Скорость ультразвука в металле: ООО НТЦ Эксперт — Неразрушающий контроль. Аттестация лабораторий и специалистов неразрушающего контроля, производство, поставка и метрология средств НК

ООО НТЦ Эксперт — Неразрушающий контроль. Аттестация лабораторий и специалистов неразрушающего контроля, производство, поставка и метрология средств НК

Наша лаборатория оказывает услуги по измерению скорости ультразвука в различных материалах. Нормативные скорости распространения продольных ультразвуковых волн в сталях, сплавах и других материалах приведены в таблице.

Материал	Скорость, м/с	Материал	Скорость, м/с
Алюминий	6260	Алюминиевый сплав Д16Т	6320
Бериллий	12800	Бронза (фосфористая)	3530
Бетоны	2000 — 5400	Базальт	5930
Гипс	4790	Габбро 38	6320
Ванадий	6000	Висмут	2180
Вода	1490	Воздух	331
Вольфрам	5460	Гнейс	7870
Гранит	4450	Глицерин	1923
Железо	5850	Диабаз 85	5800
Золото	3240	Доломит	4450
Дюралюминий	6300	Известняк	6130
Латунь	4430	Известняк 86	4640
Латунь ЛС-59-1	4360	Капрон	2640
Литий	3600	Кадмий	2700
Константан	5240	Кварц плавленый	5930
Манганин	4660	Лабрадорит 44	5450
Марганец	5561	Лед	3980
Медь	4700	Мрамор	6150
Молибден	6290	Магний	5790
Масло трансформаторное	1380	Полистирол	2350
Плексиглас	2670	Платина	3400
Никель	5630	Резина	1480
Ртуть	1450	Сталь коррозийно-стойкая	5660-6140
Олово	3320	Стекло оконное	5700
Осмий	5478	Слюда	7760
Свинец	2160	Стекло органическое	2550
Серебро	3600	Стекло силикатное	5500
Сталь ХН77ТЮР	6080	Сталь Х15Н15ГС	5400
Сталь 20 ГСНДМ	6060	Сталь Ст3	5930
Сталь углеродистая	5900-5940	Сталь аустенитная	5770-6140
Сталь марки 25	5905-5920	Сталь марки 40	5880-5920
Сталь марки 45	5895-5924	Сталь марки У7	5903-5932
Сталь марки У10	5928-5934	Сталь марки 20Х	5784-5932
Ситалл	6740	Текстолит	2920
Сталь 40ХНМА	5600	Тефлон	1350
Сталь ХН70ВМТЮ	5960	Фарфор	5340
Сталь ХН35ВТ	5680	Эбонит	2400
Тантал	4235	Цирконий	4900
Титан	6900	Хром	6845
Цинк	4170	Чугун	3500 — 5600
Шлак (спекшийся флюс) АН-348	6000	Шлак (спекшийся флюс) 48-АФ-1	4000
Кварц плавленный	5930	Мягкие ткани	1450

Скорость звука в материалах | Olympus IMS

Скорость звука в материалах

В таблице ниже представлена скорость распространения продольных ультразвуковых волн в различных материалах, измеряемых с помощью ультразвуковых толщиномеров. Эта информация предназначена для общего руководства. Реальная скорость звука в материале может сильно варьироваться в зависимости от целого ряда причин и условий, таких как: состав, кристаллическая структура, пористость и температура. Это особенно касается литых металлов, стекловолокна, пластмасс и композитов. Для обеспечения максимальной точности измерения толщины, скорость звука в материале следует измерять после калибровки скорости на образце известной толщины.

Скорость ультразвука в материале

Материал	V (дйм/мкс)	V (м/с)
Акрил (Perspex)	0,1070	2730
Алюминий	0,2490	6320
Бериллий	0,5080	12900
Латунь	0,1740	4430
Композиты, графит/эпоксидная смола	0,1200	3070
Медь	0,1830	4660
Алмаз	0,7090	18000
Стекловолокно	0,1080	2740
Глицерин	0,0760	1920
Inconel®	0,2290	5820
Железо, литье (мягк. )	0,1380	3500
Железо, литье (тверд.)	0,2200	5600
Железная руда (магнитная)	0,2320	5890
Свинец	0,0850	2160
Lucite®	0,1060	2680
Молибден	0,2460	6250
Моторное масло	0,0690	1740
Никель, чистый	0,2220	5630
Полиамид	0,0870	2200
Нейлон	0,1020	2600
Полиэтилен, высокой плотности (HDPE)	0,0970	2460
Полиэтилен, низкой плотности (LDPE)	0,0820	2080
Полистирен	0,0920	2340
Поливинлхлорид (ПВХ)	0,0940	2395
Каучук, полибутадиен	0,0630	1610
Кремний	0,3790	9620
Силикон	0,0580	1485
Сталь, 1020	0,2320	5890
Сталь, 4340	0,2300	5850
Сталь, 302 аустенитная нержавеющая	0,2260	5740
Олово	0,1310	3320
Титан	0,2400	6100
Вольфрам	0,2040	5180
Вода (20 °C)	0,0580	1480
Цинк	0,1640	4170
Цирконий	0,1830	4650

Sorry, this page is not available in your country

Let us know what you’re looking for by filling out the form below.

параметры, виды волн, затухание и отражение

Дмитрий Левкин

Ультразвук — механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.

Основными параметрами волны являются длина волны и период. Число циклов совершенных за одну секунду называется частотой и измеряется в Герцах (Гц). Время, требуемое чтобы совершить полный цикл, называется периодом и измеряется в секундах. Взаимосвязь между частотой и периодом волны приведено в формуле:

,

• где f – частота, Гц,
• T – период, с

Рисунок 1 – Основные параметры ультразвуковой волны

Скорость звука в идеальном упругом материале при заданной температуре и давлении является постоянной. Связь между скоростью ультразвука и длиной волны следующая:

,

• где λ – длина волны, м,
• с – скорость звука, м/с

В твердых веществах для продольных волн скорость звука [1]

,

• где c_l – скорость звука для продольных волн, м/c,
• E – модуль упругости, Па,
• μ – коэффициент Пуассона,
• ρ – плотность, кг/м³

Для поперечных волн она определяется по формуле

,

• где c_t – скорость звука для поперечных волн, м/с,
• G – модуль сдвига, Па

Дисперсия звука — зависимость фазовой скорости монохроматических звуковых волн от их частоты. Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическими свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны [2].

Рисунок 2 – Движение частиц в продольных и поперечных ультразвуковых волнах

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны [3].

Волна Лэмба — упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Интенсивность звука (сила звука) — средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны, в единицу времени. Для периодического звука усреднение производится либо за промежуток времени большой по сравнению с периодом, либо за целое число периодов [2]. Интенсивность ультразвука – величина, которая выражает мощность акустического поля в точке [6].

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

,

• где р — амплитуда звукового давления, Па
• v — амплитуда колебательной скорости частиц, м/c
• ρ — плотность среды, кг/м³
• с — скорость звука, м/c

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова — вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения, понимая под этим удельную мощность излучателя, т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м². В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик — от пороговых значений ~ 10^-12 Вт/м² до сотен кВт/м² в фокусе ультразвуковых концентраторов.

Мощность звука — энергия, передаваемая звуковой волной через рассматриваемую поверхность в единицу времени. Различают мгновенное значение мощности ультразвука и среднее за период или за длительное время. Наибольший интерес представляет среднее значение мощности ультразвука, отнесённое к единице площади, т. н. средняя удельная мощность звука, или интенсивность звука [2].

Таблица 1 — Свойства некоторых распространенных материалов [6]

Материал	Плотность, кг/м3	Скорость продольной волны, м/c	Скорость поперечной волны, м/c	Акустический импеданс, 103 кг/(м2*с)
Акрил	1180	2670	—	3,15
Воздух	0,1	330	—	0,00033
Алюминий	2700	6320	3130	17,064
Латунь	8100	4430	2120	35,883
Медь	8900	4700	2260	41,830
Стекло	3600	4260	2560	15,336
Никель	8800	5630	2960	49,544
Полиамид (нейлон)	1100	2620	1080	2,882
Сталь (низколегированный сплав)	7850	5940	3250	46,629
Титан	4540	6230	3180	26,284
Вольфрам	19100	5460	2620	104,286
Вода (293К)	1000	1480	—	1,480

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

• убывание амплитуды волны с расстоянием от источника, обусловленное формой и волновыми размерами источника;
• рассеяние ультразвука на неоднородностях среды, в результате чего уменьшается поток энергии в первоначальном направлении распространения;
• поглощение ультразвука, т.е. необратимый переход энергии звуковой волны в другие формы, в частности в тепло.

Первая из этих причин связана с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и соответственно уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т.е. интенсивность звука. Для сферической волны, волновая поверхность которой растёт с расстоянием r от источника как r², амплитуда волны убывает пропорционально r ^-1, а для цилиндрической волны — пропорционально r ^-1/2.

Рассеяние ультразвука происходит из-за резкого изменения свойств среды – её плотности и модулей упругости — на границе неоднородностей, размеры которых сравнимы с длиной волны. В газах это могут быть, например, жидкие капли, в водной среде — пузырьки воздуха, в твёрдых телах — различные инородные включения или отдельные кристаллиты в поликристаллах и т. п. Особый интерес представляет рассеяние на хаотически распределённых в пространстве неоднородностях.

Поглощение ультразвука может быть обусловлено различными механизмами. Большую роль играет вязкость и теплопроводность среды, взаимодействие волны с различными молекулярными процессами вещества, с тепловыми колебаниями кристаллической решётки и др.

3атухание звука, обусловленное рассеянием и поглощением, описывается экспоненциальным законом убывания амплитуды с расстоянием, т. е. амплитуда пропорциональна e^-δr, а интенсивность – e^-2δr в отличие от степенного закона убывания амплитуды при расхождении волны, где δ – коэффициент затухания звука [2].

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).

Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле [4]

,

• где α – коэффициент затухания с расстоянием, 1/м,
• L – расстояние, м,
• p(0), p(L) – амплитуда звукового давления в исходной точке и на расстояние L, Па

Коэффициент затухания от времени определяется [5]

,

• где β – коэффициент затухания от времени, 1/с,
• T – время, с,
• p(0), p(T) – амплитуда звукового давления в начале и через время T соответственно, Па

Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае

,

Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике [2].

,

• где A₁ – амплитуда первого сигнала,
• A₂ – амплитуда второго сигнала

Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:

,

Коэффициент затухания выражается либо в децибелах на метр (дб/м), либо в неперах на метр (Нп/м) или что тоже самое м^-1. Затухание в 1 Нп/м означает, что на расстоянии 1м амплитуда волны уменьшается в e раз (e =2,71 — основание натуральных логарифмов или число непера).

1 Нп/м = 8,68 дБ/м

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:

,

• где Z – волновое сопротивление, кг/(м²с),
• ρ – плотность, кг/м³,
• с – скорость звука, м/с

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом

,

• где R – коэффициент отражения звукового давления [1],
• Z₁ – волновое сопротивление первого вещества, в котором распространяется звуковая волна, кг/(м²с),
• Z₂ – волновое сопротивление второго вещества, в которую проходит звуковая волна, кг/(м²с)

,

• где D – коэффициент прохождения звукового давления

Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т. е. Z₁>Z₂, то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ [1].

Коэффициент пропускания энергии τ из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны

,

Интерференция звука — неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции — сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука — отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука — расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны λ, степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

,

• где D — поперечник объекта (например, поперечник ультразвукового излучателя или препятствия),
• r — расстояние точки наблюдения от этого объекта

Излучатели ультразвука — устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию звукового поля энергию какого-либо другого вида.

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи. В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях, магнитострикционных преобразователях, электродинамических излучателях, электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса: они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости [2].

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения. В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса, границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f₀ преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

,

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука — отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью, т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м².

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия, представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля [1].

Рисунок 3 – Звуковое поле круглого излучателя

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

,

• где N – длина ближней зоны, м,
• D – диаметр излучателя, м,
• λ – длина волны, м

Однако поскольку D обычно значительно больше λ, уравнение можно упростить и привести к виду

,

Рисунок 4 – Ближняя и дальняя зоны звукового поля

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, второе — с активным воздействием на вещество и третье — с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

Получение информации с помощью ультразвуковых методов. Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них процессов на макро- и микроуровнях. Эти методы основаны главным образом на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих.

Воздействие ультразвука на вещество. Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.

Обработка и передача сигналов. Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электрических сигналов в различных отраслях радиоэлектроники, например в радиолокации, связи, вычислительной технике, и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. В устройствах для управления электрическими сигналами используются следующие особенности ультразвука: малая по сравнению с электромагнитными волнами скорость распространения; малое поглощение в кристаллах и соответственно высокая добротность резонаторов [2].

Библиографический список

• Й.Крауткремер, Г.Крауткремер. Справочник. Ультразвуковой контроль материалов.-Москва.: Металлургия, 1991.
• Голямина И.П. Ультразвук. -Москва.: из-во «Советская энциклопедия», 1979
• General Electric Sensing. Ultrasonic transducers technical notes.- Panametrics, ltd
• Под редакцией И.С.Григорьева, Е.3.Мейлихова. Справочник. Физические величины.-Москва.:1991.
• Б.А.Агранат, В.И.Башкиров, Ю.И.Китайгородский, Н.Н.Хавский. Ультразвуковая технология.-Москва.:Металлургия, 1974.
• Балдев Радж, В.Раджендран, П.Паланичами. Применения ультразвука.-Москва.:Техносфера, 2006.

