U L T R A D Ê W I Æ K I

Cel: pomiar prædkoúci fali ultradêwiækowej w róýnych materiaùach

Przyrzàdy: ultradêwiækowy tester materiaùów UNIPAN typ 543, suwmiarka, badane materiaùy.

Wprowadzenie teoretyczne

Podstawowe informacje o ruchu falowym

Spoúród wielu rodzajów fal wystæpujàcych w przyrodzie najùatwiej dostrzegalne sà fale mechaniczne, których istnienie jest úciúle zwiàzane ze zjawiskami ruchu wystæpujàcymi w oúrodkach spræýystych. Cechà charakterystycznà takiego oúrodka jest istnienie siù spræýystych wiàýàcych czàstki, z których jest zbudowany. Wprowadzenie zaburzenia (wytràcanie czàsteczek z poùoýenia równowagi) powoduje jego przenoszenie na kolejne, sàsiadujàce warstwy wprawiajàc je w ruch drgajàcy o okreúlonej czæstoúci. Takie przenoszenie drgañ nazywamy ruchem falowym (falà). Inaczej mówiàc ruch falowy zwiàzany z drganiami poszczególnych czàsteczek oúrodka spræýystego dookoùa ich poùoýenia równowagi polega na transporcie energii przez oúrodek.

Podziaù fal mechanicznych

a)   W zaleýnoúci od liczby wymiarów przestrzeni fale dzielimy na: jedno-, dwu- i trójwymiarowe.

b)   W zaleýnoúci od ksztaùtu powierzchni falowych wyróýniamy fale: pùaskie, kuliste, elipsoidalne, koùowe, eliptyczne itp.

c)   W zaleýnoúci od kierunku ruchu drgajàcego czàstek w stosunku do kierunku zaburzenia, fale dzielimy na: fale poprzeczne i podùuýne.

Zasada Huyghensa (czyt. Hojhensa):

Kaýdy punkt oúrodka spræýystego, do którego dociera czoùo fali (zaburzenia), staje siæ samodzielnym êródùem kulistych fal czàstkowych.

Rys.1. Rozchodzenie siæ fali koùowej i pùaskiej

Rys.2. Ugiæcie fali pùaskiej na maùym otworze CD. wyciætym w przeszkodzie AB.

Odbicie i zaùamanie fal

Fala rozchodzàca siæ w oúrodku spræýystym (1) po dojúciu do granicy oúrodka (2) o innych wùaúciwoúciach fizycznych, zostaje czæúciowo odbita, a czæúciowo przepuszczona, podlegajàc zaùamaniu.

Rys.3. Zjawisko odbicia i zaùamania úwiatùa.

Te dwa zjawiska podlegajà nastæpujàcym prawom:

Fala padajàca, odbita i zaùamana oraz normalna wystawiona w punkcie padania leýà w tej samej pùaszczyênie.

Kàt padania fali jest równy kàtowi odbicia od danej powierzchni (a a

Stosunek sinusa kàta padania do sinusa kàta zaùamania jest równy stosunkowi prædkoúci rozchodzenia siæ fali w oúrodku pierwszym do prædkoúci fali w drugim oúrodku i nosi nazwæ wspóùczynnika zaùamania osrodka drugiego wzglædem pierwszego. Oznaczamy go literà n

(1)

Dùugoúcià fali nazywamy odlegùoúã pomiædzy dwiema najbliýszymi czàsteczkami oúrodka (drgajàcego), które majà jednakowe fazy drgañ.

(2)

gdzie:

l (lambda) - dùugoúã fali

v - prædkoúã ruchu falowego

n (ni) - czæstoúã drgañ oúrodka

T - okres drgañ

Interferencja fal

Jeýeli przez oúrodek spræýysty przechodzà dwie (lub kilka) fale, pochodzàce z róýnych êródeù, to wychylenie jakiemu podlega kaýda z czàsteczek oúrodka bædzie sumà wychyleñ spowodowanych przez poszczególne fale.

