la Fizica - aplicatiile ultrasunetelor si infrasunetelor in industrie

Proiect la Fizica

Aplicatiile ultrasunetelor si infrasunetelor in industrie

Aplicatiile ultrasunetelor si infrasunetelor in industrie

Oscilatii si unde! Lumea minunata a armoniilor, a concordantelor si discordantelor create de oscilatii! Zilnic si permanent, traim intr-o lume a oscilatiilor si undelor: valurile marii, sunetele produse de megafon, pulsul nostru, leganatul unui balansoar, tic-tacul ceasornicului  totul este oscilatie.

     In natura, in tehnica, pretutindeni de altfel, permanent, urechile omului sunt expuse la cele mai diferite sunete, zgomote si pocnete. Astfel, exista un univers sonor in care omul este asaltat  de cele mai diverse vibratii provenite de la diferite surse sonore. Acordurile unui pian, suieratul vantului sau freamatul frunzelor ajung la urechea noastra sub forma de vibratii sonore ce provoaca asa numita senzatie auditiva.

     Literatura de specialitate imparte domeniul vibratiilor mecanice in trei categorii:

• Sunetele - vibratii cu frecventa cuprinsa intre 16 si 20000 Hz;
• Ultrasunetele - cu frecventa mai inalta de 20000 Hz;
• Infrasunetele - vibratii cu frecvente mai mici de 16 Hz.

     Vibratiile infrasonore, la intensitati mari, influenteaza comportarea si sanatatea omului. Efectele infrasunetelor sunt cumulative, dau senzatii de voma si oboseala, produc irascibilitate. Mediul inconjurator contine nenumarate surse de infrasunete: aparate de uscare prin ventilatie, automobile, tramvaie, elicoptere etc.

Ultrasunetele

Interactiunile ultrasunetelor

Mecanismele de interactiune posibile la trecerea undelor ultrasonice printr-un mediu sunt urmatoarele:

mecanismul termic;

cavitatia;

mecanismul de tensionare.

Mecanismul termic:

Interactiunea ultrasunetelor cu materia este urmata de absorbtia de catre mediu a unei parti din energia fasciculului, care se transforma in caldura. Caldura generata pe unitatea de volum a mediului este proportionala cu intensitatea acustica si cu coeficientul de absorbtie si invers proportionala cu densitatea mediului si cu caldura lui specifica. Tinand cont de efectul conductiei termice, se apreciaza ca dupa un timp temperatura va atinge o valoare de echilibru. Pentru corpurile sferice cresterea temperaturii de echilibru, ca si timpul pentru a atinge aceasta temperatura sunt proportionale cu patratul razei.

Cavitatia:

Cavitatia se poate defini ca fiind fenomenul dinamic de aparitie, dezvoltare si disparitie prin implozie a unor bule de gaz, in masa unui lichid in miscare. Aparitia acestor bule are loc atunci cand presiunea scade sub o valoare critica, reprezentata de presiunea de vaporizare.

Intr-un sens restrans al cuvantului, prin cavitatie se intelege procesul dinamic de formare si surpare a cavitatilor dintr-un curent de lichid, care contine vapori si gaze. In lichidele normale, aceste cavitati se formeaza atunci cand presiunea in anumite puncte se reduce pana la valoarea presiunii de vaporizare a lichidului. In aceste puncte sau zone, lichidul fierbe si se formeaza bule de vapori, care impreuna cu lichidul ajung in zona presiunilor ridicate, unde are loc surparea acestor cavitati.

Condensarea bulelor de vapori in aceasta regiune provoaca socuri hidraulice locale sau suprapresiuni, in momentul in care, la sfarsitul condensarii, particulele inconjuratoare de lichid inainteaza spre centrul bulei, se ciocnesc si se opresc brusc. In acest loc energia cinetica se tranforma in energie elastica de deformatie. In zonele in care se termina procesul de cavitatie, cresterea presiunii datorata socurilor hidraulice poate atinge valori de zeci, sute, sau mii de atmosfere, iar energia acestor socuri se propaga sub forma undelor de presiune care se manifesta in exterior prin vibratii puternice si zgomote caracteristice. In zona de vaporizare apare un mediu spumos, care printr-o conducta transparenta poate fi observat si cu ochiul liber.