Ультразвуковые волны скорость распространения — Энциклопедия по машиностроению XXL

В основном ультразвуковая дефектоскопия основана на прохождении и отражении от дефектов продольных и поперечных волн. Скорость распространения продольной волны можно определить по следующей формуле  [c.168]

Преимущество импульсного метода состоит в том, что коль скоро аппаратура смонтирована, измерения скорости и затухания выполняются быстро и просто, причем можно использовать очень высокие частоты. Кроме того, при образцах из нерассеивающих материалов можно обеспечить очень высокую степень точности измерений. Однако, как указал Девис [26], часто бывает трудно интерпретировать экспериментальные результаты, полученные этим методом. Когда поперечные размеры образца велики по сравнению с его длиной и с длиной ультразвуковых волн, время распространения будет соответствовать  [c.135]

Б них могут распространяться как продольные, так и поперечные волны, или волны сдвига (см. главу восьмую). При падении на линзу плоских продольных волн даже под прямым углом, благодаря наличию кривизны в линзе волны падают на её границы уже под косыми углами при этом возникают поперечные волны, скорость распространения которых меньше скорости распространения продольных волн. Возникающие поперечные волны преломляются под другими углами, чем волны продольные, что приводит к размазыванию картины в фокусе линзы. Вследствие этого акустические линзы из твёрдых тел не могут обеспечить тако 1 чёткой картины, какая получается в случае оптических систем. Построение теории акустических линз, учитывающей наличие как продольных, так и поперечных волн, наталкивается на очень большие трудности здесь ещё почти ничего не сделано. Скомпенсировать влияние поперечных волн экспериментальным путём также пока не удаётся. Указанная трудность вносит, в частности, определённые ограничения в работу ультразвукового микроскопа С. Я. Соколова.  [c.307]

Ультразвуковой метод определения сварочных остаточных напряжений основан на зависимости скорости распространения ультразвуковой волны в металлах от напряженного состояния в них. Измеряют скорости распространения ультразвука на отдельном участке металла до сварки и после сварки, и по изменению скорости судят о значении остаточного напряжения. При измерении остаточных напряжений в шве и околошовной зоне неоднородность свойств может приводить к погрешностям результатов. Положительным свойством данного метода, так же как магнитоупругого, следует считать мобильность проведения экспериментов, не требующих больших подготовительных работ.  [c.424]

При исследовании влияния малоцикловой усталости на скорость распространения ультразвуковых волн рабочая зона образца разбивается на ячейки, в каждой из которых замеряется скорость прохождения ультразвуковой волны. Было установлено, что скорость распространения продольных ультразвуковых волн в сварном шве ниже, чем в основном металле (рис. 5.14).  [c.341]

Изменение скорости распространения ультразвуковых волн по мере накопления уровня усталостных повреждений (N/Np) в зоне термического влияния происходит быстрее, чем в зоне сварного шва и основного металла, что видно из графика (рис. 5.15.).  [c.343]

Важно отметить, что в ходе экспериментов было также установлено скорость распространения продольных ультразвуковых волн в различных направлениях проката различна.  [c.343]

Измерения скорости звука в различных газах, жидкостях и однородных твердых телах показывают, что скорость звука не зависит от частоты, т. е. для звуковых волн дисперсия отсутствует. Иначе обстоит дело с ультразвуковыми волнами большой частоты. Для них обнаружена дисперсия в многоатомных газах и органических жидкостях. Дисперсия ультразвуковых волн происходит также и при распространении их в тонких стержнях, когда длина волны сравнима с диаметром стержня. В случае распространения ультразвуковых волн в металлах дисперсия наблюдается при длине волн, сравнимой с размерами кристаллических зерен.  [c.226]

Основные физические закономерности, свойственные звуку, полностью применимы и для ультразвуковых волн. Наряду с этим малая длина ультразвуковых волн обусловливает и некоторые особые явления, несвойственные волнам звукового диапазона. Направленность излучения звука зависит от соотношения между размерами излучателя и длиной волны (см. 62). Чем меньше длина волны по сравнению с размерами излучателя, тем больше направленность излучения звука. С уменьшением длины волны, кроме того уменьшается также и роль дифракции в процессе распространения волн (см. 57). Поэтому ультразвуковые волны, имеющие сравнительно малую длину волны, могут быть получены в виде узких направленных пучков. В воздухе ультразвуковые волны весьма сильно затухают. Вода по своим акустическим свойствам резко отличается от воздуха. Акустическое сопротивление воды почти в 3500 раз больше, чем воздуха. Следовательно, при одинаковом звуковом давлении скорость колебания частиц воздуха в 3500 раз больше, чем частиц воды. Кинематическая вязкость воды значительно меньше, чем воздуха. Поэтому ультразвуковые волны в воде поглощаются примерно в 1000 раз слабее, чем в воздухе. Этим и объясняется то, что направленные пучки ультразвуковых волн находят широкое применение в гидроакустике для целей сигнализации и гидролокации под водой. Отметим, что использовать для этой же цели электромагнитные волны невозможно, так как их поглощение в воде очень велико. Таким образом, ультразвуковые волны являются, по-существу, единственным видом волнового процесса, который может распространяться с относительно малым поглощением в водной среде.  [c.243]

Эхолот — прибор, предназначенный для измерения глубин моря или реки. Излучатель эхолота устанавливается на днище корабля так, чтобы пучок ультразвуковых волн был направлен вертикально вниз. Он излучает ультразвуковые волны отдельными короткими по времени импульсами, в которых благодаря высокой частоте содержится большое количество волн. Достигнув дна, импульс отражается от него в виде эха и приходит к приемнику,, расположенному рядом с излучателем. Регистрирующий прибор записывает на специальной ленте момент посылки импульса и момент его возвращения. Зная скорость распространения ультразвука в воде, по этим отметкам определяют глубину моря под кораблем.  [c.244]

Ультразвук применяют и для исследования свойств и структуры веществ. Большим преимуществом для этих целей ультразвуковых волн перед электромагнитными является значительно меньшая (на несколько порядков) скорость их распространения. Поэтому при равных частотах длина ультразвуковых волн существенно меньше.  [c.246]

Возможности формирования и измерения волн напряжений в композиционных материалах, в принципе, определяются уровнем техники экспериментальных исследований соответствующих явлений в твердых телах. Для образования волн напряжений используют пневматические пушки, заряды взрывчатого вещества, ударные плиты, ударные трубы и пьезоэлектрические ультразвуковые генераторы, а для их измерения — тензодатчики, пьезоэлектрические кристаллы, емкостные датчики, оптические интерферометры, методы голографии и фотоупругости. Экспериментальные исследования, не столь обширные как теоретические, тем не менее обеспечивают устойчивый поток информации, необходимой для проверки математических моделей. Результаты экспериментальных исследований скорости распространения волн, рассеяния  [c.302]

На рис. 4.7а, б представлены полученные зависимости скоростей продольных и поперечных ультразвуковых волн от температуры отжига для образцов наноструктурной Си чистотой 99, 997 %. Можно видеть, что по мере увеличения температуры отжига наблюдается повышение скоростей для всех направлений распространения ультразвука с резким увеличением их значений при температуре 125 °С.  [c.169]

Основными параметрами, используемыми при неразрушающем контроле, являются скорость распространения упругих волн в различных структурных направлениях, диэлектрическая проницаемость и коэффициент теплопроводности. Поэтому в настоящем параграфе рассмотрим методику контроля указанных параметров в изделиях из композиционных материалов. Как уже указывалось, скорость упругих волн (продольных, сдвиговых, поверхностных и др.) определяется импульсным ультразвуковым методом, диэлектрическая проницаемость — емкостным или микро-радиоволновым. Более эффективным является последний, так как позволяет проводить контроль без контакта с поверхностью изделия.  [c.131]

Следует отметить, что ультразвуковая измерительная техника достаточно подробно рассмотрена в литературе [II, 22, 24, 36, 42], поэтому в данной работе основное внимание уделяется методике измерения скорости распространения упругих волн.  [c.131]

Методика контроля скорости распространения упругих волн. Основным параметром, по которому определяются прочность и модуль упругости стеклопластиков, является скорость продольных волн. Из серийных ультразвуковых приборов наиболее эффективными для измерения скорости продольных волн являются импульсные ультразвуковые приборы УКБ-1, ДУК-20, УК-ЮП, выпускаемые кишиневским заводом Электроточприбор . Неразрушающий контроль изделий состоит из трех основных этапов подготовительные работы, проведение контроля и обработка результатов контроля.  [c.131]

Скорость распространения ультразвука в металлах в несколько раз выше, чем в жидкостях, поэтому определение времени прохождения импульса в металлах может быть получено с меньшей точностью, чем при измерении в жидкостях (интервал между двумя импульсами при прохождении через металл может быть измерен с точностью 0,1/0, что обеспечивает точность измерения скорости распространения ультразвуковых волн до 0,2—0,А%).  [c.223]

При падении ультразвуковой волны на границу раздела двух сред в общем случае часть энергии ультразвуковой волны отражается, а часть — преломляется, проходит во вторую среду. Степень преломления падающей волны во второй среде определяется соотношением акустических сопротивлений сред (акустическое сопротивление представляет произведение плотности среды на скорость распространения ультразвука в ней). Чем больше разница акустических сопротивлений,тем больше интенсивность отраженной волны. Для отражения ультразвуковой волны от не-сплошностей в контролируемом металле необходимо, чтобы размеры несплошности были соизмеримы с длиной волны или больше ее. Если размеры дефекта меньше длины волны, то ультразвуковая волна огибает его.  [c.503]

Адиабатический модуль объемной упругости можно определить путем измерения скорости распространения ультразвука. Применяются три метода. При первом из них используют ультразвуковые интерферометры. Испытательный прибор сконструирован таким образом, что источник отраженных волн может перемещаться. Отраженные волны могут совпадать и не совпадать по фазе с падающими волнами, следствием чего бу- дут максимумы и минимумы на кривых, вычерчиваемых самописцем микроамперметра. Таким путем можно непосредственно определить длину волны, а по частоте генератора колебаний, которая известна, рассчитать скорость распространения ультразвука. Второй, импульсный, метод заключается в пропускании коротких импульсов ультразвуковых волн от кварцевого кристалла через жидкость к отражателю и обратно к первому  [c.115]

Важными характеристиками ультразвуковых колебаний являются частота, амплитуда, скорость распространения и интенсивность [ 294, 295]. Скорость распространения волны связана с длиной волны и частотой соотношением  [c.84]

Применение акустических приборов для контроля физико-механических свойств материалов основано на связи этих свойств с акустическими характеристиками материалов (скоростями распространения и коэффициентами затухания ультразвуковых волн и др. ) [38].  [c.381]

Для упругих волн справедлив закон обратимости. Если луч от первой среды во вторую падает под углом а, то луч, падающий из второй среды на границу с первой под углом Р, войдет в первую среду под углом а. Эти свойства ультразвуковых волн широко используются при конструировании призматических преобразователей (искательных головок) для контроля сдвиговыми и поверхностными волнами. В этих преобразователях преломление ультразвуковых волн осуществляется с помощью клинообразной призмы, изготовленной из материала, в котором скорость распространения  [c.119]

Оценка нелинейности упругого поведения материалов имеет практическое значение в случае их использования для силовых упругих чувствительных элементов помимо этого она важна при ультразвуковых измерениях всех видов и контроле качества материалов. В нелинейно упругих материалах распространение упругих волн нельзя рассматривать как монохроматические, так как в этом случае такие волны взаимодействуют с другими, в частности с тепловыми фононами, что приводит к затуханию даже в отсутствие других механизмов диссипации энергии. Помимо взаимодействия с другими волнами или модами, нелинейность приводит к изменению характеристик распространения упругих волн — возникновению высших гармоник и зависимости скорости распространения от амплитуды. Последнее важно учитывать, выбирая условия эксперимента при ультразвуковых измерениях, которые являются, в частности, одним из методов определения модулей упругости.  [c.255]

Существует много методов измерения скорости звука на ультразвуковых частотах из них применительно к плотной плазме наиболее предпочтительным является метод, основанный на косвенном измерении времени распространения ультразвуковой волны, поскольку он не связан с необходимостью точного определения времени прохождения сигнала по системе, подводящей сигнал к плазме, и системе, передающей сигнал на приемник.  [c.290]

При косвенном методе время распространения ультразвуковой волны в исследуемой среде сравнивается с временем распространения в некоторой эталонной среде с известной скоростью ультразвука а.  [c.291]

В металлах возбуждаются все типы волн, в газах и жидкостях— только продольные волны. Скорость распространения ультразвуковых волн зависит от тина волны, илотности и упругих свойств среды. Для ультразвуковых колебаний характерны те же явления прелом—Ления, отражения, дифракдии, интсрферскцин, реверберации, что и для любых волновых движений [7, 10, 21]. В твердых телах скорость распространения упругих волн зависит от типа волны и, кроме того, от размеров тела, в котором она распространяется. Скорость распространения сдвиговых волн определяется модулем сдви-та и плотностью.  [c.116]

Прибор УС-12ИМ предназначен для измерения скорости распространения и коэффициента затухания продольных ультразвуковых волн в изделиях с плоскопараллельными гранями. Прибор позволяет измерять отношение амплитуд ультразвуковых импульсов, проводить амплитудный анализ упругих колебаний и, таким образом, оценивать физико-механические свойства материалов.  [c.281]

В Си после РКУ-прессования были также исследованы закономерности эволюции структуры при отжиге [81, 228, 232]. Для этого параллельно использовали методы измерения скорости распространения ультразвуковых волн и внутреннего трения. Полученные результаты укладываются в схему, описанную выше. Отжиг привел к формированию зерен, не содержащих контуров экстинк-ции и разделенных границами зерен, которые, как представляется, стали равновесными. Температура рекристаллизации, равная 448 К, как и ожидалось, оказалась выше в менее чистой Си (99,98 %) по сравнению с более чистой Си (99,997 %), где она равнялась 398 К. Эти изменения в структуре получили отражение в изменении измеренных свойств. При этом скорости распространения ультразвуковых волн, а следова-  [c.130]

Данный метод эффективен в основном для стеклопластиков с четкой периодической структурой, не имеющей дефектов. Точность определения прочности в стеклопластиках с хаотическим расположением стекловолокна будет зависеть от степени распределения наполнителя и его местной ориентации. В стеклопластиках с ориентированной и тканой структурами значительные погрешности при определении прочности будут зависеть от свилеватости волокна и ошибок в укладке стеклопакетов. Поэтому выбор оптимального направления прозвучивания, в котором проявляется высокая чувствительность, является весьма важным при определении прочности. Следует отметить, что для точного определения прочности стеклопластиков необходима высокая точность определения акустических параметров. В настоящее время наиболее высокая точность достигнута при определении скорости распространения ультразвуковых волн, чего не.льзя сказать в отио-  [c.84]

ШеМйи коэффициента затухания, точность определения которого достигает 15—20%, хотя его относительное изменение в зависимости от изменения прочности стеклопластика значительно превышает относительное изменение скорости. То же самое можно отметить и в отношении интенсивности ультразвуковой энергии и частотного спектра импульса. На эти параметры оказывают значительное влияние состояние поверхности изделия, контакт преобразователей с поверхностью материала, явления интерференции и дифракции упругих волн в материале из-за геометрических характеристик изделия. Поэтому па данном этапе развития акустических методов, на наш взгляд, наиболее целесообразным является использование скорости распространения упругих волн.  [c.85]

Основные свойства упругих колебаний высокой частоты или ультразвуковых колебаний, как известно, описываются теми же закономерностями, что и свойства колебаний звукового диапазона. В частности, это касается условий распространения упругих волн в сплошной изотропной среде, обладающей упругими свойствами. Однако ультразвуковые колебания могут быть примен1 ны для решения ряда новых задач. Примером может служить исследование изменения различных характеристик жидких и твердых тел в зависимости от скорости распространения ультразвука и коэффициента затухания с помощью импульсно-фазового компенсационного метода приборами типа УЗИХ, разработанных Н. И. Бражниковым [9], [10]. Погрешность измерений скорости ультразвука такими приборами составляет 0,007 и 0,003% на частотах соответственно 1 и  [c.291]