Oznacza to, ýe kaýda z czàstek drgajàcych uczestniczy w kilku wzajemnie nakùadajàcych siæ ruchach, które mogà siæ osùabiaã lub wzmacniaã w zaleýnoúci od tego, czy drgania odbywajà siæ w fazach zgodnych czy przeciwnych. Zjawisko polegajàce na wzmacnianiu i osùabianiu drgañ bædàcych wynikiem nakùadania siæ dwóch fal o jednakowych czæstoúciach i zgodnych fazach (fale spójne) nazywamy interferencjà fal.

Fale stojàce

Rys.4. Fale stojàce o róýnej liczbie wæzùów i strzaùek.

W przypadku interferencji dwóch fal o jednakowych amplitudach, czæstoúciach i prædkoúciach rozchodzàcych siæ w przeciwnych kierunkach powstaje fala stojàca. Fala stojàca moýe powstaã równieý na skutek interferencji (nakùadania siæ) fali pierwotnej i odbitej od sztywnej przeszkody.

Rozchodzenie siæ fal w oúrodkach spræýystych

Wyobraêmy sobie dùugi, spræýysty præt o dùugoúci l i przekroju poprzecznym S, na który dziaùamy siùà F w czasie Dt (rys.4).

Rys.5. Præt spræýysty w którym rozchodzi siæ fala podùuýna.

Jeýeli siùa zaburzajàca F powoduje przesuniæcie przekroju S o dùugoúci Dl, to zgodnie z II zasadà dynamiki moýemy zapisaã:

F Dt = m Dv

Zakùadajàc, ýe odksztaùcenie præta jest niewielkie przyjmujemy, ýe speùnione sà warunki obowiàzywania prawa Hooke’a (czyt. Huka)

F = S E  (4)

gdzie E - moduù Younga (czyt. Janga).

Masa præta m = S l r (gdzie r - gæstoúã materiaùu præta), podczas gdy zmiana prædkoúci czàstek wywoùana zaburzeniem

Stàd mamy

oraz 

Jeýeli v - prædkoúã rozchodzenia zaburzenia, to

(5)

Jest to wzór Newtona, z którego wynika, ýe prædkoúã rozchodzenia siæ fali w præcie zaleýy od moduùu Younga i gæstoúci, czyli wielkoúci charakteryzujàcych jego wùaúciwoúci materiaùowe, a nie od przekroju czy wywoùanego odksztaùcenia.

Ultradêwiæki

Drgania i fale mechaniczne sùyszalne dla ucha ludzkiego zajmujà zakres pomiædzy 16 a 20 000 Hz (herców, gdzie 1 Hz - jedno drganie na sekundæ). Fale akustyczne o czæstoúci mniejszej od 16 Hz nazywamy infradýwiækami, natomiast zakres pomiædzy 20 000 Hz a 10¹⁰ Hz nosi nazwæ ultradêwiæków. Jedne i drugie nie sà sùyszalne dla ucha ludzkiego.

Znane sà trzy podstawowe metody wytwarzania ultradêwiæków: mechaniczna, wykorzystujàca zjawisko piezoelektryczne i magnetostrykcyjne.

Mechaniczne wytwarzanie ultradêwiæków odbywa siæ przy wykorzystaniu odpowiedniej konstrukcji piszczaùek, generatorów gazowych (np. Hartmanna) i syren.

Najczæúciej uýywanymi piszczaùkami ultradêwiækowymi sà piszczaùki cieczowe. Schemat piszczaùki Galtona zostaù przedstawiony na rys.6.

Rys.6. Przekrój piszczaùki Galtona.

Wdmuchiwane przez ustnik A powietrze wypùywa przez szczelinæ C o ksztaùcie pierúcienia i uderza w ostrze D. Na skutek tworzenia siæ wirów ostrze zaczyna drgaã z czæstoúcià, która moýe byã regulowana odlegùoúcià d (szczeliny od ostrza), jak równieý zmianà ciúnienia wdmuchiwanego powietrza. Objætoúã wnæki rezonansowej V, która jest pobudzona do drgañ za pomocà ostrza moýna zmieniaã poprzez przesuwanie tùoka S za pomocà úruby mikrometrycznej E lub B tak, aby czæstoúã drgañ ostrza dostroiã do czæstoúci rezonansowej wnæki V. Maksymalne czæstoúci ultradêwiæków jakie mogà byã uzyskiwane wynoszà od 30 do 100 kHz.

