Ultrasunetele in tehnica - UTILIZAREA ULTRASUNETELOR

UTILIZAREA ULTRASUNETELOR

Ultrasunetele in tehnica

Ultrasunetele, datorita proprietatilor pe care le poseda, sunt aplicate in diverse ramuri ale tehnicii.

Dupa marimea intensitatii utilizate in animate domenii, aplicatiile ultrasunetelor pot fi grupate in doua mari categorii.

Intr-o prima categorie sunt cuprinse aplicatiile in care, datorita intensitatilor sufficient de mari, se produc modificari in structura mediului de propagare. Printre aceste aplicatii predomina efectul mechanic, care poate efectua un luncru mechanic (deci ultrasunetele intervin active). Din categoria aplicatiilor active fac parte prelucrarile macanice: perforarea, taierea, caratirea, sudura si altele.

Din a doua categorie de aplicatii fac parte procesele in    care campul ultrasonic de intenistate relative mica nu produce modificari in structura mediului, ci furnizeaza date utile cu privire la constructia materiei sau la anumite aracteristici ale acestuia. Dintre aceste aplicatii- numite passive- fac parte: masurarea adancimilor unei ape, a defectiunilor unei instalatii (defectoscopia ultrasonica), determinarea parametrilor fizici in fluide, masurarea grosimilor etc.

Una dintre aplicatiile active ale ultrasunetelor se refera la curatirea pieselor si a subansamblelor pe care se depun, in timpul fabricatiei, diferite impuritati. Procesul de curatire se datoreste in mare masura efectului de cavitatie. Sub actiunea bulelor de cavitatie se pot indeparta de pe suprafata corpurilor metalice: praful, uleiul, spanul, oxizii etc.

Prima instalatie care a fost aplicata pe scra industriala a fost construita in 1950. Metoda cea mai utilizata se bazeaza pe un procedeu combinat unde piesele metalice sunt cufundate in vase cu un electrolit prin care trece un fascicul ultarsomic intens. Datorita randamentului instalatiei, a consumului de energie pentru alimentarea generatorului de ultrsunete, a costului ridicat al instalatiilor, metoda era utilizata numai pentru curatirea pieselor si sculelor fine (a pieselor componente ale unui ceasornic, de exemplu). .Dispozitivele actuale de curatire au capacitatea de ordinal zecilor de tone. O problema importanta care se pune la curatirea obiectivelor se refera la alegerea frecventei si intensitatii utilizate. Se recomanda alegerea frecventelor mai inalte l curatirea obiectelor mai mici (intrucat, la frecvente mai ridicate, efectul de cavitatie se stabileste mai greu, operatia necesita intensitati mai ridicate).

In functie de destinatia aparaturii, domeniul de frecventa se imparte astfel: 20-30 kHz si 400-1000 kHz. Este cunoscut faptul ca ultrasunetele din primul domeniu se genereaza prin metoda magnetostrictiva, in timp ce frecventele inalte sunt produse prin efectul piezoelectric. Operatia de indepartare a impuritatilor este deosebit de simpla. Piesa se scufunda in baia de decapare care este formata din triclorura de etilen, benzina cu apa, in functie de natura materialului ce urmeaza a fi spalat. Un fascicul intens de ultrasunete, dupa cateva minute, indeparteaza orice urma de ulei, span etc.

Ca o alta aplicatie active a ultrasunetelor amintim perforarea si taierea materialelor dure si foarte dure. Principiul metodei seamana cu procesul de eroziune a rocilor si stancilor. Acest fenomen se datoreaza actiunii mecanice a aerului ca transportor de nisip cu mare viteza, care loveste roca si o macina. Aceasta operatie se efectueaza cu ajutorul unei scule, de un anumit profil, care vibreaza cu frecventa ultrasunetelor, produse de un generator de joasa frecventa, si pune in miscare particulele de abraziv. Ca substanta abraziva, in functie de natura materialului ce urmeaza a fi prelucrat, se utilizeaza praf de carbura de siliciu, carbura de bor, praf de diamnat. Substanta abraziva si injecteaza in zona de prelucrare sub forma de pasta sau suspensie in ulei sau apa. In aceasta operatie de prelucrare sau de perforare a materialelor, "cutitul" nu este scula vibranta, ci grauntele de abraziv care bombardeaza materialul de prelucrat. Viteza cu care se executa operatia de prelucrare (10-200mm cubi/minut) depinde de mai multi factori. Primul factor de o importanta deosebita este marirea amplitudinii vibratiilor sculei. La frecvente uzuale de 18-25kHz, vibratiile sculei nu depasesc    cu mult 45-50.

Viteza de prelucrare mai este influentata de natura si marimea abrazivului. Pentru o prelucrare bruta se recomanda utilizarea unui abraziv cu diametrul granulatiei de 5-10, iar o prelucrare fina necesita un material abraziv de 1-2 Randamentul prelucrarii mai depinde de presiunea de contact pe care o exercita scula vibranta asupra piesei ce se prelucreaza.

Prelucrarea mecanica cu ajutorul ultrasunetelor este deosebit de utila la perforarea unor materiale cum ar fi diamantul, otelutile speciale, carburile de wolfram. Metoda se utilizeaza cu bune rezultate si la prelucrarea substantelor casante, de exemplu, sticla, ceramica, pietrele pretioase.