При падении ультразвуковой волны на границе раздела двух сред с различными плотностями и скоростями ультразвука часть энергии проходит во вторую среду, а оставшаяся отражается обратно в первую. Как показывают работы [1], [3], [4], [5] и [6], энергетические соотношения при переходе волн через границы раздела в общем случае имеют довольно сложный бид. Характер отражения и преломления существеиным образом зависит от величины угла между направлением распространения волны и нормалью к поверхности раздела. Согласно уравнениям [1] Релея, выведенным им для определения интенсивности в отраженной и преломленной волнах, имеем  [c.293]

Упругие колебания с частотой выше воспринимаемых человеческим ухом звуковых колебаний (свыше 20 кГц) называют ультразвуковыми колебаниями. В ультразвуковой дефектоскопии используют колебаиия с частотой 0,5—25 МГц. Скорость распространения волны определяется физическими свойствами среды. В зависимости от направления колебаний частиц среды и направления распространения волны различают продольные и поперечные волны. В продольной волне колебания частиц совпадают с направлением распространения волны, а в поперечной волне они перпендикулярны распространению волны. Поперечные волны могут  [c.502]

ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ акустически е—устройства для задержки электрических сигналов на время от долей МКС до десятков мс, основанные на использовании относительно малой скорости распространения упругих воли. Л. з. наа. ультразвуковыми (УЛЗ) при работе на частотах (о волн от единиц до сотен МГц или гиперзвуковыми (ГЛЗ) приот 1 ГГц и выше. Л. 3. применяются в качестве устройств акусто-мектроники для обработки сигналов в разл. областях электронной техники (радиолокац, аппаратура, телевидение, устройства связи и др.). Известны также акус-тооптич. Л. 3., в к-рых для обнаружения сигнала на выходе Л, 3. используется взаимодействие упругих волы со световым пучком.  [c.594]

Велосимметричный метод основан на разнице скорости распространения акустических волн в соединении с дефектами или без них, а резонансный — на изменении резонансной частоты ультразвуковых колебаний.  [c.550]

Наиболее точными являются методы прямого и косвенного измерения времени распространения ультразвуковой волны. Прямое измерение времени основано на оценке фазовых, частотных и других характеристик. При косвенных методах время распространения ультразвука в исследуемой среде сравнивается со временем его распространения в эталонной среде, для которой скорость распространения ультразвука известна. Измерение скорости распространения ультразвука может быть основано на автоциркуляции импульса. При этом способе скорость распространения ультразвука может быть измерена с точность 0,001 %.  [c.268]

Зависимость скорости от плотности порошков железа, никеля и меди приведена на рис. 3.14 (кривая 1). На рис. 3.15 даны зависимости скорости от давления прессования для тех же порошков. ГЗоскольку расчет относительной плотности, как и скорости распространения ультразвуковых волн является чисто структурным и кинематическим, то эти зависимости в относительных единицах для разных металлов совпадают, что подтверждает хорошее соответствие с экспериментальными данными. Давление определяется по уравнению прессования, поэтому зависимости для давления не совпадают.  [c.88]

Если ультразвуковой луч падает на границу раздела сред под углом, отличным от прямого, то наряду с отражением наблюдается преломление, причем отношение синусов углов падения, отражения и преломления равно отношению скоростей распространения колебаний соответствующего вида в первой и второй средах. Если pi iупругих волн из одной твердой среды в другую кроме двух отраженных лучей будут наблюдаться и два преломленных (рис. 4.10). Углы падения, отражения и преломления связаны следующим соотношением  [c.119]

Важной характеристикой чувствительности ультразвукового контроля является размер мертвой зоны. Наличие мертвой зоны — основной недостаток эхо-импульсного метода, который ограничивает его применение и снижает эффективность контроля. Мертвая зона представляет собой контролируемый поверхностный слой, в котором эхо-сигнал от дефекта (контрольного отражателя) не отделяется от зондирующего. Под разрешающей способностью метода понимают способность раздельно принимать и воспроизводить эхо-сигналы от двух и более отражателей, расположенных вблизи друг от друга в направлении распространения ультразвукового пучка. Малая разрешающая способность не позволяет наблюдать раздельно дефекты, расположенные близко друг к другу или вблизи поверхностей изделия, что и приводит к появлению мертвых зон (рис. 4.14). Размер мертвой зоны X можно определить из выражения х= [спрод(Ти—fXn]/2, где Сирод — скорость распространения продольных волн Ти — длительность зондирующего импульса (длительность вынужденных колебаний пьезоэлемента) Тп — длительность переходного процесса (длительность свободных колебаний пьезоэлемента).  [c.122]

В течение последних 15 лет в области исследования нелинейности при малых де( юрмациях появились три новых пути, которые не представляют собой ни повторения, ни переадаптации, ни просто улучшения экспериментов, проведенных в XIX веке или начале XX века. Определение констант упругости с использованием скорости распространения волн в экспериментах, применяющих ультразвук, будет изложено в главе III (раздел 3.39). Вообще говоря, амплитуды этих волн были чрезвычайно малы. В более новых исследованиях использовались несколько большие амплитуды, причем часто говорилось о волнах конечной амплитуды, хотя на самом деле она конечна только по отношению к обычно используемым чрезвычайно малым амплитудам. Нелинейность функции отклика при инфинитезимальных де( юрмациях приводит к негармоническим явлениям, экспериментальное обнаружение параметров которых дает меру отклонения от обычно принимаемого линейного закона Роберта Гука. Такие исследования, совместно с определением во втором типе эксперимента коэффициентов сжатия посредством отыскания скоростей распространения ультразвуковых волн при различном давлении в окружающей среде, из которых могут быть найдены константы упругости третьего порядка, указывают на определенно новое и интересное направление поиска.  [c.203]

В XX столетии в проблеме отыскания постоянных третьего порядка и оценки того, как можно проделать такое огромное число измерений, чтобы получить желаемое количество от 6 до 56 постоянных, можно видеть исторически интересную во всех подробностях параллель с эволюцией идей и наблюдений Фохта в XIX веке. Отсылая читателя к доступным табулированным постоянным второго и третьего порядков, я подчеркиваю экспериментальную и теоретическую дилемму в интерпретировании данных о скорости волн в неодномерном пространстве в терминах скорости в одномерном. Интерес к супергармоникам, субгармоникам, взаимодействию фононов энергетическому обмену между компонентами ультразвуковых волн и тому подобное позволяют полагать, что важность линейной аппроксимации может уменьшиться в одной из наиболее важных ее крепостей — атомной физике. Развитие нелинейных теорий распространения волн в изотропных и анизотропных телах, совместно с соответствующей теорией отражения волн в телах со свободными и смешанными граничными условиями для материалов как в предварительно напряженном состоянии, так и при нулевых напряжениях характеризуют XX столетие, точно так же, как XIX столетие, как мы теперь видим, характеризовалось использованием в значительной мере линейной аппроксимации.  [c.523]

Субботин Е. К. Секоян С.С. Об определении барической зависимости скоростей распространения упругих волн в твердых телах по результатам ультразвуковых измерений при одноосном нагружении образцов  [c.398]

---

Скорость звука в основных твердых веществах и металлах, таких как алюминий, латунь, бетон… Продольная волна (Longitudal) Поперечная волна (Shear) Нормальная волна, волна Лэмба или Ламба (Extensional). м/с, футы/с, футы/мин

	6420 м/с 1264740 футов/мин = ft/min 21058 футов/с = ft/s	3040 м/с 598880 футов/мин = ft/min 9971 футов/с = ft/s	5000 м/с 985000 футов/мин = ft/min 16400 футов/с = ft/s
Беррилий / Beryllium	12890 м/с 2539330 футов/мин = ft/min 42279 футов/с = ft/s	8880 м/с 1749360 футов/мин = ft/min 29126 футов/с = ft/s	12870 м/с 2535390 футов/мин = ft/min 42214 футов/с = ft/s
	3700 м/с 728900 футов/мин = ft/min 12136 футов/с = ft/s	3200 м/с 630400 футов/мин = ft/min 10496 футов/с = ft/s	—
Брильянт (Алмаз) / Diamond	12000 м/с 2364000 футов/мин = ft/min 39360 футов/с = ft/s	—	—
Вольфрам отожженный / Tungsten, annealed	5220 м/с 1028340 футов/мин = ft/min 17122 футов/с = ft/s	2890 м/с 569330 футов/мин = ft/min 9479 футов/с = ft/s	4620 м/с 910140 футов/мин = ft/min 15154 футов/с = ft/s
Вольфрам холоднотянутый / Tungsten, drawn	5410 м/с 1065770 футов/мин = ft/min 17745 футов/с = ft/s	2640 м/с 520080 футов/мин = ft/min 8659 футов/с = ft/s	4320 м/с 851040 футов/мин = ft/min 14170 футов/с = ft/s
Вольфрама монокарбид, Карбид вольфрама / Tungsten carbide	6655 м/с 1311035 футов/мин = ft/min 21828 футов/с = ft/s	3980 м/с 784060 футов/мин = ft/min 13054 футов/с = ft/s	6220 м/с 1225340 футов/мин = ft/min 20402 футов/с = ft/s
	5950 м/с 1172150 футов/мин = ft/min 19516 футов/с = ft/s	—	—
	3960 м/с 780120 футов/мин = ft/min 12989 футов/с = ft/s	—	—
Древесина, твердые сорта вдоль волокон / Wood, longitudinal parallel with grain	3300 — 5000 м/с 650100 — 985000 футов/мин = ft/min 10824 — 16400 футов/с = ft/s	—	—
Дюралюминий, дюраль / Duralumin	6320 м/с 1245040 футов/мин = ft/min 20730 футов/с = ft/s	3130 м/с 616610 футов/мин = ft/min 10266 футов/с = ft/s	5150 м/с 1014550 футов/мин = ft/min 16892 футов/с = ft/s
Железо = электролитическое железо / Iron, electrolytic	5950 м/с 1172150 футов/мин = ft/min 19516 футов/с = ft/s	3240 м/с 638280 футов/мин = ft/min 10627 футов/с = ft/s	5120 м/с 1008640 футов/мин = ft/min 16794 футов/с = ft/s
Золото холоднотянутое / Gold, hard drawn	3240 м/с 638280 футов/мин = ft/min 10627 футов/с = ft/s	1200 м/с 236400 футов/мин = ft/min 3936 футов/с = ft/s	2030 м/с 399910 футов/мин = ft/min 6658 футов/с = ft/s
Кирпич / Brick	4200 м/с 827400 футов/мин = ft/min 13776 футов/с = ft/s	3600 м/с 709200 футов/мин = ft/min 11808 футов/с = ft/s	—
	5177 м/с 1019869 футов/мин = ft/min 16981 футов/с = ft/s	2625 м/с 517125 футов/мин = ft/min 8610 футов/с = ft/s	4270 м/с 841190 футов/мин = ft/min 14006 футов/с = ft/s
Корковая пробка, Кора пробкового дерева / Cork	518 м/с 102046 футов/мин = ft/min 1699 футов/с = ft/s	366 м/с 72102 футов/мин = ft/min 1200 футов/с = ft/s	—
Кремний после плавки / Silica, fused	5968 м/с 1175696 футов/мин = ft/min 19575 футов/с = ft/s	3764 м/с 741508 футов/мин = ft/min 12346 футов/с = ft/s	5760 м/с 1134720 футов/мин = ft/min 18893 футов/с = ft/s
	4700 м/с 925900 футов/мин = ft/min 15416 футов/с = ft/s	2110 м/с 415670 футов/мин = ft/min 6921 футов/с = ft/s	3480 м/с 685560 футов/мин = ft/min 11414 футов/с = ft/s
Медь отожженная / Copper, annealed	4760 м/с 937720 футов/мин = ft/min 15613 футов/с = ft/s	2325 м/с 458025 футов/мин = ft/min 7626 футов/с = ft/s	3810 м/с 750570 футов/мин = ft/min 12497 футов/с = ft/s
Медный прокат / Copper, rolled	5010 м/с 986970 футов/мин = ft/min 16433 футов/с = ft/s	2270 м/с 447190 футов/мин = ft/min 7446 футов/с = ft/s	3750 м/с 738750 футов/мин = ft/min 12300 футов/с = ft/s
Среда	Продольная волна (Longitudal)	Поперечная волна (Shear)	Нормальная волна, волна Лэмба или Ламба (Extensional)
Стекло — Кварцевое стекло / Glass, heavy silicate flint	3980 м/с 784060 футов/мин = ft/min 13054 футов/с = ft/s	2380 м/с 468860 футов/мин = ft/min 7806 футов/с = ft/s	3720 м/с 732840 футов/мин = ft/min 12202 футов/с = ft/s
Стекло — Боратное стекло / Glass, light borate crown	5100 м/с 1004700 футов/мин = ft/min 16728 футов/с = ft/s	2840 м/с 559480 футов/мин = ft/min 9315 футов/с = ft/s	4540 м/с 894380 футов/мин = ft/min 14891 футов/с = ft/s /
Стекло — Боросиликатное стекло / Glass, pyrex	5640 м/с 1111080 футов/мин = ft/min 18499 футов/с = ft/s	3280 м/с 646160 футов/мин = ft/min 10758 футов/с = ft/s	5140 м/с 1012580 футов/мин = ft/min 16859 футов/с = ft/s
Магний отожженный / Magnesium, annealed	5770 м/с 1136690 футов/мин = ft/min 18926 футов/с = ft/s	3050 600850 футов/мин = ft/min 10004 футов/с = ft/s	4940 м/с 973180 футов/мин = ft/min 16203 футов/с = ft/s
Молибден / Molybdenum	6250 м/с 1231250 футов/мин = ft/min 20500 футов/с = ft/s	3350 м/с 659950 футов/мин = ft/min 10988 футов/с = ft/s	5400 м/с 1063800 футов/мин = ft/min 17712 футов/с = ft/s
	5350 м/с 1053950 футов/мин = ft/min 17548 футов/с = ft/s	2720 м/с 535840 футов/мин = ft/min 8922 футов/с = ft/s	4400 м/с 866800 футов/мин = ft/min 14432 футов/с = ft/s
Никель / Nickel	6040 м/с 1189880 футов/мин = ft/min 19811 футов/с = ft/s	3000 м/с 591000 футов/мин = ft/min 9840 футов/с = ft/s	4900 м/с 965300 футов/мин = ft/min 16072 футов/с = ft/s
	2620 м/с 516140 футов/мин = ft/min 8594 футов/с = ft/s	1070 м/с 210790 футов/мин = ft/min 3510 футов/с = ft/s	1800 м/с 354600 футов/мин = ft/min 5904 футов/с = ft/s
Оловянный прокат / Tin, rolled	3320 м/с 654040 футов/мин = ft/min 10890 футов/с = ft/s	1670 м/с 328990 футов/мин = ft/min 5478 футов/с = ft/s	2730 м/с 537810 футов/мин = ft/min 8954 футов/с = ft/s
Платина / Platinum	3260 м/с 642220 футов/мин = ft/min 10693 футов/с = ft/s	1730 м/с 340810 футов/мин = ft/min 5674 футов/с = ft/s	2800 м/с 551600 футов/мин = ft/min 9184 футов/с = ft/s
	2680 м/с 527960 футов/мин = ft/min 8790 футов/с = ft/s	1100 м/с 216700 футов/мин = ft/min 3608 футов/с = ft/s	1840 м/с 362480 футов/мин = ft/min 6035 футов/с = ft/s
	1950 м/с 384150 футов/мин = ft/min 6396 футов/с = ft/s	540 м/с 106380 футов/мин = ft/min 1771 футов/с = ft/s	920 м/с 181240 футов/мин = ft/min 3018 футов/с = ft/s
Полистирол / Polystyrene	2350 м/с 462950 футов/мин = ft/min 7708 футов/с = ft/s	1120 м/с 220640 футов/мин = ft/min 3674 футов/с = ft/s	1840 м/с 362480 футов/мин = ft/min 6035 футов/с = ft/s
	1830 м/с 360510 футов/мин = ft/min 6002 футов/с = ft/s	—	—
Резина (вулканизированный каучук без наполнителя) / Rubber, gum	1550 м/с 305350 футов/мин = ft/min 5084 футов/с = ft/s	—	—
Резина неопрен / Rubber, neoprene	1600 м/с 315200 футов/мин = ft/min 5248 футов/с = ft/s	—	—
Свинец отожженный / Lead, annealed	2160 м/с 425520 футов/мин = ft/min 7085 футов/с = ft/s	700 м/с 137900 футов/мин = ft/min 2296 футов/с = ft/s	1190 м/с 234430 футов/мин = ft/min 3903 футов/с = ft/s
Свинцовый прокат / Lead, rolled	1960 м/с 386120 футов/мин = ft/min 6429 футов/с = ft/s	690 м/с 135930 футов/мин = ft/min 2263 футов/с = ft/s	1210 м/с 238370 футов/мин = ft/min 3969 футов/с = ft/s
Серебро / Silver	3650 м/с 719050 футов/мин = ft/min 11972 футов/с = ft/s	1610 м/с 317170 футов/мин = ft/min 5281 футов/с = ft/s	2680 м/с 527960 футов/мин = ft/min 8790 футов/с = ft/s
	5940 м/с 1170180 футов/мин = ft/min 19483 футов/с = ft/s	3220 м/с 634340 футов/мин = ft/min 10562 футов/с = ft/s	5180 м/с 1020460 футов/мин = ft/min 16990 футов/с = ft/s
	5790 м/с 1140630 футов/мин = ft/min 18991 футов/с = ft/s	3100 м/с 610700 футов/мин = ft/min 10168 футов/с = ft/s	5000 м/с 985000 футов/мин = ft/min 16400 футов/с = ft/s
Титан / Titanium	6070 м/с 1195790 футов/мин = ft/min 19910 футов/с = ft/s	3125 м/с 615625 футов/мин = ft/min 10250 футов/с = ft/s	5090 м/с 1002730 футов/мин = ft/min 16695 футов/с = ft/s
Цинковый прокат / Zinc, rolled	4210 м/с 829370 футов/мин = ft/min 13809 футов/с = ft/s	2440 м/с 480680 футов/мин = ft/min 8003 футов/с = ft/s	3850 м/с 758450 футов/мин = ft/min 12628 футов/с = ft/s
	4994 м/с 983818 футов/мин = ft/min 16380 футов/с = ft/s	2809 м/с 553373 футов/мин = ft/min 9214 футов/с = ft/s	4480 м/с 882560 футов/мин = ft/min 14694 футов/с = ft/s