Zjawisko magnetostrykcji zostaùo odkryte przez Joule’a w 1847 roku. Joule badajàc zachowanie siæ róýnych ciaù ferromagnetycznych w zmiennym polu magnetycznym stwierdziù, ýe podlegajà one odksztaùceniu (skróceniu lub wydùuýeniu) w kierunku linii siù pola o okoùo 10^-6 - 10^-5 czæúci swej pierwotnej dùugoúci.

W ciaùach ferromagnetycznych orbity walencyjne atomów nie sà caùkowicie wypeùnione elektronami skutkiem czego powstajà nieskompensowane, spinowe momenty magnetyczne zwane elementarnymi magnetonami. Wewnàtrz siatki krystalicznej ferromagnetyka tworzà one elementarne obszary magnetyczne (tzw. Obszary Weissa) o úrednicy ok. 10 mm. (10^-6m.), które kierujà wszystkie elementarne magnesy w jednym kierunku. Umieszczenie ferromagnetyka w zewnætrznym polu magnetycznym powoduje znieksztaùcenie anizotropowej siatki krystalicznej w kierunku wektora magnetyzacji, a tym samym jej odksztaùcenie. Przetworniki piezomagnetyczne mogà posiadaã róýne ksztaùty: præta, prostopadùoúcianu lub pierúcienia.

Przetwornik w ksztaùcie præta skùada siæ z rdzenia z nawiniætà cewkà, przez którà pùynie pràd. Powstajàce zmienne pole magnetyczne wywoùuje zjawisko magnetostrykcyjne, polegajàce na tworzeniu siæ odksztaùceñ i napræýeñ wzdùuý osi præta, który wykonuje drgania podùuýne z czæstoúcià dwukrotnie wiækszà od czæstoúci pùynàcego pràdu (kurczenie i rozszerzanie). Do budowy przetworników magnetostrukcyjnych stosujemy róýne materiaùy ferromagnetyczne oraz ich stopy. Naleýà do nich: nikiel, permalloy (50% niklu i 50% ýelaza), inwar (36% Ni, 64% Fe) i inne, oraz ferryty np. nikiel-cynk zwany ferroxcube (Zn0 F₂0₃, gdzie 20% Zn0).

Przetworniki tego typu mogà pracowaã w zakresie ultradêwiækowym od 20 do 100 kHz. Naleýy równieý wspomnieã o tym, ýe efekt magnetostrykcyjny zachodzi tylko wtedy, gdy dany materiaù zachowuje wùaúciwoúci ferromagnetyczne. Oznacza to, ýe wraz ze wzrostem temperatury efekt ten maleje aý do caùkowitego zaniku w tzw. Temperaturze C rie w której metal traci swe wùaúciwoúci ferromagnetyczne.

Zjawisko piezoelektryczne w monokrysztaùach zostaùo odkryte w 1880 roku przez braci C rie, którzy stwierdzili, ýe úciskanie lub rozciàganie pewnych krysztaùów wyzwala na ich powierzchni ùadunki elektryczne. Zjawisko odwrotne, polegajàce na wytwarzaniu w krysztaùach napræýeñ i odksztaùceñ pod wpùywem pola elektrycznego, zwane zjawiskiem elektrostrykcyjnym, zostaùo odkryte znacznie póêniej, okoùo 1945 roku. W zwiàzku z tym przeprowadzono badania, których celem byùo wytworzenie materiaùów wykazujàcych silne zjawisko elektrostrykcyjne. Do materiaùów tych naleýà m.in. tytanian baru i inne tytaniany ziem alkalicznych. Naleýà one do grupy tzw. ferroelektryków, które pod wzglædem elektrycznym i elektrostrykcyjnym majà podobne wùaúciwoúci do magnetycznych i magnetostrykcyjnych wùaúciwoúci ciaù ferromagnetycznych. Ferroelektryki posiadajà punkt C rie, jak równieý cechy normalnego dielektryka. W materiaùach tych wystæpujà, podobnie jak w ferromagnetykach obszary zwane „domenami” (obszary Weissa), które tworzone sà przez jednakowo skierowane elektrycznie dipole elementarne tak, ýe kaýda domena tworzy jeden dipol elektryczny. Skutkiem tego siatka krystaliczna takiej domeny jest znieksztaùcona w kierunku polaryzacji. Po przyùoýeniu zewnætrznego pola elektrycznego siatka krystaliczna odksztaùca siæ w kierunku pola. Zmienne pole elektryczne bædzie w tej sytuacji wywoùywaùo efekt elektrostrykcyjny.