Cavitatia poate fi stabila sau temporara. Diametrul unei cavitati stabile care poate intra in rezonanta pentru producerea fenomenului de cavitatie in apa, la trecerea undelor ultrasonice cu frecventa de 1 MHz, este de aproximativ 3,5 m. Intensitatea acustica necesara pentru aparitia cavitatiei in apa este de ≈30 mW/cm². Cand bula se dilata si se contracta, se formeaza microcurenti in care gradientii de viteza pot fi foarte mari. Cavitatia temporara este mai violenta decat cea stabila. Cand o bula de gaz dintr-un mediu este supusa actiunii campului ultrasonic, cu o amplitudine de presiune mare, ea isi mareste raza de mai multe ori fata de valoarea initiala si apoi explodeaza violent. In etapele finale ale exploziei, energia cinetica este cedata unui volum extrem de mic si din acest motiv se produc presiuni si temperaturi mari. In aceste conditii mediul are de suferit, cel putin datorita undelor mecanice de soc si a temperaturilor inalte.

Mecanismul de tensionare:

In sisteme eterogene supuse actiunii unui camp ultrasonic apar tensiuni sau forte rezultante, clasificate astfel:

forte oscilatorii, a caror medie in timp este egala cu zero si care produc o presiune asupra corpurilor cu densitate diferita fata de mediul inconjurator;

forte de deplasare, care au media in timp diferita de zero si pot provoca deplasarea neomogenitatilor din mediu cu viteze diferite;

fortele datorate variatiei vascozitatii in timpul aplicarii ultrasunetelor. Cele trei forte prezentate determina aparitia in campul ultrasonic a unor microcurenti, pusi in evidenta in apropierea bulelor de gaz care vibreaza.

Producerea ultrasunetelor

Lucrare: Detergenti .Sapunuri. Substante tensio-active - clasificare Lucrare: Test ARENE - chimie

Undele ultrasonice se obtin prin metode mecanice, magnetostrictive si piezoelectrice. Corpul care vibreaza si genereaza unde ultrasonice este denumit sursa acustica sau sursa de ultrasunete. La baza obtinerii ultrasunetelor se afla cel mai adesea fenomenul piezoelectric, efect descoperit in anul 1880 de catre Pierre si Jacques Curie. Aparitia polarizarii electrice la suprafata unui cristal atunci cand asupra lui se exercita o presiune mecanica sau o tractiune se numeste efect piezoelectric direct. Aplicarea unui camp electric pe suprafata unui cristal piezoelectric duce la contractia sau dilatarea acestuia si la emisia unor unde acustice. Acest fenomen se numeste efect piezoelectric invers. Materialele piezoelectrice cele mai folosite sunt: titanatul de bariu, zirconatul de plumb (materiale piezoceramice) si fluorura de poliviniliden (material plastic). Cuartul natural sau cel sintetic poseda de asemenea proprietati piezoelectrice, avantajele acestuia fiind rezistenta mecanica si frecarea interna redusa. Materialele piezoceramice poseda o mai buna eficienta a conversiei energiei electrice in energie mecanica, sunt ieftine, se prelucreaza usor si necesita tensiuni scazute. Efectul magnetostrictiv consta in faptul ca unele materiale feromagnetice isi modifica dimensiunile la magnetizare. Atunci cand aceste materiale se afla intr-un camp magnetic variabil, ele incep sa oscileze, devenind surse de unde acustice. In ambele cazuri de generare a ultrasunetelor, este necesar ca dimensiunile placutelor oscilante sa fie astfel alese incat frecventa lor proprie sa coincida cu frecventa de excitatie (frecventa campului electric, respectiv a campului magnetic). Deci generatoarele de ultrasunete lucreaza in regim de rezonanta. Traductoarele de ultrasunete asigura conversia reciproca si succesiva a energiei electrice in energie mecanica. Elementul lor activ este constituit de cristalul piezoelectric. Acesta are forma unui disc si este acoperit pe ambele fete cu doua straturi metalice, bune conducatoare de electricitate, pe care se aplica doi electrozi, cate unul pe fiecare suprafata. Aplicarea unei tensiuni electrice intre electrozi va provoca deformarea cristalului si consecutiv emisia de energie mecanica spre ambele suprafete. Straturile metalice au atat rolul de a transfera tensiunea electrica cristalului, cat si acela de a prelua impulsul electric creat la suprafata acestuia dupa actiunea ultrasunetelor reflectate in tesuturi. Acest impuls electric creat este condus apoi spre sistemul de amplificare al aparatului. Grosimea discului piezoelectric determina frecventa nominala. Pe suprafata interioara dinspre mediul asupra caruia se actioneaza este dispusa uneori o lentila acustica, cu o grosime egala cu un sfert din lungimea de unda a frecventei de excitatie electrica. Lentila este denumita si strat adaptiv de sfert de lungime de unda, rolul sau fiind acela de focalizare si de a face ca fiecare impuls electric sa il intareasca pe celalalt, marind astfel randamentul traductorului. In fata lentilei este plasat un strat izolator cu impedanta asemanatoare cu cea a corpului. In spatele discului piezoelectric este introdus un strat de material ce absoarbe US emise apoi si pentru a amortiza vibratiile care nu au frecventa dorita. Tot acest ansamblu este inconjurat de un strat izolator acustic si este introdus intr-o husa de material plastic cu care operatorul vine in contact in timpul examinarii. Fata posterioara a materialului piezoelectric este captusita cu un material atenuator, avand rolul de a reduce capacitatea de rezonanta sonora.