Скорость звука в твердых материалах

 Скорость звука в твердых материалах

В твердом теле скорость продольных волн рассчитывается:

E	—	модуль Юнга;
σ	—	коэффициент Пуассона.

Скорость поперечных волн рассчитывается:

Скорость звука в тонком стержне рассчитывается:

Таблица — Скорость звука в твердых материалах

Материал	Температура, °С	Скорость звука, м/с
		В стержне	Продольная	Поперечная
Металлы
Алюминий	20	5080	6260	3080
	372	4342	—	—
Бериллий	-250	—	12660	8900
	27	—	12550	8830
Висмут	20	1790	2180	1100
Висмут, кристалл, L-срез	4,2 °К	—	2140	960
Вольфрам	20	4310	5460	2620
Германий, кристалл (ρ = 5350 кг/м3)	—	—	5390	3540
Железо	20	5170	5850	3230
Золото	20	2030	3240	1200
Иридий	20	4790	—	—
Кадмий	20	2400	2780	1500
Константан	20	4300	5240	2640
Кремний	31,5	—	—	3770
Латунь	20	3490	4430	2123
Латунь (70 % Cu — 30 % Zn)	20	3760	—	—
Магний	—	4900	—	—
Манганин	20	3830	4660	2350
Марганец	—	3830	4660	—
Медь	20	3710	4700	2260
	385	3659	—	—
Нейзильбер	20	3580	4760	2160
Никель	20	4785	5630	2960
Олово	20	2730	3320	1670
Олово, кристалл	1,5 °К	—	3480	1900
Платина	20	2800	3960	1670
Свинец	20	1200	2160	700
Свинец, кристалл	1,5 °К	—	2350	1266
Серебро	—	2640	3600	1590
Сталь	—	5050	6100	3300
Сурьма	20	3400	—	—
Тантал	20	3350	—	—
Цинк	20	3810	4170	2410
Чугун	—	3850	4500	2400
Пластмассы
Плексиглас	—	—	2670	1121
Полистирол	—	—	2350	1120
Минералы
Гипс	20	—	4970	2370
Кварц, x-срез	—	5440	5720	—
Слюда	20	—	7760	2160
Соль каменная, x-срез	—	4510	4780	—
Соль сегнетова, x-срез под углом 45°	—	—	5360	—
Соль сегнетова, y-срез под углом 45°	—	2470	—	—
Различные материалы
Гранит	—	3950	—	—
Дуб	—	4050	—	—
Известняк	20	—	6130	3200
Каучук	—	—	1479	—
Кость слоновая	—	2200	—	—
Лед	—	3280	3980	1990
Мрамор	20	—	6150	3260
Парафин	—	1460	—	—
Пробка	—	500	—	—
Резина	20	46	1040	27
Сланец	—	4510	—	—
Стекло кварцевое	—	5370	5570	3515
Стекло кронглас	—	5300	5660	3420
Стекло кронглас тяжелый	—	4710	5260	2960
Стекло флинтглас легкий	—	4550	4800	2950
Стекло флинтклас тяжелый	—	3490	3760	2220
Фарфор	—	4884	5340	3120
Шифер	20	—	5870	2800
Эбонит	20	1570	2405	—

 Литература

1. Таблицы физических величин. Справочник / Под ред. акад. И.К. Кикоина. М., Атомиздат. 1976. 1008 с.
2. Справочник по элементарной физике / Н.Н. Кошкин, М.Г. Ширкевич. М., Наука. 1976. 256 с.

(PDF) Study of the relationship between the speed of ultrasound in metals and their hardness under conditions low temperatures

Тенденции развития науки и образования – 9 –

Из рис. 3 видно, что размерная зона ~100 мкм является критической,

представляет собой область перегиба кривой. В интервале от 1-100 мкм имеет место

резкое убывание Su при малом возрастании величины размера частиц. В интервале

размера частиц 100-1000 мкм значение удельной поверхности начинает приближаться к

постоянному при значительном росте величин размеров частиц. Это указывает на

максимально благоприятный диапазон размеров частиц (1-100 мкм) при их контактном

относительном перемещении в процессе пересыпания-протекания порошка.

Таким образом, в размерном интервале 0 – 1000 мкм размер частицы около 100

мкм является наименьшим при минимальной удельной поверхности Su = 103 — 10 4 м-1.

Отсюда, применительно к изучению процесса сверхглубокого проникания размер

частиц порядка 100 мкм является размерно значимым фактором, обеспечивающим

минимизацию инерционных сил в процессе деформирования среды проникания.

***

1. Ушеренко, С.М. Сверхглубокое проникание частиц в преграды и создание композиционных

материалов [Текст] / С.М. Ушеренко. — Минск: НИИ Импульсных процессов. — 1998. – 210 с.

2. Алексенцева, С.Е. Повышение эффективности обработки материалов потоком

высокоскоростных дискретных частиц [Текст]/ С.Е. Алексенцева. Вестник СамГТУ. Серия

«Технические науки». — 2015.- N1(45). — C.142-145.

3. Алексенцева, С.Е. Взрывное микролегирование и упрочнение потоком высокоскоростных частиц

сварных швов рельсовых стыков и конструкций [Текст] / С.Е. Алексенцева, И.В. Захаров.

Технология металлов. — 2018. — N10. — С.18-24.

4. Дерибас, А. А. Физика упрочнения и сварки взрывом [Текст] / А.А.Дерибас. — Новосибирск:

Наука.- 1980. — 222 с.

5. Физический энциклопедический словарь [Текст] / Гл. ред. А.М.Прохоров — М.: Сов.энциклопедия.

— 1983. — 928 с.

6. Прокатка металлических порошков [Текст] / Г.А.Виноградов, Ю.Н.Семѐнов, О.А.Катрус,

В.П.Каташинский. – М.: Металлургия.-1969.-382 с.

7. Алексенцева, С.Е. Дисперсноупрочнѐнные материалы для биомедицины, полученные обработкой

высокоскоростным потоком дискретных частиц, разогнанных энергией взрыва [Текст]/ С.Е.

Алексенцева. — Образование. Наука. Научные кадры. -2015.- №2.- С.250-253.

Кабалдин Ю.Г., Хлыбов А.А., Аносов М.С., Шатагин Д.А., Рябов Д.А., Головин

А.А.

Исследование связи скорости ультразвука в металлах с их твердостью в условиях

пониженных температур

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева

(Россия, Нижний Новгород)

doi: 10. 18411/lj-11-2020-44

idsp: ljournal-11-2020-44

Аннотация

В данной работе проведено исследование влияния пониженных температур на

твердость сплавов Д16, 12Х18Н10Т, ВТ8. Установлена связь твердости исследуемых

сплавов со скоростью упругих волн в широком диапазоне пониженных температур.

Показано, что понижение температуры сопровождается увеличением твердости и

скорости ультразвуковых волн для всех исследуемых сплавов.

Ключевые слова: твердость, пониженные температуры, ультразвуковой

контроль

Abstract

In this work, we studied the effect of low temperatures on the hardness of alloys D16,

12Kh28N10T, VT8. The relationship between the hardness of the investigated alloys and the

speed of elastic waves in a wide range of low temperatures is established. It is shown that a

Скорость звука в материале | Olympus IMS

Скорости звука в материалах

В приведенной ниже таблице перечислены типичные скорости продольных ультразвуковых волн в различных распространенных материалах, которые можно измерить с помощью ультразвуковых толщиномеров. Обратите внимание, что это только общее руководство. Фактическая скорость в этих материалах может значительно различаться из-за множества причин, таких как особый состав или микроструктура, ориентация зерна или волокна, пористость и температура.Особенно это касается литых металлов, стекловолокна, пластмасс и композитов. Для достижения наибольшей точности измерения толщины скорость звука в заданном испытуемом материале всегда следует измерять, выполняя калибровку скорости на образце известной толщины.

Ультразвуковые скорости в обычных материалах

Материал	В (дюйм/мкс)	В (м/сек)
Акрил (Перспекс)	0.1070	2730
Алюминий	0,2490	6320
Бериллий	0,5080	12900
Латунь	0,1740	4430
Композитный, графит/эпоксидная смола	0,1200	3070
Медь	0. 1830 г.	4660
Алмаз	0,7090	18000
Стекловолокно	0,1080	2740
Глицерин	0,0760	1920 г.
Инконель®	0,2290	5820
Железо, Литье (мягкое)	0.1380	3500
Железо, Литье (твердое)	0,2200	5600
Оксид железа (магнетит)	0,2320	5890
Вести	0,0850	2160
Люцит®	0,1060	2680
Молибден	0.2460	6250
Моторное масло	0,0690	1740
никель чистый	0,2220	5630
Полиамид	0,0870	2200
Нейлон	0,1020	2600
полиэтилен, высокой плотности (ПЭВП)	0. 0970	2460
полиэтилен, низкой плотности (LDPE)	0,0820	2080
Полистирол	0,0920	2340
Поливинилхлорид, (ПВХ)	0,0940	2395
Каучук, полибутадиен	0.06:30	1610
Кремний	0,3790	9620
Силикон	0,0580	1485
Сталь, 1020	0,2320	5890
Сталь, 4340	0,2300	5850
Сталь, аустенитная нержавеющая сталь 302	0.2260	5740
Банка	0,1310	3320
Титан	0,2400	6100
Вольфрам	0,2040	5180
Вода (20 ° C или 68 ° F)	0,0580	1480
Цинк	0. 1640	4170
Цирконий	0,1830	4650

Извините, эта страница недоступна в вашей стране

Дайте нам знать, что вы ищете, заполнив форму ниже.

Твердые тела и металлы. Скорость звука

Скорость звука в обычном воздухе 343 м/с . В воде скорость звука 1433 м/с . Скорость звука в некоторых распространенных твердых телах указана в таблице ниже:

,

7

1

9032 7

Solid	скорость звука (м / с) (м / с)
	Алюминий, прокат	6420	3040 По	5000
Сурьма			3400
Бериллий	12890	8880	12870
Bismut	2180		1790
Латунь (70% CU, 30% Zn)	4700	2110	3480	420015		4200	3600			27	Cadmium	2780	2400
Бетон	3700	3200
Constantan	5177	2625	4270

7

, проката

1

127

1

1

4760			3810
		5010	2270	3750
		Cork	518	366
						3130	5150
5150
		3980	2380	3720
Стекло, светлая боратная корона	5100	2840	4540
	5640			5616	3280	5140
5140
3240	1200	2030
Гранит	595 0
Iridium			4790
Утюг, отлитый	4994	2809	4480
Утюг, электролитический	5950	3240	5120
Ivory		3010

7

7

7

1

7

1

1

	2160	70016	1190						1960		690	1210
	Lucite	2680	1100	1840
магния, отжигают	5770	3050	4940
Марганец	4660		3830
мрамор			3810
Молибден	6250	3350	5400
Monel	5350	272016	4400	Nickel		6040	3000	4
	NYLON 6/6	2620		1070	180015
Platinum	3260	1730	2800
				195016									1120	1840
	Rubber, Butyl	1830
Резина, ГУМ	1550

7

1

900 21

7

1

Rubber, неопрен	16001	9001	5968	3764	5760
5760	3650	1610	2680	Slate	4510

7

	5940	3220	5180	5180
	30015	5790	3100	5000

7

1

7

1

1

Tantalium		3350
	3320		1670	2730		2730			60015	3125	5090	5090
5220	2890	4620
Tungsten, нарисованные	5410	2640	4320				6655	3980			6220
	дерева (Hard)	3960
Wood, продольно параллельно волокнам	3300 — 5000 90 016
Цинк, прокат	4210	2440	3850

3,0 м/с

06 км/ч = 196,85 фут/мин = 3,28 фут/с = 2,237 миль/ч

В жидкости или газе требуется только одна скорость. В изотропном твердом теле скорость звука характеризуется

• скоростью продольных волн в бесконечных элементах (элементах много больших, чем длина волны звука)
• скоростью поперечных волн в бесконечных элементах
• скоростью продольных волн вдоль стержня (с диаметр намного меньше длины волны)

В древесине скорость звука зависит от направления волокон, поскольку поперечный модуль упругости составляет всего 1/20 от продольного значения.Скорость звука поперек волокон составляет примерно от одной пятой до одной трети продольной скорости. Нет признанного независимого влияния пород дерева на скорость звука. Изменчивость скорости звука связана с изменчивостью модуля упругости и плотности.