Innà grupà materiaùów sà piezoelektryczne monokrysztaùy o budowie jonowej, które posiadajà regularnà siatkæ krystalicznà tzn. jednokierunkowe uporzàdkowanie dipoli elementarnych przez wewnætrznà, spontanicznà polaryzacjæ. Rys.7. przedstawia krysztaù kwarcu, którego trwaùoúã budowy wynika z oddziaùywania ùadunków elektrostatycznych tzn. dodatnich jonów krzemu i ujemnych jonów tlenu. Na podstawie rys.8 moýemy stwierdziã, ýe w sàsiedztwie kaýdego dodatniego jonu krzemu znajdujà siæ dwa podwójnie zjonizowane, ujemne atomy tlenu (wiàzanie jonowe). W przypadku, gdy umieúcimy taki krysztaù pomiædzy dwiema metalowymi pùytkami (rys.9), które nastæpnie poddamy sile úciskajàcej to deformacja sieci krystalicznej doprowadzi do takiego przesuniæcia atomów, ýe na okùadkach pojawi siæ ùadunek elektryczny. Zjawisko to nosi nazwæ zjawiska piezoelektrycznego. Wystæpuje ono w pùytce kwarcowej, monokrystalicznej odpowiednio wyciætej wedùug tzw. wykroju X lub C rie, który zapewnia odpowiednià orientacjæ atomów sieci krystalicznej w stosunku do kierunku dziaùajàcych siù. Umieszczenie takiej pùytki kwarcowej pomiædzy dwiema okùadkami kondensatora pùaskiego, do którego podùàczamy szybkozmienne pole elektryczne spowoduje drgania mechaniczne pùytki (zjawisko elektrostrykcyjne). Odksztaùcenie pùytki kwarcowej o gruboúci 10 mm przy róýnicy potencjaùów miædzy okùadkami rzædu 1000 V, wynosi 21,3 A (21,3 x 10^-7 mm).

Rys.7. Rys.8. Rys.9.

W celu uzyskania duýych mocy fali ultradêwiækowej wykorzystujemy zjawisko rezonansu polegajàce na zsynchronizowaniu czæstoúci zmian pola elektrycznego z czæstoúcià drgañ wùasnych danej pùytki, którà dla kwarcu moýna obliczyã ze wzoru:

(6)

gdzie:

n - czæstoúã drgañ wùasnych danej pùytki o wykroju C rie,

l_k - gruboúã pùytki w kierunku X,

E - moduù Younga w kierunku X,

r     - gæstoúã kwarcu [kg/m³].

Oznacza to, ýe uzyskanie bardzo duýych czæstoúci jest moýliwe dla stosunkowo cienkich pùytek kwarcowych. Jednak przy bardzo cienkich pùytkach nie moýna stosowaã silnych pól elektrycznych ze wzglædu na moýliwoúã ich zniszczenia. Wedùug przeprowadzonych badañ, dla pùytek o gruboúci 2-8 mm moýna stosowaã napiæcia rzædu 1500 V/mm gruboúci. Obecnie stosowane pùytki posiadajà gruboúã od 0,05 mm do 1,3 mm, co umoýliwia uzyskanie czæstoúci od 220 kHz do 57 MHz (1 MHz = 10⁶ Hz). Do budowy przetworników ultradêwiækowych uýywamy oprócz kwarcu: turmalinu, fosforanu amonowego (ADP), siarczanu litu (LSH), tytanianu baru (BAT) i innych.

Odbiorniki ultradêwiækowe

Technika miernictwa ultradêwiækowego obejmuje:

pomiary akustycznych wielkoúci pola takich, jak: wychylenie, prædkoúã czàstkowa, ciúnienie akustyczne, przyúpieszenie, natæýenie dêwiæku oraz jego moc,

pomiary przestrzennego rozkùadu pól akustycznych,

pomiar staùych akustycznych badanego oúrodka.