Ultrasunetele au o aplicabilitate larga si la intensitati reduse, fara a se produce modificari structurale in mediul de propagare. Ca aplicatii passive amintim masurarea adancimilor, a grosimii, defectoscopia ultrasonora etc.

Din cele mai vechi timpuri, visul navigatorilor pe mari si oceane a fost gasirea mijloacelor de orientare si de sondare a adancimii apelor, mijloace prin care devine posibila ocolirea stancilor si a bancurilor de nisip. Primele insemnari provin din Egiptul antic (1000i.e.n), unde se oractica sondarea adancurilor navigabile cu prajini lungi si cu pietre legate de funii. Probabil sistemul de sondare era cunoscut mai demult si in late parti, in afara Egiptului. Alte insemnari arata ca prima incercare de masurare a adancimilor apei a fost facuta de Magellan in Oceanul Pacific (1521), intr-un punct situate intre 9 si 15 grade latitudine sudica. Sonda avea o greutate la capat, dar care, evident, nici dupa 700 de metri de scufundare nu a atins fundul apei.

Descoperirea generatorului de ultrasunete cu crystal de cuart a permis fizicianului francez Paul Langevin, in 1915, sa construiasca un detector pentru masurarea distantelor subacvatice, iar, in 1919, marina franceza experimenteaza o ecosonda in Canalul Manecii. Masurarea marilor adancimi a devenit posibila in anul 1925, in urma utilizarii unui generator piezoelectronic ultramodern pe acea vreme. In aceasta perioada, determinarile effectuate de nava oceanografica germana "Meteor" in Oceanul Atlantic au facut mare senzatie.Principiul metodei este simplu sin u este nou, fiind utilizat cu mult inaintea omului de catrre liliac. Impulsul ultrasonic emis la suprafata apei se propaga prin mediul acvatic si dupa ce atinge fundul apei se reflecta. Ecoul ajuns la suprafata este receptionat si prelucrat. Adancimea apei se poate calcula cunoscand viteza medie de propagare a ultrasunetelor (1500m/s) si masurand intervalul de timp in care semnalul    incident sic el produs de ecou traverseaza distanta necunoscuta. Aparatura moderna utilizeaza in acest scop xalculeaza si inregistreaza in mod automat datele obtinute. Utilizand metoda ultrasonica in determinarea adancimii fundului apei, a devenit posibila masurarea adancimilor in Oceanul Pacific, care depasesc 11000m, cu o precizie de 1%. Parametrii semnalului receptionat dau indicatii cu privire la natura fundului marii si la sedimentele existente in zona cercetata. Astazi, sondajul ultrasonic permite stabilirea hartilor submarine si identificarea epavelor sau a bancurilor de pesti. Utilizand metoda ultrasonica a devenit posibila descoperirea epavei submarinului "Affray", scufundat in Canalul Manecii

Ultrasunetele se utilizeaza si la comunicarile submarine, ceea ce nu se poate face cu unde electromagnetice, deoarece ca vibratiile mecanica.

Ultrasunetele au si alte utilizari in tehnica contemporana. Controlul materialelor metalice cu ultrasunete (defectoscopie ultrasonica) este un mijloc relative nou de verificare nedistructiva, prin care se pot pune in evidenta unele defecte ascunse ale obiectelor. Defectoscopia ultrasonica se utilizeaza sub diferite forme. Cele mai raspandite metode sunt metoda prin impulsuri si metoda prin transmisie.

Principiul metodei prin impulsuri sau "prin reflexive" este urmatorul: vibratorul piezoelectric- emitatorul- este asezat pe o fata a piesei metalice de examinat si emite un impils ultrasonic ce se propaga prin materialul de cerectat. Daca fasciculul intalneste in cale o zona umpluta cu aer- fisura- sau alte neomogenitati date de o structura deosebita, se reflecta, intorcandu-se la suprafata piesei sub forma de ceou. Receptorul sensibil capteaza acest semnal, care este prelucrat si inregistrat. La examinarea unei piese care prezinta o discontinuitate, om parte din energia ultrasunetului este reflectata de fisura inainte ca fasciculul sa ajunga la peretele opus, astfel, pe ecranul osciloscopului apar trei ecouri: ecoul initial, ecoul de defect si ecoul dat de peretele opus al piesei de studiat.

Apoaratele utilizate in defectoscopie sunt etalonate astfel ca se poate stabili cu multa precizie distamta la care se gaseste fisura, sau marimea acesteia in interiorul materialului. Instalatiile utilizate in defectoscopie au diferite moduri de vizualizare a defectelor. Prin metoda cea mai perfectionata se poate obtine o imagine spatiala a defectului. Defectoscopia moderna mai utilizeaza si metoda prin transmisie sau transparenta (metoda umbrei), care se bazeaza pe doua cristale: unul emitator si altul receptor. Palpatoarele sunt plasate pe o parte sip e alta a piesei cercetate. Dca in interiorul materialului cerecata este o fisura sau un gol de aer, acesta devine un obstacol in calea fasciculului, astfel, receptorul sesizeaza, prin absenta sau marimea semnalului, prezenta defectului.

Din cele aratate rezulta ca defectoscopia nedistructiva este o metoda moderna care prezinta o mare sensibilitate, putand detecta defectiuni foarte mici, prin puterea de patrundere deosebita si o viteza de raspuns ridicata.

Bibliografie: "Ultrasunetele si utilizarea lor", Iosif I.Nagy, Stiinta pentru toti 180