Обратите внимание, что скорость является скалярной величиной. Скорость – это векторная величина с направлением.

Ультразвуковое измерение скорости в жидкометаллическом электроде

J Vis Exp. 2015 г.; (102): 52622.

Адальберто Перес

¹ Факультет машиностроения Университета Рочестера

Дуглас Х.

Kelley

¹ Факультет машиностроения Рочестерского университета

¹ Факультет машиностроения Рочестерского университета

Copyright © 2015, Journal of Visualized Experiments

Abstract

Растущее число электрохимических технологий зависит от потока жидкости , и часто эта жидкость непрозрачна. Измерение потока непрозрачной жидкости по своей природе сложнее, чем измерение потока прозрачной жидкости, поскольку оптические методы неприменимы.Ультразвук можно использовать для измерения скорости непрозрачной жидкости не только в отдельных точках, но и в сотнях или тысячах точек, расположенных вдоль линий, с хорошим временным разрешением. Применительно к электроду из жидкого металла ультразвуковая велосиметрия сопряжена с дополнительными проблемами: высокой температурой, химической активностью и электропроводностью. Здесь мы описываем экспериментальное оборудование и методы, которые решают эти проблемы и позволяют измерять поток в жидкометаллическом электроде, когда он проводит ток, при рабочей температуре. Температура регулируется в пределах ±2 °C с помощью пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора, который питает изготовленную на заказ печь. Химическая активность управляется путем тщательного выбора материалов сосуда и помещения экспериментальной установки в перчаточный бокс, заполненный аргоном. Наконец, тщательно предотвращаются непреднамеренные электрические пути. Автоматизированная система регистрирует настройки управления и экспериментальные измерения, используя аппаратные триггерные сигналы для синхронизации устройств. Это устройство и эти методы могут производить измерения, которые невозможны с помощью других методов, и позволяют оптимизировать и контролировать электрохимические технологии, такие как жидкометаллические батареи.

Ключевые слова: Машиностроение, Выпуск 102, батареи, накопление энергии, магнитогидродинамика, гидродинамика, ультразвуковая велосиметрия, электрохимия

Введение

Жидкометаллические батареи – перспективная технология для обеспечения крупномасштабного накопления энергии в мировых электрических сетях ¹ . Эти батареи обладают высокой плотностью энергии, высокой плотностью мощности, длительным сроком службы и низкой стоимостью, что делает их идеальными для хранения энергии в масштабе сети ³ .Внедрение жидкометаллических батарей в энергосистему позволило бы сократить пиковые нагрузки, повысить стабильность сети и обеспечить гораздо более широкое использование прерывистых возобновляемых источников, таких как энергия солнца, ветра и приливов. Батареи из жидкого металла состоят из двух электродов из жидкого металла, разделенных расплавленным солевым электролитом, как более подробно описано в предыдущей работе ¹ . Хотя многие различные комбинации металлов и электролита могут привести к созданию работающей жидкометаллической батареи, принципы работы остаются прежними.Металлы выбираются так, чтобы им было энергетически выгодно образовывать сплав; таким образом, легирование разряжает аккумулятор, а удаление сплава заряжает его. Слой соли выбирают таким образом, чтобы он позволял ионам металлов проходить между двумя электродами, но блокировал перенос нейтральных частиц, тем самым обеспечивая электрохимический контроль системы.

Эта работа будет способствовать развитию технологии жидкометаллических аккумуляторов путем количественной оценки и контроля эффектов массового переноса. Описанные здесь методы основаны на электрохимических методах, разработанных для жидкометаллических батарей Sadoway et al. ^1–4 , а также более ранние работы по жидкометаллическим батареям в Аргоннской национальной лаборатории ^5,6 и работы более широкого электрохимического сообщества (Бард и Фолкнер ⁷ предоставляют множество соответствующих ссылок). Описанные здесь методы также основаны на предшествующих исследованиях гидродинамики. Ультразвуковая велосиметрия была разработана и впервые применена в воде ^8,9 и с тех пор применяется к жидким металлам, включая галлий ^10,11 , натрий ^12,13 , ртуть ¹⁴ , свинец-висмут ¹⁵ , медь -олово ¹⁵ и свинцово-литиевые ¹⁶ среди прочих.Экерт и др. содержит полезный обзор велосиметрии жидких металлов ¹⁷ .

Недавняя работа с использованием методов, аналогичных описанным здесь ¹⁸ , показала, что токи батареи могут улучшить перенос массы в электродах из жидкого металла. Поскольку массоперенос в положительном электроде является этапом, ограничивающим скорость заряда и разряда жидкометаллических аккумуляторов, поэтому смешивание обеспечивает более быструю зарядку и разрядку, чем это было бы возможно в противном случае. Кроме того, смешивание предотвращает локальные неоднородности в электроде, которые могут образовывать твердые частицы, ограничивающие срок службы батареи.В текущей работе мы продолжаем изучать роль течения жидкости в положительном электроде жидкометаллического аккумулятора, возникающего из-за тепловых и электромагнитных сил. Термические градиенты управляют конвективным потоком за счет плавучести, а токи батареи управляют потоком, взаимодействуя с магнитными полями, индуцируемыми самими токами батареи. В экспериментах с использованием описанных ниже методов наблюдались течения с числом Рейнольдса 50 < Re < 200, рассчитанные по глубине электрода и среднеквадратичной скорости. В настоящее время проводится тщательная экспериментальная характеристика, и полученный набор данных будет использоваться для построения прогностических моделей батарей. Основное внимание в этой рукописи уделяется плану эксперимента и процедурам, необходимым для получения таких данных. Ультразвуковая велосиметрия обеспечивает большую часть измерений, и условия эксперимента должны тщательно контролироваться, чтобы успешно использовать ультразвук в жидком металле. Высокая температура, химическая активность и электропроводность требуют тщательного контроля.

Во-первых, жидкометаллические батареи обязательно работают при высокой температуре, потому что и металлы, и разделяющая их соль должны быть расплавлены. Один многообещающий выбор материалов, в котором используется литий в качестве отрицательного электрода, свинец-сурьма в качестве положительного электрода и эвтектическая смесь солей лития в качестве электролита, требует температуры около 550 ° C. Измерить расход непрозрачной жидкости при таких высоких температурах довольно сложно. Высокотемпературные ультразвуковые преобразователи, которые отделяют чувствительные электроакустические компоненты от испытательной жидкости с помощью акустического волновода, были продемонстрированы ¹⁵ и коммерциализированы.Однако из-за того, что преобразователи имеют вносимые потери около 40 дБ, а также из-за общей сложности работы при таких температурах, для первоначального изучения была выбрана суррогатная система: жидкометаллическая батарея может быть также изготовлена ​​с использованием натрия в качестве отрицательного электрода, эвтектического 44% свинца, 56% висмута (далее ePbBi) в качестве положительного электрода и тройной эвтектической смеси солей натрия (10% йодида натрия, 38% гидроксида натрия, 52% амида натрия) в качестве электролита. Такая батарея полностью расплавляется при температуре выше 127 °C, что делает ее гораздо более пригодной для лабораторных исследований.Поскольку он состоит из трех жидких слоев, разделенных по плотности, он подчиняется той же физике, что и другие жидкометаллические батареи. Кроме того, он совместим с легкодоступными ультразвуковыми преобразователями, которые рассчитаны на температуру до 230 °C, не имеют потерь в волноводе и стоят намного дешевле, чем высокотемпературные преобразователи. Эти эксперименты обычно проводят при 150 °C. При этой температуре ePbBi имеет вязкость ν = 2,79 x 10 ^-7 м ² /с, температуропроводность κ = 6,15 x 10 ^-6 м ² /с, магнитопроводность η = 0.8591 м ² /сек, так что его число Прандтля равно Pr = ν/κ = 4,53 x 10 ^-2 , а его магнитное число Прандтля равно Pm = ν/η = 3,24 x 10 ^-7 .

Несмотря на то, что низкотемпературный химический состав батареи из жидкого металла делает исследования потока намного проще, чем это было бы в более горячих батареях, тем не менее необходимо тщательно контролировать температуру. Ультразвуковые преобразователи, будучи хрупкими электроакустическими устройствами, чувствительны к тепловому удару, поэтому их необходимо нагревать постепенно. Высококачественные ультразвуковые измерения также требуют тщательного регулирования температуры. Ультразвуковая велоциметрия работает как сонар, как показано на рис. 1 : преобразователь издает звуковой сигнал (здесь частота составляет 8 МГц), затем прислушивается к эхосигналам. По измерению времени пролета эха можно рассчитать расстояние до отражающего эхо тела, а по измерению доплеровского сдвига эха можно рассчитать и одну составляющую скорости тела. В воду необходимо добавлять трассирующие частицы для создания эхо-сигналов, но в жидких металлах трассирующие частицы не требуются, факт, который подробно не изучен, но обычно приписывается присутствию мелких частиц оксида металла.Каждое измерение представляет собой среднее значение по всем частицам индикатора в исследуемом объеме; в данной работе его минимальный диаметр 2 мм, на расстоянии 30 мм от зонда. Хотя окисление может в конечном итоге ограничить продолжительность экспериментов, используя методы, описанные ниже, мы непрерывно проводили измерения в течение 8 часов.

Для расчета расстояния или скорости необходимо знать скорость звука в испытательной жидкости, а эта скорость зависит от температуры. Описанная здесь работа посвящена потоку в отрицательном электроде ePbBi, где скорость звука составляет 1766 м/сек при 150 °C, 1765 м/сек при 160 °C и 1767 м/сек при 140 °C ¹⁹ .Таким образом, неправильный контроль температуры внесет систематические ошибки в ультразвуковые измерения. Было сконструировано устройство для измерения скорости звука в ePbBi, и были найдены значения, соответствующие опубликованным и принятым Агентством по ядерной энергии ¹⁹ (см. ниже). Наконец, поскольку тепловая конвекция является основной движущей силой потока в батареях из жидкого металла, как средняя температура, так и разница температур между верхней и нижней частью электрода ePbBi напрямую влияют на наблюдения.Для стабильных результатов необходим точный температурный контроль.

Соответственно, температура постоянно измеряется как минимум тремя термопарами типа K, результаты измерений регистрируются в электронном виде с помощью компьютерного устройства сбора данных и специальной программы LabView. Программа также управляет источником питания, обеспечивающим ток батареи, через соединение USB; регистрирует ток и напряжение батареи; и отправляет триггерные импульсы на ультразвуковой прибор, чтобы его данные можно было синхронизировать с другими измерениями.Схема системы показана на Рис. 2 . Тепло обеспечивается специально изготовленной печью (также показанной на рис. 2 ), которая содержит два промышленных нагревательных элемента мощностью 500 Вт, питаемых от реле, переключаемого пропорционально-интегрально-дифференциальным (ПИД) регулятором. Базовая пластина, поддерживающая аккумуляторные элементы, изготовлена ​​из твердого алюминия; поскольку его теплопроводность на порядок выше, чем теплопроводность корпуса аккумуляторного элемента из нержавеющей стали и содержащегося в нем ePbBi ¹⁹ , температура пода печи примерно одинакова.Кроме того, алюминиевое основание служит путем для прохождения электрического тока через электрод. Его электропроводность также на порядок выше, чем у нержавеющей стали или ePbBi, поэтому напряжение пода печи также примерно однородно. Изолирующие ножки отделяют основание от нижней столешницы, предотвращая ожоги и короткие замыкания. Стороны сосуда батареи изолированы изоляцией из кремнеземной керамики, обрезанной так, чтобы плотно прилегать к сосуду, но оставлять место для доступа к ультразвуковому порту элемента.Наконец, крышка из политетрафторэтилена (ПТФЭ) изолирует ячейку сверху и удерживает на месте коллектор отрицательного тока и термопары. Хотя коммерчески доступные нагревательные плиты могут достигать температур, необходимых для этих экспериментов, наша изготовленная на заказ печь поддерживает температуру с меньшими колебаниями, а также позволяет нам напрямую измерять тепловую мощность.

Помимо проблем, связанных с температурой, существуют проблемы, связанные с химической активностью.При температуре 150 °C положительный электрод ePbBi химически совместим со многими обычными материалами. Однако натриевый отрицательный электрод вызывает коррозию многих материалов, легко окисляется и бурно реагирует с влагой. Литиевый отрицательный электрод также агрессивен, особенно потому, что жидкометаллические батареи на основе лития обычно работают при гораздо более высоких температурах. Хотя эти высокотемпературные системы выходят за рамки данной работы, здесь используются многие из тех же мер по управлению химической активностью, что и в этих системах.Все описанные здесь эксперименты проводятся в перчаточном боксе, заполненном аргоном, содержащем лишь следовые количества кислорода или влаги. Корпус батареи изготовлен из легированной нержавеющей стали 304, которая минимально подвергается коррозии даже с литием при температуре 550 °C. Термопары и коллектор отрицательного тока также изготовлены из нержавеющей стали. Геометрия сосуда выбрана таким образом, чтобы он соответствовал сосудам, используемым для электрохимических испытаний жидкометаллических батарей, чтобы максимально точно смоделировать коммерческие системы. Сосуд, показанный на рис. 2 , имеет цилиндрическую форму, внутренний диаметр 88,9 мм и глубину 67 мм. Все стенки сосудов имеют толщину 6,4 мм. Однако сосуд отличается от тех, которые использовались для более ранних экспериментов, тем, что он имеет ультразвуковой порт. Порт проходит через боковую стенку по горизонтальному диаметру цилиндра, а центр порта находится на высоте 6,6 мм над дном сосуда. Порт имеет диаметр 8 мм для размещения ультразвукового датчика диаметром 8 мм и уплотняется вокруг датчика с помощью обжимки.В этих экспериментах электрод из жидкого металла находится достаточно глубоко, чтобы покрыть ультразвуковой преобразователь, обычно 13 мм.