Metody pomiaru dzielimy na: mechaniczne, cieplne (kalorymetryczne) i elektryczne, z których te ostatnie sà najczæúciej wykorzystywane. Aby przeprowadziã pomiary ultradêwiæków na drodze elektrycznej naleýy wielkoúci akustyczne zamieniã na elektryczne. Stosowane sà do tego celu gùównie przetworniki piezomagnetyczne i piezoelektryczne, które wykorzystujà proces odwrotny do wytwarzania ultradêwiæków.

Pomiary ciúnienia akustycznego pola ultradêwiækowego w gazach mogà byã równieý dokonywane za pomocà specjalnych mikrofonów kondensatorowych (pojemnoúciowych), w których stosowane membrany majà gruboúã rzædu tysiæcznych milimetra.

Rys.10. Piezoelektryczna sonda pomiarowa: 1 - pùytka z BAT, 2 – elektrody, 3 – araldyt,  4 - kontakt spræýynowy, 5 - pùytka izolacyjna, 6 - obudowa mosiæýna.

W odbiornikach piezoelektrycznych wykorzystujemy proste zjawisko piezoelektryczne, w którym odksztaùcenia spowodowane zmianà ciúnienia akustycznego w kierunku czynnym piezoelektrycznie (w kierunku X) wyzwalajà ùadunki elektryczne (rys.10). Zaletà tych odbiorników jest wysoka czuùoúã, którà moýna podwyýszyã przez zastosowanie wzmacniacza.

Zastosowanie ultradêwiæków

Moýemy wyróýniã dwa sposoby wykorzystania ultradêwiæków. Pierwszym sa zastosowania wynikajàce z maùej dùugoúci fali ultradêwiækowej, drugim - wysoka i ùatwo regulowana energia.

Telekomunikacja i hydrolokacja ultradêwiækowa

Ultradêwiækowa telekomunikacja podwodna.

Za pomocà nadajników ultradêwiækowych moýna w ùatwy sposób uzyskaã kierunkowà wiàzkæ akustycznà, która moýe poruszaã siæ w wodzie i byã odbierana przez odpowiedni odbiornik. Fale elektromagnetyczne nie mogà rozchodziã siæ w wodzie, ze wzglædu na jej dobre przewodnictwo elektryczne, stàd np. ùàcznoúã ultradêwiækowa jest jedynym sposobem porozumiewania siæ miædzy dwiema zanurzonymi ùodziami podwodnymi bez koniecznoúci wynurzania.

Ultradêwiækowa echosonda.

Kierunkowa wiàzka ultradêwiæków wysyùana jest w postaci impulsów, które po dotarciu do danego obiektu zostajà odbite i powracajà w kierunku sondy. Znajàc prædkoúã dêwiæku moýemy obliczyã odlegùoúã przeszkody od której odbiùa siæ fala. Za pomocà echosondy moýna okreúlaã odlegùoúci obiektów pùywajàcych po powierzchni, jak równieý mierzyã gùæbokoúã i strukturæ dna morskiego, ùawicæ ryb, wraki statków itp.

Ultradêwiækowe badania materiaùów

W badaniach ultradêwiækowychj wykrywanie wad opiera siæ gùównie na odbiciu fali na pækniæciach, rozdwojeniach, jamach osadowych, rysach i pæcherzykach powietrza, znajdujàcych siæ wewnàtrz danego materiaùu. Odbicie fali ultradêwiækowej nastæpuje na skutek zmiany wspóùczynnika pochùaniania i akustycznych opornoúci falowych, które sà powodem ugiæcia, odbicia i zaùamania fali. Do badañ mikrostruktury materiaùów wykorzystuje siæ urzàdzenia zwane defektoskopami ultradêwiækowymi, które sà wyposaýone w oscyloskop katodowy, sùuýàcy do pomiaru impulsów pochodzàcych z nadajnika i odbiornika.

