O que é ultrassom e como é usado na indústria?

O ultrassom é chamado de ondas elásticas (ondas que se propagam em meios líquidos, sólidos e gasosos devido à ação de forças elásticas), cuja frequência está fora da faixa audível para humanos - de cerca de 20 kHz e mais.

Inicialmente, os sons ultrassônicos e audíveis foram distinguidos apenas com base na percepção ou não percepção pelo ouvido humano. O limiar auditivo de diferentes pessoas varia de 7 a 25 kHz, e foi estabelecido que uma pessoa percebe o ultrassom com frequência de 30 a 40 kHz por meio do mecanismo de condução óssea. Portanto, o limite inferior da frequência do ultrassom é convencionalmente aceito.

O limite superior da frequência de ultrassom se estende às frequências 1013 - 1014 Hz, ou seja, até frequências onde o comprimento de onda se torna comparável às distâncias intermoleculares em sólidos e líquidos. Nos gases, esse limite está localizado abaixo e é determinado pelo livre caminho da molécula.

Funções úteis de ondas ultrassônicas

E embora fisicamente o ultrassom tenha a mesma natureza do som audível, diferindo apenas condicionalmente (frequência mais alta), é precisamente por causa da frequência mais alta que o ultrassom é aplicável em várias direções úteis.

Assim, ao medir a velocidade do ultrassom em uma substância sólida, líquida ou gasosa, erros muito pequenos são obtidos ao observar processos rápidos, ao determinar o calor específico (gás), ao medir as constantes elásticas dos sólidos.

Alta frequência em baixas amplitudes permite alcançar densidades aumentadas de fluxos de energia, pois a energia de uma onda elástica é proporcional ao quadrado de sua frequência. Além disso, as ondas ultrassônicas, usadas da maneira correta, podem produzir uma série de efeitos e fenômenos acústicos muito especiais.

Um desses fenômenos incomuns é a cavitação acústica, que ocorre quando uma poderosa onda de ultrassom é direcionada para um líquido. Em um líquido, na região da ação ultrassônica, pequenas bolhas de vapor ou gás (tamanho submicroscópico) começam a crescer até frações de milímetro de diâmetro, pulsando com a frequência da onda e colapsando na fase de pressão positiva.

A bolha em colapso gera localmente um pulso de alta pressão medido em milhares de atmosferas, tornando-se a fonte de ondas de choque esféricas. Microfluxos acústicos gerados perto dessas bolhas pulsantes têm sido úteis para preparar emulsões, limpar peças, etc.

Ao focalizar o ultrassom, imagens sonoras são obtidas em holografia acústica e sistemas de visão sonora, e a energia sonora é concentrada para formar um feixe direcional com características de diretividade definidas e controladas.

Usando uma onda ultrassônica como grade de difração da luz, é possível alterar os índices de refração da luz para diversos fins, pois a densidade em uma onda ultrassônica, como em uma onda elástica, geralmente muda periodicamente.

Por fim, as características relacionadas à velocidade de propagação do ultrassom. Em meios inorgânicos, o ultrassom se propaga a uma velocidade que depende da elasticidade e densidade do meio.

Quanto à mídia orgânica, aqui a velocidade é afetada pelos limites e sua natureza, ou seja, a velocidade da fase depende da frequência (dispersão). O ultrassom decai com a distância da frente de onda da fonte - a frente diverge, o ultrassom é espalhado, absorvido.

A fricção interna do meio (viscosidade de cisalhamento) leva à absorção clássica de ultrassom, além disso, a absorção de relaxamento para ultrassom é superior à clássica. No gás, o ultrassom é mais enfraquecido, nos sólidos e nos líquidos é muito mais fraco. Na água, por exemplo, ele se decompõe 1000 vezes mais devagar do que no ar. Assim, as aplicações industriais do ultrassom estão quase inteiramente relacionadas a sólidos e líquidos.

O uso do ultrassom

O uso do ultrassom está se desenvolvendo nas seguintes direções:

• tecnologia de ultrassom, que permite produzir efeitos irreversíveis em uma determinada substância e no curso de processos físico-químicos por meio de ultrassom com intensidade de unidades de W / cm2 a centenas de milhares de W / cm2;
• controle ultrassônico baseado na dependência da absorção e velocidade do ultrassom do estado do meio pelo qual ele se propaga;
• métodos de localização ultrassônicos, linhas de atraso de sinal, diagnósticos médicos, etc., com base na capacidade de vibrações ultrassônicas de frequências mais altas se propagarem em feixes retilíneos (raios), seguem as leis da acústica geométrica e, ao mesmo tempo, se propagam em velocidade relativamente baixa.