Для получения сильных ультразвуковых сигналов требуется хорошая акустическая передача между ультразвуковым преобразователем и измеряемой им жидкостью (ePbBi). Максимальная акустическая мощность передается, когда акустическое сопротивление материала преобразователя и испытательной жидкости одинаково; когда импедансы различаются, сигналы страдают. Размещение ультразвукового преобразователя в непосредственном контакте с чистым ePbBi (что стало возможным благодаря описанному выше порту) обеспечивает достаточный сигнал, часто в течение нескольких часов.Оксиды металлов, однако, имеют очень разный импеданс и могут также мешать смачиванию, изменяя поверхностное натяжение. Если ePbBi существенно окислен, ультразвуковые сигналы ухудшаются и вскоре исчезают. Опять же, необходима инертная атмосфера. Если следовые количества кислорода, тем не менее, вызывают некоторое окисление, поверхность оксида металла снимается перед переносом ePbBi в корпус батареи.

Наконец, эти эксперименты представляют трудности из-за наличия электрических токов.Хотя токи представляют наш главный научный и технологический интерес, они достаточно велики (30 А), чтобы вызвать повреждение при неправильном направлении. Незаземленные термопары гарантируют, что вредные электрические токи не пройдут через устройство сбора данных или компьютер, который его поддерживает, потому что незаземленные термопары не имеют внутреннего электрического соединения от защитной оболочки к сигнальному проводу. Также важно использовать незаземленные ультразвуковые преобразователи (Signal-Processing SA, TR0805LTH), чтобы предотвратить повреждение ценного ультразвукового прибора блуждающим током (Signal-Processing SA, DOP 3010).Как упоминалось ранее, основание печи служит для проведения электрического тока, а также должно быть электрически изолировано от окружающей среды.

В электроде из ePbBi ток вызывает омический нагрев, что может привести к нарушению температуры. Таким образом, автоматизированная система терморегулирования должна иметь возможность приспосабливаться к изменениям подводимой теплоты. На Рисунке 3 показано, как температура электрода ePbBi изменяется при протекании через него тока и как ПИД-регулятор настраивается для компенсации.Поддержание постоянной температуры при больших токах (50 А = 800 мА/см) потребует дополнительного охлаждения, но при меньших токах, более реалистичных для жидкометаллических аккумуляторов в промышленных условиях (обычно 17 А = 275 мА/см ¹ ), контроллер способен компенсировать омический нагрев и удерживать колебания температуры до 2 °С.

Протокол

1. Установка и сборка системы

1. Очистите ультразвуковой датчик изопропанолом.

2. Загрузите перчаточный ящик.

   1. Загрузите необходимое оборудование и материалы (включая ультразвуковой преобразователь, ePbBi, палочку для перемешивания и термопары) в перчаточный бокс, следуя инструкциям производителя перчаточного бокса, чтобы свести к минимуму попадание кислорода и влаги.

   2. Выдержите пористые материалы под вакуумом в прихожей перчаточного ящика в течение 12 часов перед входом в перчаточный ящик.

3. Настройте ПИД-регулятор (только в первый раз).

   1. Поместите в сосуд батареи такое же количество твердого ePbBi, которое будет использоваться в экспериментах (840 г).

   2. Поместите изоляцию печи вокруг корпуса батареи, если ее еще нет, и поместите крышку на корпус батареи вместе с коллектором отрицательного тока и термопарами.

   3. Выполните все электрические соединения для термопар и питания печи, как показано на рис. ure 2B .

   4. Инициировать автоматическую настройку ПИД-регулятора, используя 150 °C в качестве уставки. Примечание: детали этого шага будут отличаться в зависимости от производителя и модели ПИД-регулятора.Используемый здесь контроллер автоматически настраивается, контролируя четыре полных тепловых цикла, от комнатной до рабочей температуры, в течение нескольких часов.

      1. С помощью клавиш со стрелками отрегулируйте уставку (отображается по умолчанию после настройки контроллера) на 150 °C.

      2. Нажмите и удерживайте кнопку петли в течение 3 секунд, чтобы войти в скрытую петлю. Затем несколько раз нажмите кнопку петли, пока на экране контроллера не появится «tUnE». Используйте клавиши со стрелками, чтобы изменить его на YES.

   5. Вставьте термопару и используйте рабочую станцию ​​для контроля и регистрации температуры.

   6. После завершения автонастройки запишите пропорциональные, интегральные и дифференциальные параметры, которые ПИД-регулятор автоматически выбрал с помощью интерфейса контроллера в соответствии с инструкциями производителя.

2. Измерение скорости звука

1. Используйте печь, чтобы расплавить достаточное количество ePbBi для эксперимента, не менее 400 г. Примечание: требуемое количество зависит от оборудования, а ePbBi плавится при 125 °C.

   1. При необходимости удалите избыток оксида, сняв его с верхней поверхности ePbBi с помощью палочки для перемешивания.

   2. Вставьте ультразвуковой датчик в устройство измерения скорости звука и затяните обжимное соединение, чтобы предотвратить утечки, затем вставьте термопару и используйте рабочую станцию ​​для контроля и регистрации температуры.

2. Перенесите расплавленный металл в устройство для измерения скорости звука.

   1. Поместите устройство для измерения скорости звука на основание печи и оставьте его там на 2 минуты, чтобы постепенно повысить температуру и избежать теплового удара.

   2. Подготовьтесь к безопасному перемещению, убрав из зоны термочувствительное оборудование или материалы.

   3. Добавляйте небольшое количество расплавленного металла за раз, поскольку тепловой удар может повредить ультразвуковой датчик. Добавляйте ePbBi до тех пор, пока поверхность преобразователя и головка микрометра не будут полностью погружены в воду.

   4. Подождите, пока температура не стабилизируется в пределах 1 °C в течение не менее 5 минут, прежде чем начинать измерения, поскольку скорость звука зависит от температуры.

3. Измерение ультразвуковых эхо-сигналов в двух местах.

   1. Установите наконечник микрометра в произвольное, но известное место. Запишите измерения ультразвукового эха, следуя инструкциям производителя прибора.

   2. С помощью шкалы микрометра переместите наконечник микрометра на известное расстояние. Запишите измерения ультразвукового эха.

4. Удалите расплавленный металл из устройства для измерения скорости звука и храните его в термостойком контейнере.

5. Чтобы определить скорость звука, постройте амплитуду эха как функцию времени эха для каждого из двух измерений. Найдите эхо-сигналы, подгоняя кривую Гаусса к каждому пику эхо-сигнала, как в Fig ure 4 . Рассчитайте скорость звука, разделив расстояние смещения на разницу в пиковых временах эха.

3. Ультразвуковое измерение скорости

1. Расплавьте достаточное количество ePbBi для эксперимента (840 г), при необходимости удалив избыток оксида.Примечание. Для достижения наилучших результатов используйте такое же количество ePbBi, которое использовалось для настройки ПИД-регулятора.

   1. Вставьте ультразвуковой датчик в аккумуляторную емкость и затяните обжимное соединение для предотвращения утечек, следя за тем, чтобы дно печи было ровным.

2. Перелейте расплавленный металл в аккумуляторную емкость.

   1. Поместите аккумуляторный сосуд на основание печи и оставьте его там на 5 минут для постепенного повышения температуры и предотвращения теплового удара. Подготовьтесь к безопасному перемещению, убрав из зоны термочувствительное оборудование или материалы.

   2. Добавляйте небольшое количество расплавленного металла за раз, поскольку тепловой удар может повредить ультразвуковой датчик.

   3. Подождите, пока температура не достигнет 150 °C, прежде чем начинать измерения, так как скорость звука зависит от температуры.

3. Завершите сборку аппарата.

   1. Поместите изоляцию печи вокруг корпуса батареи, если ее еще нет.Поместите крышку на корпус батареи вместе с коллектором отрицательного тока и термопарами. Убедитесь, что все они расположены точно и повторяемо; хомуты вала хорошо работают для этого.

   2. Выполните все электрические соединения для питания и сигналов, как показано на рис. ure 2B . С помощью омметра убедитесь в отсутствии непреднамеренных электрических дорожек, т. е. убедитесь, что электрическое сопротивление между коллектором отрицательного тока и всеми сигнальными проводами составляет не менее 1 МОм.

4. Приступайте к измерениям.

   1. Начните регистрацию и мониторинг температуры, мощности нагревателя, напряжения и тока батареи. Примечание. Здесь для регистрации всех измерений с соответствующими отметками времени использовалась рабочая станция, на которой выполнялся пользовательский код LabView.

   2. При необходимости отрегулируйте настройки ультразвукового прибора.

      1. Обязательно установите скорость звука при соответствующей температуре в соответствии с принятой моделью ¹⁹ .Для ePbBi при 150 ° C, как используется ниже, установите скорость 1760 м/сек.

      2. Отрегулируйте частоту повторения импульсов таким образом, чтобы глубина эхо-сигнала была близкой (обычно 0,25 мм).

      3. Отрегулируйте количество стробов таким образом, чтобы сильное эхо от дальней стенки сосуда появлялось в последних нескольких стробах; он обеспечивает полезную проверку работоспособности для устранения проблем с уровнем сигнала.

      4. Используя инструкции производителя, настройте прибор на аппаратный запуск.

   3. Начните регистрацию и мониторинг скорости с помощью ультразвукового прибора, инициировав запуск с рабочей станции. Запишите четыре профиля скорости в секунду в течение 30 мин.

5. Установите ток батареи на 5 А, подождите 5 минут, пока поток стабилизируется, а затем запишите четыре профиля скорости в секунду в течение 30 минут.

6. Повторите шаг 3.5 для 10 А, 15 А, 20 А, 25 А и 30 А. Примечание. Также возможны многие другие экспериментальные планы, включая изменения температуры и плавные изменения тока.Атмосфера с низким содержанием кислорода и влаги позволяет проводить эксперименты с хорошим качеством сигнала в течение нескольких часов и более.

7. После завершения экспериментов прекратите регистрацию данных и выключите печь. Отсоедините электрические соединения и снимите крышку печи. Удалите расплавленный металл из сосуда батареи, используя те же процедуры безопасного переноса, что и при заполнении сосуда. Храните расплавленный ePbBi в термостойком контейнере. Добавьте дополнительный аргон в перчаточный ящик; его давление упадет по мере охлаждения атмосферы.

Репрезентативные результаты

Процедура измерения скорости звука (подробно описанная выше) была адаптирована из методов, используемых Signal-Processing SA. В принципе, скорость звука можно легко получить, измерив время пролета эха от стены на известном расстоянии. Но точно измерить эффективное положение поверхности преобразователя сложно, поэтому вместо этого можно дважды измерить время пролета, используя микрометр для смещения стенки на известное расстояние между измерениями.Это расстояние смещения и разница в измеренном времени полета вместе дают скорость звука. Устройство, используемое для измерения скорости звука в этих экспериментах, показано на рис. 4A . Измерение скорости звука в ePbBi показано на рис. 4B . Каждая кривая, показывающая измеренный эхосигнал, представляет собой среднее значение по 98 профилям, охватывающим 7,4 с. Каждый пик эхо-сигнала соответствует кривой Гаусса (показана), которая использует множество точек данных и, следовательно, определяет местонахождение отражающей стены намного точнее, чем поиск одного максимума.Зная время эха и зная, что отражающая стенка была смещена на 2,54 мм между измерениями, расчетная скорость звука составляет 1793 м/с при 138 °C, что в разумных пределах согласуется со значением, принятым Агентством по ядерной энергии ¹⁹ , т.е. 1768 м/сек. В приведенных ниже измерениях использовалась скорость звука NEA.

Одна кривая скорости ультразвука, записанная без тока в электроде, показана на рис. 5A . Здесь система пространственных координат имеет свое начало в центре сосуда батареи, а преобразователь — на отрицательной стороне начала координат, так что положительные скорости означают поток от преобразователя, а отрицательные скорости означают поток к преобразователю.Хотя ультразвуковые измерения вдоль одного диаметра не дают нам сведений о потоке повсюду, измерения согласуются с набором конвекционных валов, как показано на рис. .

Отображая положительные скорости в оттенках красного и отрицательные скорости в оттенках синего, время может быть нанесено на вертикальную ось для построения пространственно-временных графиков вида, показанного на рис. 6A , которые отображают изменение потока во времени . Здесь снова ток равен нулю.Как видно из различных форм красных и синих областей, этот поток неупорядоченный и апериодический, что соответствует тому, что ожидается от турбулентной конвекции. Средний поток нанесен на графике (рис. 6B ), а также указано одно стандартное отклонение.

Наконец, На рис. 7 показаны измерения скорости ультразвука при протекании тока через электрод (в данном случае 125 мА/см). Как более подробно описано в другом месте ¹⁸ , конвекционные ячейки стремятся выровняться с линиями магнитного поля, создаваемыми электрическим током, организуя поток.Повышение организации становится очевидным при сравнении Рисунок 7A с Рисунок 6A , и тот факт, что поток является более устойчивым, может быть количественно определен стандартным отклонением во времени, которое меньше с током, чем без него. Повышенная организация в присутствии магнитного поля согласуется с предыдущими наблюдениями в экспериментах по конвекции жидких металлов ^20–22 и теоретическими предсказаниями ²³ .

Рисунок 1 . Обзор ультразвуковой велосиметрии.  ( A ) Ультразвуковой датчик издает звуковой сигнал и прислушивается к эху. Если движущаяся частица (красный) создает эхо, время пролета эха dt показывает положение частицы, а доплеровский сдвиг df показывает одну составляющую ее скорости. ( B ), Когда присутствует много частиц, один преобразователь может измерять одну составляющую скорости во многих точках вдоль линии. (Не в масштабе.) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 2 . Экспериментальная установка.  ( A ) Печь в сборе. Алюминиевая пластина поддерживает корпус батареи из нержавеющей стали и поддерживает постоянную температуру (алюминий является гораздо лучшим проводником, чем нержавеющая сталь). Корпус батареи окружен керамической изоляцией из кремнезема для термостойкости; дополнительная изоляция из кремнеземной керамики покрывает весь узел печи. Верхняя часть сосуда закрыта крышкой из ПТФЭ, которая поддерживает термопары, а также коллектор отрицательного тока (не показан) без электрического соединения с сосудом, который также является коллектором положительного тока.Для описанных здесь экспериментов печь питается от двух резистивных нагревателей мощностью 500 Вт каждый. Конструкция позволяет при желании включить два дополнительных нагревателя. ( B ) Поперечное сечение сосуда. Сосуд содержит тонкий слой расплавленного ePbBi, который контактирует с коллектором отрицательного тока. Термопары также вступают в контакт с ePbBi. ПИД-регулятор поддерживает температуру системы, а рабочая станция управляет током батареи, ультразвуковыми измерениями и сбором данных. ( C ) Установка перчаточного ящика.Эксперименты проходят в перчаточном боксе, заполненном аргоном. Собранная печь видна справа от центра вместе с компьютерным устройством сбора данных и контроллером нагревателя. Ультразвуковой прибор лежит на полке выше. (Здесь датчик не подключен.) Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3 . Регулировка температуры.  ( A ) Температура вверху и внизу электрода ePbBi во время эксперимента. Регулирование температуры демонстрируется путем нагревания электрода с последующим применением серии импульсов тока ( B ).Контроллер печи отреагировал модулированием тепловой мощности ( C ). При плотностях тока, характерных для работы от батарей (до 400 мА/см ² ), температура стабильна в пределах около 3 °С. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4 . Измерение скорости звука.  ( A ) Сосуд для измерения скорости звука был построен с ультразвуковым портом (справа), обращенным к микрометрической головке (слева), которая вызывает высокоамплитудные эхо-сигналы и может быть позиционирована с высокой точностью. ( B ) Два измеренных профиля эхо-сигнала, каждый из которых с методом наименьших квадратов наилучшим образом соответствует кривой Гаусса. Используя центры аппроксимации Гаусса в качестве времени прохождения и зная, что между измерениями стена сдвинулась на 2,54 см, мы нашли, что скорость звука составляет 1793 м/с при 138 °C. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 5 . Кривая ультразвуковой скорости и ее интерпретация.  ( A ) На одной кривой ультразвуковой прибор измеряет скорость во многих точках (в данном случае 440) вдоль линии обзора датчика.Здесь положение r измеряется от центра чашки, датчик расположен слева, а скорость u<0 означает поток к датчику, тогда как u>0 означает поток от датчика. ( B ) Эскиз областей потока к датчику и от него. ( C ) Эскиз одной схемы потока, согласующейся с этими измерениями. Преобразователь расположен в нижней половине электрода. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 6 . Ультразвуковые измерения скорости жидкометаллического электрода, приводимые в действие тепловой конвекцией, без электрического тока. ( A ) Радиальная скорость u изменяется как в пространстве, так и во времени, скорость указана цветом. Здесь r — радиальная координата, t — время. ( B ) Средний расход (черный) и одно стандартное отклонение вокруг него (серый) показывают характеристики, аналогичные Рисунок 5 .