Badania mikrostruktury ciaù staùych majà na celu stwierdzenie zmian zachodzàcych na skutek obciàýeñ mechanicznych, obróbki i dziaùania temperatury. Czujniki wpùywajàce na mikrostrukturæ danego materiaùu powodujà zmianæ prædkoúci oraz wspóùczynnika pochùaniania fali ultradêwiækowej. Pomiar tych wielkoúci (prædkoúci i pochùaniania fali) w róýnych materiaùach o róýnym stanie skupienia umoýliwia wyznaczenie staùych fizycznych i chemicznych róýnych ciaù, np. staùe spræýystoúci ciaù staùych, k = c_p/c_v (stosunek ciepùa wùaúciwego przy staùym ciúnieniu do ciepùa wùaúciwego przy staùej objætoúci) i wiele innych.

Diagnostyka ultradêwiækowa w medycynie

Opiera siæ ona na tym, ýe staùe akustyczne (tj. wspóùczynnik pochùaniania i prædkoúci fali) chorej tkanki sà inne niý otaczajàcej jà tkanki zdrowej. Natæýenie uýywanych ultradêwiæków musi byã niýsze od natæýenia „biologicznie czynnego” tak, aby nie wywoùaùo zmian w danym organizmie. Zastosowanie odpowiednich przetworników obrazów optyczno-akustycznych wraz z odpowiednià obróbkà danych za pomocà komputera umoýliwia wglàd w gùàb badanego ustroju i obserwacjæ chorych i uszkodzonych organów.

Ultradêwiæki w metalurgii

Wpùyw ultradêwiæków na wùaúciwoúci krzepnàcego szkùa i metali ma na celu odgazowanie tworzàcego siæ stopu, rozdrabnianie ziaren oraz tworzenie stopów zwiàzków, które nie mieszajà siæ w normalnych warunkach. Ultradêwiæki stosowane w procesie magnesowania materiaùów ferromagnetycznych powodujà jego utrwalanie i zmniejszanie pozostaùoúci magnetycznej. Przyspieszajà równieý proces azotowania powierzchni podczas hartowania stali oraz trawienie blach w celu usuwania zgorzeliny. Lutowanie ultradêwiækowe umoýliwia poùàczenie ze sobà za pomocà cyny elementów wykonanych z aluminium, dziæki wywoùaniu efektu kawitacji (rozrywanie cieczy spræýystej, poddanej dziaùaniu siù dynamicznych np. zmienne ciúnienie akustyczne, zwiàzane z tworzeniem siæ pustych obszarów w cieczy) niszczàcej warstewki tlenków powstajàcych na ùàczonych powierzchniach. Za pomocà ultradêwiæków moýna usuwaã róýnego rodzaju zanieczyszczenia z maùych elementów stosowanych w przemyúle optycznym i precyzyjnym. Wykorzystuje siæ tutaj silne emulgujàce intensywne ruchy mieszajàce i wstrzàsajàce oraz kawitacjæ. Wybudowane do tego celu pùuczki ultrdêwiækowe napeùnione cieczà tj. czterochlorkiem wægla, benzynà, alkoholem, usuwajà z zanurzonych tam przedmiotów warstwy oleju, tùuszczu, lakieru oraz inne zabrudzenia (np. czàstki staùe).

Obróbka materiaùów twardych tj. porcelany, twardej ceramiki i syntetycznych kamieni szlachetnych jest trudna ze wzglædu na koszty stosowania narzædzi. Metoda erozji ultradêwiækowej opiera siæ na oddziaùywaniu drgañ ultradêwiækowych z oúrodkiem erozyjnym, który dziaùajàc na obrabiany materiaù powoduje na odrywanie siæ od niego maleñkich czàsteczek. Dziæki temu erozja ultradêwiækowa umoýliwia ýùobienie zagùæbieñ i wykonywanie otworów oraz wycinanie dowolnych ksztaùtów i profilów w takich materiaùach jak szkùo, wæglik wolframu i wæglik tytanu.

Ultradêwiæki w przemyúle spoýywczym

Zastosowanie sprowadza siæ do uszlachetnienia artykuùów spoýywczych oraz upraszczania i skracania procesów produkcyjnych. Naleýà do nich m.in. ekstrakcja chmielu (do produkcji piwa) i kawy, sztuczne starzenie win i likierów. Ultradêwiæki umoýliwiajà skrócenie czasu obróbki masy czekoladowej i kakaowej przy zachowaniu aromatu, dziæki przyspieszeniu procesów utleniania i depolimeryzacji. Oddziaùywanie ultradêwiæków na mleko umoýliwia jego sterylizacjæ na zimno przy równoczesnej homogenizacji. Moýna równieý stosowaã ultradêwiæki do emulgowania póùproduktów przy wyrobie margaryny oraz homogenizowania olejów przy zastosowaniu stosunkowo niskiego ciúnienia.

