjus veikti ultragarsui suvirinami paviršiai įkaista ir susilydo į vientisą junginį.

Nemažiau įdomių reiškinių galime stebėti perduodami didelės galios ultragarsinius signalus į skysčius. Čia galima išskirti du atvejus:

  • 1. Perduodama energija stengiamasi sukoncentruoti į nedidelį tūrį. Todėl naudojami aukščiau aprašyti keitikliai su smailėjančiais koncentratoriai ir atitinkamais antgaliais.
  • 2. Siekiama, kad visa energija kuo tolygiau pasiskirstytų visame skysčio tūryje.Tai aktualu vykdant ultragarsinį plovimą skysčiuose, atliekant pačių skysčių valymą ultragarsu. Šiuo atveju naudojami taip vadinami ultragarsiniai plovimo keitikliai. Jų esminis skirtumas nuo anksčiau aprašytų keitiklių, kad vieną jų dalį sudaro ne cilindras, o platėjančios formos kūgis, pagamintas iš aliuminio. Plačioji keitiklio dalis klijuojama prie vonelės, pagamintos iš nerūdijančio plieno, dugno. Keitiklius žadinant generatoriumi, atsiradę ultragarsiniai virpesiai per vonelės dugną perduodami į joje esantį skystį.

Kas vyksta skystyje, kuris yra veikiamas didelio intensyvumo ultragarsu? Sklindant ultragarsinei bangai skystyje, kas pusperiodį slėgio padidėjimas keičiasi su slėgio sumažėjimu. Esant dideliam energijos intensyvumui(>2,5 W/cm2), slėgio pulsacijų amplitudė pasidaro gana didelė ir slėgio sumažėjimo srityse skystyje pradeda formuotis greitai didėjantys užpildyti dujų - garų mišiniu burbuliukai. Slėgio padidėjimo fazėje šių burbuliukų tūris labai greitai mažėja ir jie kolapsuoja. Šis reiškinys vykstantis skysčiuose vadinamas kavitacija. Kuo ypatingas šis reiškinys? Galima išskirti visą eilę ypatumų. Burbuliukui susispaudžiant, temperatūra jo viduje pakyla iki 8000...12000 K. Burbuliuko sienelų radialinis virpėjimo greitis didesnis už garso greitį. Burbuliukų viduje esantis slėgis gali būti daugiau nei 10000 atm. Burbuliukui kolopsavus jo vietoje susiformuoja smūginė banga. Jei burbuliukas prieš susispausdamas turėjo tam tikrą formą, tai tarp jo suartėjančių sienelių gali įvykti mikro taškinis aukštos įtampos (dešimtys milijonų voltų) elektrinis išlydis. Be minėtų efektų kavituojančiame skystyje vyksta dar visa eilė reiškinių, bet svarbiausią reikšmę, praktiškai panaudojant kavitacinius reiškinius turi kavitacinių burbulikų kolopsavimas.

Jei skystyje intensyviai vyksta burbuliukų kolopsavimas, tai jame galima stebėti visą eilę fizinių - cheminių reiškinių: kietų kūnų paviršių ardymas (jei į akustinę vonelę patalpinsite aliuminio foliją tai po keleto minučių joje atsiras kiaurymių, o dar po kurio laiko ji bus visiškai suardyta į smulkiausias daleles), nesimaišančių skysčių sumaišymas (pvz. alyva su vandeniu) akustinė kavitacija, intensyvus maišymasis, kietų ir skystų medžiagų dispergavimas, prie tam tikrų sąlygų gali vykti polimerizacijos ar depolimerizacijos reakcijos ir visa eilė kitų reiškinių.

Šiuo metu kavitaciniai reiškiniai daugiausia taikomi įvairių detalų plovimui, ypač kur reikia pašalinti nešvarumus iš sunkiai prieinamų vietų, ar jautrių mechaniniam pažeidimams daiktų (elektronikos, automobilių pramonėje, optikos valymui it pan.). plovimo įrenginiai gaminami nuo atskirų įvairaus dydžio vonelių iki ištisų plovimo linijų, susidedančių iš keleto ultragarsinio plovimo vonelių skirtų plauti chemikalais ir paprastu vandeniu, džiovinimo įrenginių ir pan.

Vystantis technologijoms, atsiranda galimybės generuoti didelės galios akustinius signalus vis didesnių dažnių srityje. Tai sudaro galimybes stebėti naujus dar nežinomus reiškinius ir juos pritaikyti praktiniams poreikiams.

Tad ultragarsas – viena iš perspektyviausių pramonės sričių, kur tarpusavyje ypač dera teorinės fizikos žinios ir inžinerijos pasiekimai. Tad čia daug galimybių atsiskleisti turi taikomosios fizikos bei medžiagų ir nanotechnologijų specialistai.


Aut. teisės: www.technologijos.lt

(3)
(0)
(3)

Komentarai (0)