Ultrasunetele se utilizeaza pe scara larga:

in industrie;

in medicina.

Ultrasunetele in industrie:

Ultrasunetele sunt utilizabile in toate etapele unui proces tehnologic, de la conditionarea materiei prime pana la controlul procesului.

Exemple de operatii tehnologice efectuate sub actiunea US:

dispersarea procesul fizic de raspandire a particulelor unei substante printre cele ale altei substante;

curatirea, bazata pe fenomenul de cavitatie. Curatirea cu ultrasunete este mult utilizata datorita calitatii operatiei efectuate, a timpului scurt de lucru, a diversitatii materialelor ce pot fi supuse acestei operatii;

sedimentarea, bazata pe aglomerarea particulelor fine, solide sau lichide, in zona nodurilor unui camp stationar produs de propagarea ultrasunetelor;

filtrarea, operatia de separare a unei substante solide dintr-un lichid;

emulsionarea, bazata pe dispersarea particulelor unui lichid in altul in care este miscibil, sau a unei substante solide intr-un lichid in care nu se dizolva;

extractia, operatia de separare a uneia sau a mai multor substante dintr-un amestec;

stimularea unor reactii chimice (cum ar fi cele de polimerizare);

uscarea, procesul de eliminare a apei dintr-un material;

cristalizarea, bazata pe diferenta de solubilitate a componentelor unui amestec;

sterilizarea, bazata pe actiunea distructiva a ultrasunetelor asupra microorganismelor (in industria alimentara).

Ultrasunetele sunt utilizate la spalarea lanii naturale. In urma spalarii cu sapun si soda, lana isi micsoreaza rezistenta firului, prelucrarea fiind mai dificila. Indepartarea impuritatilor se poate realiza cu ultrasunete, care produc o emulsie in prezenta sapunului. De asemenea, ultrasunetele sunt aplicate cu foarte bune rezultate la vopsirea fibrelor naturale si sintetice. Sub energia ultrasunetelor, vopseaua cuprinde in mod uniform toata masa de fibre pe care se fixeaza bine.

O alta aplicatie activa a ultrasunetelor consta in perforarea si taierea materialelor foarte dure (diamantul, otelurile speciale, cablurile de wolfram). Principiul metodei seamana cu procesul de eroziune a rocilor si stancilor.

In principiu, prelucrarea cu ajutorul ultrasunetelor consta in urmatoarele: se introduce piesa (sau portiunea de piesa) care trebuie prelucrata intr-un lichid in care se gasesc in suspensie particule de praf abraziv dur. Sub actiunea unei surse de ultrasunete in lichid apare fenomenul de cavitatie. Datorita socurilor hidraulice particulele de abraziv sunt lovite cu putere de suprafata piesei smulgand aschii din aceasta. Pe acest principiu se bazeaza construirea unor masini unelte care sa taie filetele si dintii pinioanelor fine, care rectifica piese complicate, taie si gauresc placi etc.

Dintre numeroasele aplicatii ale ultrasunetelor nu vom mai mentiona decat defectoscopia ultrasonora. Controlul ultrasonor permite stabilirea existentei unor defecte (fisuri, goluri) in interiorul unor piese metalice masive. Principalele tipuri de defectoscoape ultrasonore utilizeaza transmisia sau reflexia.