W przemyúle tekstylnym i papierniczym, wykorzystujàc fakt, ýe za pomocà ultradêwiæków moýna rozpylaã ciecze, stosuje siæ przetworniki ultradêwiækowe do suszenia taúmy papierowej i farby drukarskiej. Fale ultradêwiækowe wykorzystujemy równieý przy produkcji farb i lakierów, farbowaniu wùókien tekstylnych oraz praniu silnie zabrudzonych wysokogatunkowych tkanin.

Ultradêwiæki w przemyúle chemicznym

Znalazùy zastosowanie gùównie do przyspieszania reakcji chemicznych. Na skutek podwyýszenia energii ruchu czàsteczek, pod wpùywem fal ultradêwiækowych wystæpuje zmiana miædzyczàsteczkowych siù wiàýàcych oraz podwyýszona wymiana elektronów dla wielu reakcji chemicznych. W zwiàzku z tym zaobserwowano przyspieszenie reakcji utleniania, redukcji i kondensacji oraz polimeryzacji i depolimeryzacji.

Zastosowanie ultradêwiæków w energetyce

W energetyce ultradêwiæki stosujemy do nadêwiækowienia wody w kotle energetycznym, co zapobiega tworzeniu siæ kamienia kotùowego. Istniejàce warstwy kamienia zostajà rozluênione i rozbite, a stràcone wapno moýe byã usuniæte przez pùukanie. Szeroko prowadzone badania wykazaùy, ýe okresowo stosowane impulsy fal ultradêwiækowych o dobranych odpowiednio czæstoúciach skutecznie chronià kocioù przed powstawaniem kamienia kotùowego.

Zastosowanie ultradêwiæków w biologii i farmacji

Bakterie i wirusy poddane dziaùaniu ultradêwiæków o maùym natæýeniu sà pobudzane do rozmnaýania; przy duýych natæýeniach fali ultradêwiækowej nastæpuje niszczenie organizmów. W ten sposób, dobierajàc doúwiadczalnie natæýenie fali ultradêwiækowej udaùo siæ zniszczyã paùeczki duru brzusznego, stofilokoki, streptokoki itp. Oraz wirusy wúcieklizny. Przyczynà zniszczenia jest nie tylko fizyczne dziaùanie ultradêwiæków (kawitacja), lecz równieý dziaùanie chemiczne, tj. depolimeryzacja ùañcuchów biaùkowych.

Przy nadêwiækowieniu nasion i roúlin kieùkujàcych, ultradêwiækami o maùym i úrednim natæýeniu, w wiækszoúci przypadków zaobserwowano przyúpieszenie kieùkowania i wzrostu. Oprócz tych zastosowañ istnieje równieý moýliwoúã zabijania szkodliwych dla nasion grzybków pleúni i droýdýy. W przemyúle farmaceutycznym bakteriobójcze dziaùanie ultradýwiæków znalazùo zastosowanie do sterylizacji úrodków farmaceutycznych. Dyspergujàce dziaùanie ultradýwiæków umoýliwia tworzenie trwaùych emulsji i kruszenia krysztaùów róznych zwiàzków (np. penicyliny).

Zastosowanie ultradêwiæków w medycynie

Ultradêwiæki w medycynie oprócz diagnostyki znalazùy zastosowanie w terapii ultradêwiækowej, które obejmuje dziaùanie pobudzajàce kràýenie, przeciwzapalne, znieczulajàce i rozkurczowe. Dziaùanie fali ultradêwiækowej na tkanki ludzkie powoduje zmianæ napiæcia mechanicznego tkanek na skutek ruchu drgajàcego (tzw. mikromasaýe) oraz jej ogrzanie wywoùane pochùanianiem energii fali.