O ultrassom desempenha um papel especial no estudo da estrutura e das propriedades de uma substância, pois com sua ajuda é relativamente fácil determinar as mais diversas características dos ambientes materiais, como constantes elásticas e viscoelásticas, características termodinâmicas, formas de superfícies de Fermi, deslocamentos, imperfeições da rede cristalina, etc. O ramo relevante do estudo do ultrassom é chamado de acústica molecular.

Ultrassom em ecolocalização e sonar (alimentos, defesa, mineração)

O primeiro protótipo de sonar foi criado para evitar colisões de navios com blocos de gelo e icebergs pelo engenheiro russo Shilovsky junto com o físico francês Langevin em 1912.

O dispositivo usa o princípio de reflexão e recepção de ondas sonoras. O sinal era direcionado a um determinado ponto, e pelo atraso do sinal de resposta (eco), conhecendo a velocidade do som, era possível estimar a distância até o obstáculo que refletia o som.

Shilovsky e Langevin iniciaram um estudo aprofundado da hidroacústica e logo criaram um dispositivo capaz de detectar submarinos inimigos no Mediterrâneo a uma distância de até 2 quilômetros. Todos os sonares modernos, incluindo os militares, são descendentes deste dispositivo.

Os ecobatímetros modernos para estudar o relevo do fundo consistem em quatro blocos: um transmissor, um receptor, um transdutor e uma tela.A função do transmissor é enviar pulsos ultrassônicos (50 kHz, 192 kHz ou 200 kHz) para dentro da água, que se propagam pela água a uma velocidade de 1,5 km/s, onde são refletidos por peixes, pedras, outros objetos e abaixo, após este eco chegar ao receptor, um conversor é processado e o resultado é mostrado no display de uma forma conveniente para a percepção visual.

Ultrassom na indústria eletrônica e elétrica

Muitas áreas da física moderna não podem prescindir do ultrassom. A física de sólidos e semicondutores, bem como a acústica eletrônica, estão de muitas maneiras intimamente relacionadas aos métodos de pesquisa ultrassônicos - com efeitos a uma frequência de 20 kHz e superior. Um lugar especial aqui é ocupado pela eletroeletrônica acústica, onde ondas ultrassônicas interagem com campos elétricos e elétrons dentro de corpos sólidos.

Ondas ultrassônicas volumétricas são usadas em linhas de atraso e em ressonadores de quartzo para estabilizar a frequência em sistemas eletrônicos modernos para processamento e transmissão de informações. em dispositivos de leitura de memória e imagem. Por fim, correladores e convolvedores utilizam o efeito acustoelétrico transversal em sua operação.

Radioeletrônica e Ultrassom

As linhas de atraso ultrassônicas são úteis para atrasar um sinal elétrico em relação a outro.Um pulso elétrico é convertido em uma vibração mecânica pulsada com frequência ultrassônica, que se propaga muitas vezes mais lentamente que um pulso eletromagnético; a vibração mecânica é então convertida de volta em um pulso elétrico e um sinal é produzido que é atrasado em relação à entrada original.

Para tal conversão, normalmente são utilizados transdutores piezoelétricos ou magnetostritivos, razão pela qual as linhas de atraso também são chamadas de piezoelétricas ou magnetostritivas.

Em uma linha de retardo piezoelétrica, um sinal elétrico é aplicado a uma placa de quartzo (transdutor piezoelétrico) rigidamente conectada a uma haste de metal.

Um segundo transdutor piezelétrico é conectado à outra extremidade da haste. O transdutor de entrada recebe o sinal, gera vibrações mecânicas que se propagam ao longo da haste, e quando as vibrações atingem o segundo transdutor através da haste, um sinal elétrico é produzido novamente.

A velocidade de propagação das vibrações ao longo da haste é muito menor que a de um sinal elétrico, portanto, o sinal que passa pela haste é atrasado em relação à entrada por uma quantidade relacionada à diferença nas velocidades das vibrações eletromagnéticas e ultrassônicas.

A linha de atraso magnetostritivo conterá o transdutor de entrada, ímãs, fio de som, transdutor de saída e absorvedores. O sinal de entrada é aplicado à primeira bobina, as oscilações de frequência ultrassônica - oscilações mecânicas - começam no condutor acústico da haste feita de material magnetostritivo - o ímã cria aqui magnetização permanente na zona de transformação e indução magnética inicial.

Na haste, as vibrações se propagam a uma velocidade de 5000 m/s, por exemplo, para uma haste de 40 cm de comprimento, o atraso será de 80 μs. Atenuadores em ambas as extremidades da haste evitam reflexões de sinal indesejadas. Distúrbios magnetostritivos causarão uma mudança na indução no EMF do segundo enrolamento (conversor de saída).