Рисунок 7 . Ультразвуковые измерения скорости жидкометаллического электрода, приводимые в действие тепловой конвекцией, и плотностью электрического тока 125 мА/см.  ( A ) Радиальная скорость u изменяется как в пространстве, так и во времени, скорость указана цветом. Здесь r — радиальная координата, t — время. ( B ) Средний поток (черный) и одно стандартное отклонение вокруг него (серый) показывают более быстрый поток с меньшим изменением во времени, чем в отсутствие тока ( Рисунок 6 ). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Обсуждение

Ультразвуковые методы позволяют измерять скорость в сотнях или тысячах мест в прозрачной или непрозрачной жидкости много раз в секунду.Применительно к электроду из жидкого металла ультразвуковые методы сталкиваются с проблемами высокой температуры, химической активности и электропроводности. Описаны методы преодоления этих проблем и измерения расхода в активных жидкометаллических электродах. Во-первых, электродный материал, имеющий ту же физику, что и высокотемпературные жидкометаллические аккумуляторные электроды (550 °C), но работающий при гораздо более низких температурах (150 °C), облегчает проблемы, связанные с температурой. Специально изготовленная печь и настроенная система управления использовались для поддержания постоянной температуры электрода в пределах 2 °C.Чтобы уменьшить нежелательную химическую активность, все эксперименты проводятся в перчаточном боксе, заполненном аргоном, а для компонентов системы выбираются химически инертные материалы (часто нержавеющая сталь). Для оптимального ультразвукового отклика датчики помещают в непосредственный контакт с жидкометаллической испытательной жидкостью. Электрические токи направляются осторожно, чтобы избежать контуров заземления, которые могут повредить ценные инструменты.

Ультразвуковая велосиметрия имеет ограничения для жидких металлов. Стандартные датчики не рассчитаны на температуру выше 250 °C, за исключением их использования во многих расплавах металлов.Ультразвуковая велосиметрия не дает таких полных наборов данных, как те, которые доступны с использованием оптических методов, таких как отслеживание частиц ^24,25 , а описанные здесь ультразвуковые методы с одним преобразователем измеряют только одну составляющую скорости и только вдоль одной линии. Детали меньше длины волны ультразвука (209 мкм в ePbBi при 150 °C с излучением на частоте 8 МГц) не могут быть разрешены. Для ультразвуковых измерений в больших системах затухание сигнала представляет собой проблему; в ePbBi с излучением 8 МГц ожидаются трудности для расстояний более 300 мм. Снижение частоты снижает затухание, но за счет соответствующего снижения разрешения. Большие системы также требуют более низких частот дискретизации, поскольку время прохождения по системе больше. А описанный здесь аппарат не в состоянии поддерживать 150 °С при токах 40 А и более.

Существующие методы могут быть существенно расширены в будущем. Включение дополнительных ультразвуковых преобразователей в элемент батареи позволило бы измерять скорость в большем количестве мест и/или измерять более одного компонента скорости.Дополнительные термопары могли бы дать более подробную информацию о пространственных изменениях температуры. Хотя прямой контакт между ультразвуковым преобразователем и тестовой жидкостью дает сильные сигналы, тщательно продуманный акустический дизайн может обеспечить прохождение ультразвука через стенку сосуда, уменьшая возможность термического или химического повреждения преобразователя. Стенка между преобразователем и тестовой жидкостью также может быть обработана или кондиционирована, чтобы уменьшить неблагоприятное воздействие оксида в тестовой жидкости. Настоящие способы также могут широко применяться в таких областях, как литье и промышленная обработка металлов.Наконец, мы намерены расширить нашу работу за счет измерения скорости активных трехслойных жидкометаллических батарей по мере их зарядки и разрядки.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Мы благодарны Д. Де Ла Крузу за помощь в проектировании и изготовлении, за оборудование, заимствованное у М. Зана, и за содержательные обсуждения с Д. Р. Садовеем и талантливыми электрохимиками из его группы.

Ссылки

• Kim H, et al.Жидкометаллические батареи: прошлое, настоящее и будущее. хим. 2013;113(3):2075–2099. [PubMed] [Google Scholar]
• Bradwell DJ, Kim H, Sirk AHC, Sadoway DR. Магниево-сурьмяный жидкометаллический аккумулятор для стационарных накопителей энергии. Варенье. хим. соц. 2012; 134:1895–1897. [PubMed] [Google Scholar]
• Kim H, et al. Термодинамические свойства сплавов кальция–висмута, определенные по измерениям ЭДС. Электрохим. Акта. 2012;60(0):154–162. [Google Scholar]
• Kim H, Boysen DA, Ouchi T, Sadoway DR.Кальций-висмутовые электроды для крупных накопителей энергии (жидкометаллические аккумуляторы) J. Power Sources. 2013;241(0):239–248. [Google Scholar]
• Кэрнс Э.Дж., Краутамель К.Е., Фостер А.К., Фостер М.С., Хессон Д.К. Технический отчет ANL-7316. Аргоннская национальная лаборатория: 1967 г. Гальванические элементы с расплавленными солями. [Google Scholar]
• Кэрнс Э.Дж., Симотаке Х. Высокотемпературные батареи. Наука. 1969; 164 (3886): 1347–1355. [PubMed] [Google Scholar]
• Бард А., Фолкнер Л. Электрохимические методы: основы и приложения.2-е издание. Нью-Йорк: Уайли; 2001. 2-е издание. [Google Scholar]
• Такеда Ю. Разработка ультразвукового монитора профиля скорости. Нукл. англ. Дес. 1991;126(2):277–284. [Google Scholar]
• Такеда Ю. Измерение профиля скорости ультразвуковым доплеровским методом. Эксп. Терм. Науки о жидкости. 1995;10(4):444–453. [Google Scholar]
• Brito D, Nataf H-C, Cardin P, Aubert J, Masson J-P. Ультразвуковая доплеровская велосиметрия в жидком галлии. Эксп. Жидкости. 2001; 31: 653–663. [Google Scholar]
• Янагисава Т., Ямагиши Ю., Такеда Ю.Структура крупномасштабных течений и их колебания при тепловой конвекции жидкого галлия. физ. Ред. Е. 2010; 82:016320. [PubMed] [Google Scholar]
• Эккерт С., Гербет Г. Измерение скорости в жидком натрии с помощью ультразвуковой доплеровской велосиметрии. Эксп. Жидкости. 2002;32(5):542–546. [Google Scholar]
• Браун Б.Э., Джоши К., Латроп Д.П., Мухика Н., Сисан Д.Р. Визуализация невидимого: ультразвуковая велоциметрия в жидком натрии. Хаос. 2005;15:041104. [PubMed] [Google Scholar]
• Takeda Y, Kikura H.Картографирование потока ртути. Эксп. Жидкости. 2002;32(2):161–169. [Google Scholar]
• Эккерт С., Гербет Г., Мельников В.И. Измерение скорости при высоких температурах методом ультразвуковой доплеровской велосиметрии с использованием акустического волновода. Эксп. Жидкости. 2003; 35: 381–388. [Google Scholar]
• Ueki Y, et al. Высокотемпературная ультразвуковая доплеровская велосиметрия свинцово-литиевых потоков. В: Яо Т, редактор. Zero-Carbon Energy Киото 2011, Зеленая энергия и технологии. Япония: Спрингер; 2012. С. 267–272.[Google Scholar]
• Эккерт С., Крамер А., Гербет Г. Магнитогидродинамика. Нидерланды: Спрингер; 2007. Методы измерения скорости течений жидких металлов; стр. 275–294. [Google Scholar]
• Келли Д.Х., Садоуэй Д.Р. Смешивание в жидком металлическом электроде. физ. Жидкости. 2005;26(5) [Google Scholar]
• NEA. Справочник по эвтектическому сплаву свинец-висмут и свойствам свинца, совместимости материалов, теплогидравлике и технологиям. Агентство по ядерной энергии; 2007. [Google Scholar]
• Fauve S, Laroche C, Libchaber A.Влияние горизонтального магнитного поля на конвективные неустойчивости в ртути. J. Physique Lett. 1981;42(21):455–457. [Google Scholar]
• Cioni S, Ciliberto S, Sommeria J. Сильно турбулентная конвекция Рэлея-Бенара в ртути: сравнение с результатами при умеренном числе Прандтля. Дж. Жидкостная механика. 1997; 335:111–140. [Google Scholar]
• Burr U, Müller U. Конвекция Рэлея-Бенара в слоях жидкого металла под действием горизонтального магнитного поля. Дж. Жидкостная механика. 1997; 453:345–369.[Google Scholar]
• Бояревич В, Фрейбергс Ю, Шилова Е.И., Щербинин Е.В. Электрически индуцированные вихревые течения. Дордрехт: Kluwer Academic Publishers; 1989. [Google Scholar]
• Ouellette NT, Xu H, Bodenschatz E. Количественное исследование трехмерных лагранжевых алгоритмов отслеживания частиц. Являюсь. Эксп. Жидкости. 2006;40:301–313. [Google Scholar]
• Келли Д.Х. и Уэллетт Н.Т. Использование отслеживания частиц для измерения нестабильности потока в студенческом лабораторном эксперименте.Являюсь. Дж. Физ. 2011; 79: 267–273. [Google Scholar]

Ультразвуковая физика и приборостроение — StatPearls

Проблемы, вызывающие озабоченность

Основные принципы физики ультразвука

Важнейшие физические принципы, необходимые для понимания и оптимизации клинического ультразвука, включают частоту, скорость распространения, импульсный ультразвук, взаимодействие волн с тканью, угол падения и затухание. [3] Звук — это механическая энергия, которая движется через чередующиеся волны высокого и низкого давления в среде.Источник звука производит колебания продольных волн, позволяя распространять энергию и критические формы волны для клинического ультразвука. Фаза высокого давления звуковой волны — это фаза сжатия, а фаза низкого давления — фаза разрежения. В клиническом УЗИ задействованными средами являются воздух, вода, жидкости организма, мягкие ткани, кровь и кости.

Частота относится к числу циклов в секунду, излучаемых зондом в течение одной секунды, и выражается в герцах (Гц). Период — это время, в течение которого происходит полный цикл волны (разрежение и сжатие), и он обратно пропорционален частоте.Точно так же описанная длина волны представляет собой расстояние между двумя соседними волновыми пиками. Важно различать разницу между периодом и длиной волны; первое — это расстояние, а второе — продолжительность времени.[4] Ультразвуковые волны передаются с частотой более 20 МГц, что выше верхнего предела человеческого слуха. Частота зависит от источника излучения и совершенно не зависит от ткани, с которой взаимодействуют волны.[3] Частоты, используемые в клиническом УЗИ, находятся в диапазоне от 1 МГц до 20 МГц, в зависимости от используемого датчика и желаемого применения.Частота имеет соответствующую связь с разрешением и обратную зависимость с глубиной. Чем выше используемая частота, тем ниже проникновение, но выше разрешение изображения.[5]

Амплитуда – это высота или сила волны, определяемая расстоянием между пиком и средним значением самой высокой и самой низкой точек волны. Мощность в ультразвуке относится к квадрату амплитуды волны или разнице между максимальным и средним значениями распространяющихся волн.[6] И мощность, и амплитуда могут контролироваться сонографистом и регулироваться с помощью регулировки усиления.Мощность измеряется в ваттах или милливаттах, но может отображаться на ультразвуковом аппарате либо в децибелах (дБ), либо в процентах от общей акустической мощности.[4]

Интенсивность относится к мощности, подаваемой на определенную площадь, выраженной в ваттах/см2 или милливаттах/см2. [4] Пространственный пик — это место, где интенсивность максимальна (наибольшая мощность на наименьшей площади), и представляет фокус ультразвуковых лучей.

Децибелы (дБ) представляют собой логарифмическое выражение отношения двух интенсивностей звука.дБ можно определить, рассчитав соотношение интенсивности источника звука и наименьшей слышимой интенсивности, рассчитав LOG и умножив его на 10. Существует упрощенное правило 3 дБ, которое утверждает усиление на каждые 3 дБ. Должно быть дополнительное удвоение подаваемой мощности. Таким образом, для усиления 3 дБ требуется удвоенная мощность, для усиления 6 дБ требуется четырехкратная мощность, а для усиления 9 дБ требуется восьмикратная мощность.

Скорость распространения — это скорость, с которой волны проходят через среду. Скорость ультразвуковых волн принята равной 1540 м/с в мягких тканях, известной как акустический импеданс.Скорость распространения зависит от характеристик среды, через которую распространяются волны, и не зависит от частоты. По мере увеличения плотности ткани скорость распространения уменьшается. Напротив, чем жестче ткань, тем выше скорость распространения.[4]

Для достижения желаемой глубины и разрешения для клинического ультразвука датчик излучает волны в виде импульсов, обычно длительностью в миллисекунды и повторяющихся до нескольких тысяч раз в секунду. Этот принцип называется импульсным ультразвуком.