In defectoscopul prin transmisie emitatorul si receptorul de ultrasunete sunt situate de o parte si de alta a piesei de cercetat (fig.1). Daca intre emitator si receptor nu exista nici un defect (de exemplu intre sursa S₁ si receptorul R₁) semnalul ultrasonor transmis va trece neatenuat producand o anumita deviatie a acului aparatului de inregistrare (A₁). In cazul in care intalneste un gol (D) o parte a semnalului ultrasonor este reflectat pe suprafata de separare dintre metal si aerul din golul respectiv si semnalul este mult atenuat ceea ce se va observe la aparatul indicator (A₂). Dispozitivul folosit practic are o singura pereche emitator-receptor care este plimbata in lungul piesei de cercetat. Aceasta metoda are doua incoveniente : in primul rand ultrasunetele propagandu-se prin piesa se reflecta pe fetele opuse ale acesteia ingreunand observarea defectelor; in al doilea rand acest procedeu nu permite stabilirea adancimii la care se gasesc defectele.

Aceste incoveniente sunt in buna masura eliminate de defectoscoapele prin reflexie (sau in impulsuri). La acestea emitatorul si receptorul sunt situate de aceeasi parte a piesei unul langa altul (fig.2a). Ultrasunetele se propaga prin piesa, ajung la fata opusa unde sunt reflectate si apoi revin la receptor. Daca in piesa exista un defect, semnalul ultrasonor se va reflecta de acesta si va ajunge mai devreme la receptor decat cel reflectat de fata opusa. Emitatorul genereaza impulsuri scurte la intervale lungi constante care impreuna cu semnalul reflectat sunt marcate pe ecranul unui oscilograf. In fig.2b prin 1 si 3 am indicat locurile unde spotul luminos are devieri bruste care marcheaza momentele in care a fost emis semnalul ultrasonor si respectiv in care a fost receptat semnalul reflectat de fata opusa. Prin 2 am indicat locul unde este indicata primirea unui semnal reflectat de un defect. Pozitia relativa a acestuia in raport cu 1 si 3 ne permite sa determinam adancimea la care se gaseste defectul.

Ultrasunetele se utilizeaza si la comunicarile submarine, ceea ce nu se poate face cu unde electromagnetice, deoarece acestea nu se propaga prin apa cu aceeasi usurinta ca vibratiile mecanice. Ultrasunetele au si alte utilizari in tehnica contemporana la controlul materialelor metalice, observandu-se astfel unele defecte ascunse ale obiectelor.

Umidometrul cu ultrasunete

Umidometrele cu ultrasunete, fara penetrare masoara umiditatea lemnului sau a produselor din lemn in adancime, rapid, cu mare precizie, fara deteriorarea materialului. Masurarea se bazeaza pe caracteristicile dielectrice constante ale materialului.

Tipul umidometrului potrivit se selecteaza in functie de adancimea scanarii instrumentului si grosimea lemnului. Masurarea optima se efectueaza cand ultrasunetele umidometrului patrund pana la jumatatea adancimii lemnului. In situatia cand grosimea lemnului este mai subtire decat adancimea de scanare a umidometrului, masurarea trebuie efectuata cu ajutorul unei placi de polistiren cu o grosime minima de 10cm pusa sub material.

Aspiratorul care se orienteaza cu ultrasunete

Fara sac, facute special pentru a distruge orice fir de praf, cu apa, cu tehnologie de comprimare a prafului sau cu orientare prin ultrasunete. Acestea sunt doar cateva caracteristici pe care le au aspiratoarele de ultima generatie.

LG Kompressor all-in AllergyCare - este primul aspirator cu tehnologie de comprimare a prafului, fara sac; dispune de un sistem inovator de aspirare multiciclonic si include un filtru HEPA (High Efficiency Particulate Filter).

Tehnologia spalarii cu ultrasunete:

Unele probleme pe care le avem in timpul procesului de productie sunt cele legate de curatarea materialelor folosite in timpul acestui proces. Lipsa sau curatarea nesatisfacatoare (incompleta) a acestora, cum ar fi ramele, pipetele, angrenajele etc. duc la un rezultat final al procesului de productie incomplet sau continand erori ce trebuiesc ulterior remediate, dar care atrag cheltuieli suplimentare nejustificate.