Ultrassom na indústria de transformação (corte e soldagem)

Um material abrasivo (areia de quartzo, diamante, pedra, etc.) é colocado entre a fonte de ultrassom e a peça de trabalho. O ultrassom atua nas partículas abrasivas, que por sua vez atingem a peça com a frequência do ultrassom. O material da peça sob a influência de um grande número de pequenos golpes de grãos abrasivos é destruído - é assim que o processamento é realizado.

O corte é adicionado com o movimento de avanço, enquanto as oscilações de corte longitudinal são as principais. A precisão do tratamento ultrassônico depende do tamanho dos grãos do abrasivo e chega a 1 mícron. Desta forma, são feitos cortes complexos, necessários na produção de peças metálicas, retificação, gravação e furação.

Se for necessário soldar metais diferentes (ou mesmo polímeros) ou combinar uma peça grossa com uma placa fina, o ultrassom novamente vem em socorro. Este é o chamado soldagem ultrassônica fria… Sob a influência do ultrassom na zona de soldagem, o metal se torna muito plástico, as peças podem girar facilmente durante a união em qualquer ângulo. E vale a pena desligar o ultrassom - as peças vão se conectar imediatamente, pegar.

É especialmente notável que a soldagem seja realizada a uma temperatura abaixo do ponto de fusão das peças, e sua conexão realmente ocorra estado sólido... Mas aços, titânio e até molibdênio são soldados dessa maneira. Folhas finas são as mais fáceis de soldar. Este método de soldagem não implica preparação especial da superfície das peças, isso também se aplica a metais e polímeros.

O teste ultrassônico é usado para detectar defeitos do tipo plano no metal durante a soldagem (rachaduras, falta de penetração, falta de adesão). Este método é muito eficaz para aços de grão fino.

Ultrassom em metalurgia (detecção de falhas ultrassônicas)

Detecção ultrassônica de defeitos — detecção de defeitos baseada na alteração das condições de propagação de vibrações elásticas, principalmente ultrassônicas.

A detecção ultrassônica de falhas é um dos métodos mais eficazes para o controle de qualidade não destrutivo de peças metálicas.

Em um meio homogêneo, o ultrassom se propaga em uma direção sem atenuação rápida, e a reflexão é característica dele no limite do meio. Assim, as peças de metal são verificadas quanto a vazios e rachaduras dentro delas (interface ar-metal) e o aumento da fadiga do metal é detectado.

O ultrassom pode penetrar em uma peça a uma profundidade de 10 metros, e o tamanho dos defeitos detectados é da ordem de 5 mm. Existem: sombra, pulso, ressonância, análise estrutural, visualização, — cinco métodos de detecção ultrassônica de defeitos.

O método mais simples é a detecção de defeito de sombra ultrassônica, esse método é baseado na atenuação de uma onda ultrassônica quando ela encontra um defeito ao passar por uma peça, pois o defeito cria uma sombra ultrassônica.Dois conversores funcionam: o primeiro emite uma onda, o segundo a recebe.

Este método é insensível, um defeito é detectado apenas se sua influência alterar o sinal em pelo menos 15%, além disso, é impossível determinar a profundidade onde o defeito está localizado na peça. Resultados mais precisos são obtidos pelo método de ultrassom pulsado, também mostra a profundidade.

Para emitir e receber vibrações elásticas são usadas transdutores piezelétricos, e na faixa de som e baixas frequências ultrassônicas - transdutores magnetostrictivos.

Os seguintes métodos são usados ​​para transferir vibrações elásticas do transdutor para o produto controlado e vice-versa:

• sem contato;
• contato seco (principalmente para baixas frequências);
• contato com um lubrificante (antes do teste, uma camada de óleo ou água com espessura muito menor que o comprimento de onda elástico é aplicada na superfície processada do produto de forma limpa);
• contato do jato (através de uma corrente de líquido que flui em um pequeno espaço entre o elemento piezoelétrico e a superfície do produto);
• imersão (o produto controlado é imerso em um banho e o contato é feito através de uma camada de líquido, cuja espessura deve ser de no mínimo 1/4 da espessura do produto).

A vantagem dos métodos de imersão, jato de tinta e sem contato é a ausência de desgaste nos cabeçotes de busca e a possibilidade de utilização de velocidades de varredura mais altas, bem como a possibilidade de automatização do gerenciamento.

Veja também:

Corte ultrassônico de metais

Instalações para limpeza ultrassônica de peças

Sensores ultrassônicos para sistemas de automação

Sensores e aparelhos de medição para determinação da composição e propriedades de substâncias