Za pomocà ultradêwiæków moýna leczyã: miæúniobóle, stùuczenia i skræcenia, zapalenie stawów, odmroýenia i wiele innych schorzeñ. Za kaýdym razem bardzo waýne jest okreúlenie dawki fizycznej (pochùoniætej) dla danego schorzenia. W zwiàzku z trudnoúciami z tym zwiàzanymi terapeutyczne zastosowanie ultradêwiæków jest ograniczone.

Pomiar prædkoúci fali ultradêwiækowej w róýnych materiaùach

W pomiarach prædkoúci fali ultradêwiækowej wykorzystany zostanie próbnik „Unipan 543”, który sùuýy do pomiaru czasu przejúcia fali pomiædzy gùowicà nadawczà i odbiorczà. Na pùycie czoùowej przyrzàdu umieszczony jest wskaênik cyfrowy, który pokazuje czas przejúcia fali ultradêwiækowej w ms (mikrosekundach), pokrætùo zerowania, gniazda do podùàczania gùowicy nadawczej i odbiorczej, wùàcznik zasilania, przeùàcznik dokùadnoúci odczytu oraz gniazdo ùadowania akumulatorów.

Rys.11. Pùyta czoùowa miernika UNIPAN 543.

Wykonanie ãwiczenia

Za pomocà suwmiarki zmierzyã wysokoúã 10 waùków wykonanych z badanych materiaùów, dostarczonych przez prowadzàcego zajæcia.

Wùàczyã przyrzàd UNIPAN 543 wùàcznikiem gùównym (on/off BATT). Przeùàcznik dokùadnoúci odczytu (ACCURACY) powinien znajdowaã siæ w poùoýeniu

Uýywajàc wkùadki wzorcowej naleýy wykalibrowaã przyrzàd. Przed wstawieniem wkùadki pomiædzy gùowice naleýy jà lekko posmarowaã glicerynà (lub parafinà). Docisk gùowicy nie powinien byã zbyt silny. Po wùàczeniu zasilania i ustawieniu przeùàcznika dokùadnoúci odczytu na zakresie ms, za pomocà pokrætùa „zero” naleýy ustawiã na wskaêniku wartoúã 2,00 ms.

Nastæpnie zmierzyã czas przejúcia fali ultradêwiækowej dla dostarczonych waùków z badanego materiaùu, wykonujàc po piæã pomiarów dla kaýdego z nich. Za kaýdym razem uýywaã naleýy gliceryny jako úrodka zwiækszajàcego dopasowanie materiaùu do gùowic.

Obliczyã prædkoúã v fali ultradêwiækowej dla wartoúci úrednich ze wzoru:

(7)

gdzie:

v - prædkoúã fali ultradêwiækowej, przechodzàcej przez dany materiaù w [m/s],

t - czas przejúcia fali ultradêwiækowej w [s],

l - dùugoúã badanego waùka zmierzona suwmiarkà w [m].

Wyniki pomiarów wpisaã naleýy do tabeli pomiarowej.

Po wykonaniu obliczeñ przeprowadziã dyskusjæ bùædów metodà róýniczkowà lub pochodnej logarytmicznej, celem wyznaczenia bùædu maksymalnego Dv_max pomiaru prædkoúci fali ultradêwiækowej w badanym materiale. Za bùàd popeùniony przy wyznaczaniu dùugoúci Dl przy pomocy suwmiarki przyjàã 0,1 mm, natomiast bùàd popeùniony przy pomiarze czasu przejúcia fali przez badany materiaù Dt = 0,04 mikrosekundy (0,04 ms).

Tabela

Zagadnienia

Rodzaje fal - podstawowe pojæcia, zjawiska zwiàzane z rozchodzeniem siæ fal, interferencja fal, prædkoúã fal w oúrodkach spræýystych. Ultradêwiæki - sposoby otrzymywania, zjawisko piezoelektryczne, piezomagnetyczne i magnetostrykcyjne. Zastosowanie ultradêwiæków.

Literatura

J. Matauschek: Technika ultradêwiækowa, Wyd. Nauk. Techn.,Wasrszawa 1981.

J.E. Elpiner: Ultradêwiæki: dziaùanie fizykochemiczne i biologiczne, PWN, Warszawa 1988.

J. Obraz: Ultradêwiæki w technice pomiarowej, PWN, Warszawa 1983.

M. Skorko: Fizyka, PWN, Warszwa 1979.