Efectul cavitational si vibratia mecanico-moleculara sunt doua efecte fundamentale in acest proces. Ultrasunetele nu sunt create de catre simple aparate electrice si nu se nasc direct dintr-un generator electric. Generatorul de ultrasunete genereaza in realitate doar inalta frecventa electrica alternanta (25000, 45000, 350000 Hz), iar acestea sunt trimise catre transductoarele de ultrasunete care transforma energia electrica in unde alternante mecanice sinusoidale pulsante amplificate. Aceste unde sonice reprezinta de fapt ultrasunetele, acele unde acustice ce vibreaza intre 18.000Hz si cca. 10 miliHz intr-o secunda. Puterea reala absorbita de catre un generator nu este un parametru valid pentru a putea defini puterea efectiva de curatare a unui sistem de curatare cu ultrasunete.

Efectul cavitational si vibratiile moleculare:

Efectul de cavitatie ultrasonica si conceptul de vibratie moleculara, stau la baza acestui tip de spalare, cavitatia ultrasonica fiind o compresie apoi expansiune fizica cunoscuta de multi ani in hidraulica si implica faptul ca ultrasunetele emise comprima apoi maresc volumul moleculelor, creand astfel asa-numitele explozii (presiunea locala poate ajunge pana la 1300 bari) care indeparteaza in totalitate impuritatile de pe suprafata dorita.

Sectoarele tipice de folosire ale acestui tip de spalare:

Aceasta tehnologie este de fapt fara limite, zilnic intalnind noi sectoare, aici amintim decaparea impuritatilor delicate din mecanica de precizie si sectorul electronic (microcipuri, condensatori etc.), pentru spalari din domeniul hidraulic sau termoelectric (supape, injectoare) sau pentru spalarea eficace a matritelor folosite pentru diverse injectari (aluminiu, plastic).

Spalarea componentelor tehnologice:

Grupurile de spalare cu ultrasunete comercializate de catre InterElectronic Hungary depasesc cu mult nivelul normal de cavitatie ultrasonica, de simple bule ce apar in jurul obiectelor de curatat, astfel permit curatarea intr-un mod foarte eficace a circuitelor electronice chiar in prezenta componentelor lipite de tipul "a nu se introduce in lichide", asigura o spalare perfecta a sofisticatelor componente audio si video, asigura numeroase solutii pentru curatarea instrumentelor de bord al navelor si aeronavelor, a componentelor de masura ale radarelor, satelitilor, in general al partilor mecanice ale centralelor nucleare.

Infrasunetele

Frecventele de la limita inferioara de auz a urechii omului pana la 0.001 Hz sunt denumite infrasunete. Frecventele in aceasta limita sunt utilizate si la seismografice pentru monitorizarea cutremurelor. Sunt caracterizate de posibilitatea de a acoperi o distanta mare si de a ocoli obstacole cu foarte putina disipare.
Ele provin natural din valurile oceanurilor, avalanse, cutremure, eruptii vulcanice si meteoriti, iar artificial din explozii. Balenele, elefantii, rinocerii, girafele si aligatorii sunt cunoscute ca animale care folosesc infrasunetele pentru comunicarea pe diferite distante. Oamenii de stiinta au mai descoperit accidental ca vortexul unei tornade creaza infrasunete, ele fiind detectabile de la 100 mile, astfel fiind posibila declansarea unui semnal de alarma inainte sa ajunga la tarm.

Infrasunetele pot cauza sentimente de frica la oameni. Din moment ce nu sunt percepute constient, poate lasa impresia ca se intampla evenimente supranaturale. Intr-un experiment controlat din Septembrie 2003, oamenii de la un concert au fost rugati sa isi dea opinia la un numar de piese, unele care au fost acompaniate de infrasunete; participantii nestiind acest lucru. Multi dintre participanti au spus ca au avut senzatii de anxietate, frica, nervozitate s.a. in corelatie cu infrasunetele.

Infrasunetele in industrie:

pentru demolari - la o inaltime foarte specifica a infrasunetelor, acestea cauzeaza explozia diferitelor  constructii.

In timpul explozilor, se emit infrasunete cu o forta distructiva puternica. Mult timp s-a crezut ca spargerea geamurilor se datoreaza suflului exploziilor, dar s-a demonstrate ca unda infrasonica este vinovata de aceasta prin faptul ca ea rezoneaza in toate cavitatile pe care le intalneste. 

Bibliografie:

Iosif  Nagy - "Ultrasunetele si aplicatiile lor"

Stelian Apostolescu - "Lumea oscilatiilor si a undelor"

Lecturi de fizica, Editura Didactica si pedagogica, Bucuresti 1980