Ультразвуковые волны проникают в ткань и отражаются обратно к датчику со скоростью, определяемой консистенцией ткани-мишени. Отражения звука, которые возвращаются к зонду, называются эхом и определяются поверхностью раздела двух разных материалов.[3] Изображения, полученные на основе эхосигналов, придают структурам и средам разную плотность на экране, называемую эхогенностью. Чем значительнее разница в плотности двух материалов (тканей), тем сильнее будет создаваемое эхо.[3] Структуры с более высокой плотностью отражают больше звука и считаются более эхогенными (белыми). Таким образом, кости и плотные инородные тела полностью отражают звук и кажутся яркими на экране, тогда как жидкости, такие как вода или моча, не отражают звук на датчик и кажутся анэхогенными (черными). [6] Слабые эхо-сигналы выглядят серыми. Когда волны возвращаются к датчику от таких материалов, как кость и воздух, которые не могут распространять звук, звуковые волны не могут проходить в более глубокие ткани, и возникает тень за границей раздела.

Угол, под которым ультразвуковые волны воздействуют на любую структуру, называется углом падения.Структуры идеально отображаются с углом падения, перпендикулярным излучаемым волнам, потому что отраженные волны возвращаются к зонду в наибольшей концентрации. Когда волны взаимодействуют со структурой под углом, меньшее количество волн отражается обратно к зонду, что снижает как яркость структуры, так и разрешение. Волны, падающие на структуру, возвращаются к зонду под углом, равным углу, первоначально падающему на границу конструкции.[3] Если угол не перпендикулярен углу падения, волна будет отражаться от источника.[4]

Точно так же волны отклоняются от прямой линии, когда скорость волн различается между двумя структурами, что приводит к преломлению. [3] Исходный угол падения и разница в скорости распространения двух сред определяют конечный угол преломления. Преломление является источником артефактов в ультразвуке, учитывая, что все ультразвуковые аппараты работают исходя из предположения, что волны всегда будут распространяться и возвращаться по прямой линии.[3]

Различные поверхности раздела тканей отражают по-разному и влияют на качество изображения.Гладкие границы раздела считаются зеркальными отражателями и возвращают большую часть волн к преобразователю. Зеркальные отражатели контрастируют с нерегулярными границами раздела, называемыми диффузными отражателями, которые заставляют звуковые волны отражаться от преобразователя и снижать качество изображения. Важный тип рассеяния, называемый рассеянием Рэлея, возникает, когда объект меньше длины волны ультразвукового луча. Красные кровяные тельца демонстрируют этот тип рассеяния, в результате чего волны рассеиваются во всех направлениях.[4]

Учитывая, что ультразвуковые волны не могут распространяться по воздуху, для взаимодействия с тканями датчики должны контактировать с кожей пациента через связующую среду. Сцепление происходит за счет использования ультразвукового геля или водяных бань. Поскольку ультразвуковые волны взаимодействуют с тканью и отражают датчик, энергия, связанная с любыми оставшимися лучами, уменьшается с увеличением глубины. Сила проникающих волн снижается за счет преломления, рассеяния и поглощения.[5] Когда волны рассеиваются и энергия поглощается, это приводит к энергии вибрации и теплу.Все процессы, которые способствуют уменьшению энергии, в совокупности называются затуханием.

Затухание волны, или уменьшение интенсивности на заданном расстоянии, также измеряется в децибелах (дБ) и происходит со скоростью на сантиметр, примерно равной исходной частоте излучения. Таким образом, волна 5 МГц будет затухать примерно на 5 дБ в первом сантиметре и еще на 5 дБ в следующем сантиметре. Предельное проникновение волн определяется глубиной, на которой интенсивность волн уменьшается на 50%, в обратном порядке, используемом для определения усиления в дБ, описанного выше.Таким образом, глубина, на которой ослабляется 50% интенсивности, эквивалентна потере 3 дБ. Волны более высокой частоты и волны для глубокой визуализации затухают быстрее, чем низкочастотные волны или волны, используемые для поверхностной визуализации.[4]

Усиление (мощность) можно регулировать по всему изображению или, в зависимости от используемого аппарата, на разных глубинах, чтобы лучше визуализировать структуры на этих глубинах. Кроме того, более глубокие структуры должны использовать более низкие частоты, чтобы стать видимыми. Такая видимость достигается за счет разрешения, которое улучшается с более высокими частотами.Специалисты по УЗИ должны управлять используемой частотой, чтобы сбалансировать потребность как в глубине, так и в разрешении в зависимости от применения ультразвука для любой конкретной целевой структуры.

Датчики

Преобразователи представляют собой приборы, излучающие и принимающие ультразвуковые волны путем преобразования электрического сигнала в звуковые волны. Ультразвуковые преобразователи содержат пьезоэлектрические кристаллы, которые при подаче электрических импульсов производят волны с частотами, определяемыми скоростью распространения кристалла, деленной на удвоенную толщину кристаллического слоя. Типичная толщина кристаллических слоев составляет от 0,2 мм до 2 мм. Полоса пропускания конкретного пробника — это диапазон частот, в котором пробник будет работать.

Преобразователи могут как посылать, так и принимать ультразвуковые волны, применяя энергию и, в конечном счете, звуковые волны в импульсах. Пульсирующий характер создаваемых ультразвуковых волн облегчает излучение и прием звуковых волн. Когда падающие импульсы отражаются от тканей, создавая эхосигналы, устройство может определять силу, направление и время прибытия эхосигналов.[3] Количество импульсов, производимых за одну секунду, представляет собой частоту повторения импульсов (PRF), а период повторения импульсов (PRP) — это время между началом двух импульсов. PRF и PRP, как и период и частота, описанные выше, обратно пропорциональны друг другу. Более высокий PRF будет соответствовать большему разрешению изображения, но меньшей глубине, в то время как более высокий PRP и увеличенное время «прослушивания» датчика позволят увеличить глубину. [4]

Типичные датчики, используемые в клиническом ультразвуковом исследовании, включают линейную решетку, фазированную решетку и криволинейную решетку, которые имеют несколько конфигураций и частот в зависимости от необходимого применения.Кристаллы поверхности преобразователя и расположение структуры определяют площадь и форму создаваемого изображения. Линейные массивы имеют плоские грани, которые создают прямоугольное изображение. Фазированные решетки имеют конфигурации кристаллов и последовательности мощности, которые направляют лучи из одной точки для создания секторного изображения, идеального для сканирования между ребрами. Криволинейные массивы имеют изогнутые поверхности различных радиусов, которые также могут использоваться в разных полосах пропускания в зависимости от желаемого приложения. Например, низкочастотные криволинейные датчики часто используются для исследований органов брюшной полости из-за их глубокого проникновения и широкого поля зрения.Напротив, высокочастотные внутриполостные криволинейные датчики используются для обследования женского таза из-за их высокого разрешения и небольших размеров.

Управление изображениями

Частота

Выбор датчика с соответствующей полосой пропускания является важным фактором для получения идеального изображения. Для общих предустановок сканирования машины часто устанавливаются на «GEN» или «общий», как правило, средний диапазон для полосы пропускания зонда. Если для оценки структуры требуется более высокое разрешение, частоту можно увеличить непосредственно на машине или с помощью доступного «RES» для разрешения.Повышенная частота пожертвует глубиной проникновения. Обратное верно, если требуется большее проникновение. Частота уменьшается напрямую или с помощью настройки «PEN» или проникновения.

Усиление

Когда необходимо управлять затуханием из-за того, что цель слишком яркая или слишком темная, мощность можно увеличить или уменьшить либо по всему изображению, либо на заданной глубине. Увеличение усиления добавит мощности для борьбы с затуханием за счет увеличения яркости. [5] Усиление уменьшается при снижении мощности и общей яркости. Когда изображения имеют чрезмерное или недостаточное усиление, разрешение ухудшается.

Компенсация усиления по времени

Компенсация усиления по времени относится к элементам управления мощностью на определенной глубине изображения для борьбы с затуханием с глубиной. Это помогает улучшить визуализацию глубоких структур, в основном, если глубокая ткань подвергается заднему акустическому усилению. Эту функцию часто можно увидеть с помощью «ползунков» на ультразвуковой консоли.

Глубина резкости

Глубина резкости — это глубина, на которую передаются и принимаются звуковые лучи.Глубина изменяется на дисплее, чтобы оптимизировать мощность и временное разрешение машины для просмотра целевых структур. Глубина должна быть достаточно значительной, чтобы при необходимости можно было увидеть глубокие структуры, и достаточно мелкой, чтобы видеть мелкие структуры с адекватным разрешением. Когда глубина слишком велика для поверхностных исследований, качество изображения целевой структуры ухудшается.

Координатор и Резолюция

Ультразвуковые лучи выходят из датчика на той же ширине, что и лицо.Они проходят через ближнюю зону, затем сужаются в фокальной зоне и расширяются в дальней зоне. Разрешение, или способность различать два близко расположенных объекта, и боковое разрешение лучше всего в фокальной зоне. Пространственное разрешение также может быть улучшено за счет более высоких частот, меньшей частоты повторения импульсов и короткой длительности импульса. Осевое разрешение, или способность различать две структуры на пути луча, как правило, лучше, чем боковое разрешение, или способность различать две расположенные рядом структуры из-за того, что ультразвуковые лучи короче, чем их ширина.Боковое разрешение наибольшее в фокусе, где ширина луча самая узкая. Временное разрешение, или время, необходимое машине для создания изображения, обратно пропорционально частоте кадров. При более высокой частоте кадров получаются изображения с более низким разрешением, а при более низкой частоте кадров — изображения с более высоким разрешением. Частота кадров не менее 15 кадров в секунду позволяет получать изображения в реальном времени.[6] Временное разрешение наиболее важно для движущихся объектов, и если частота кадров слишком низкая, поддерживающая высокое временное разрешение, способность обнаруживать движение снижается.Дополнительные инструменты увеличения, такие как микропузырьки, повышают разрешающую способность за счет сильного отражения ультразвуковых лучей, особенно в сосудистой системе.[8]

Многолучевой

Современные ультразвуковые датчики предназначены для отправки ультразвуковых сигналов под разными углами по поверхности датчика. Они создают несколько углов падения, которые имеют несколько углов отражения обратно к приемнику зонда. Это помогает улучшить качество изображения, особенно вокруг структур, которые в противном случае были бы склонны к артефактам рефракции.

Тканевые гармоники

Гармоники ткани относятся к тенденции ткани резонировать на частотах, кратных падающей частоте, передаваемой датчиком. Например, когда к ткани передаются волны частотой 3 МГц, ткань будет резонировать на частотах 3 МГц, 6 МГц и 9 МГц. Преобразователи можно настроить на получение частоты падения и частот гармоник, комбинируя их для создания изображения с более высоким разрешением. Использование настроек тканевых гармоник также помогает уменьшить артефакты.

М-режим

М-режим, или отображение движения во времени, позволяет одному лучу излучаться датчиком вдоль определенной дорожки в сочетании с записывающим устройством, которое фиксирует все движения, происходящие на пути.Этот режим обеспечивает высокое временное разрешение, тем самым предоставляя исследователю превосходный обзор тонких движений.[5] Клинически этот режим идеально подходит для регистрации изменений диаметра сосудов, движения сердечных клапанов и определения сердцебиения плода.

Артефакты

Артефакты — это ошибки изображения, которые интерпретируются ультразвуковым аппаратом в связи с ранее обсуждавшимися физическими принципами. Они часто являются результатом предположения, что ультразвуковые волны всегда распространяются прямолинейно, что все ткани передают звук со скоростью 1540 м/с и что волны всегда отражаются непосредственно в преобразователе.[9] Понимание природы артефактов жизненно важно для специалистов по УЗИ и для тех, кто интерпретирует изображения, поскольку артефакты часто используются в качестве подсказок для обнаружения конкретных патологических изменений.

Реверберации

Артефакты реверберации возникают в результате отражения звуковых волн между гладким отражателем и поверхностью преобразователя.[10] Они выглядят как регулярно расположенные линии с интервалами, равными расстоянию между датчиком и конструкцией. Обычными нормальными находками, возникающими в результате артефакта реверберации, являются «линии А» в легочных полях.

Задний акустический усилитель

Жидкость имеет более высокую скорость распространения и меньшее затухание, чем мягкие ткани. В результате звуковые волны распространяются и возвращаются из глубоких тканей в структуры, заполненные жидкостью, быстрее, чем звуковые волны в соседних, не заполненных жидкостью структурах.[10] Когда датчики принимают звук быстрее и с большей интенсивностью, изображение, создаваемое позади заполненной жидкостью структуры, будет казаться более ярким по сравнению с окружающей тканью. Гиперэхогенный сигнал может скрывать детали ткани.Обычным применением для иллюстрации заднего акустического усиления является ультразвуковое исследование мочевого пузыря, при котором компенсация выигрыша во времени часто должна быть уменьшена для наилучшей оценки тканей глубоко в мочевом пузыре. Неожиданное акустическое усиление сзади также может быть диагностическим признаком того, что жидкость присутствует в местах, представляющих патологические процессы, например, в брюшной полости или плевральной полости.

Тени

Структуры высокой плотности обладают высокой отражательной способностью, возвращая большую часть звуковых волн к преобразователю и почти не позволяя волнам проникать в глубокие ткани.[3] Полученное изображение структуры показывает яркую гиперэхогенную линию или плотность с темной гипоэхогенной тенью позади нее. Кость, металл, пластик, дерево, стекло и кальциевые камни имеют достаточную плотность, чтобы быть настолько отражающими и создавать «чистые» глубокие тени. С другой стороны, хотя воздух и не плотный, он также не передает ультразвуковые волны в глубокие структуры. Воздушные интерфейсы также обладают высокой отражающей способностью, но обычно создают менее различимые тени. Воздушные интерфейсы с затенением обычно отмечаются в легких и кишечнике и могут называться «грязными» тенями.

Зеркало

Когда звук отражается от сильного гладкого отражателя, преобразователь может отражать пульсирующую волну, из-за чего аппарат считает, что граница раздела тканей глубокая и такая же, как граница раздела тканей с поверхностными структурами. [3][10] Это обычно видно при просмотре диафрагмы через печень, когда машины будут отображать печень ниже и выше диафрагмы.

Кольцо вниз

Артефакты затухания возникают, когда крошечные пузырьки или кристаллы резонируют на той же частоте, что и излучаемый ультразвук, который излучает собственные волны.Звук, полученный от них, приходит после исходного эха и интерпретируется машиной как глубинные структуры. Образующийся в результате артефакт выглядит как гиперэхогенная линия в глубине повреждающей структуры, которую часто называют хвостом кометы. Артефакты кольца вниз являются диагностически полезными в случаях аденомиоматоза желчного пузыря, когда стенки желчного пузыря инфильтрированы кристаллами холестерина.[10]

Преломление

Артефакты преломления, часто называемые краевыми артефактами, возникают, когда падающие ультразвуковые волны взаимодействуют с поверхностями структур под углами, отличными от 90 градусов.Разница в плотности структуры способствует преломлению или отклонению звуковых волн от поверхности. В результате эхо-сигналы не возвращаются к преобразователю из области, которая, как ожидается, будет отражать эхо-сигналы, и, таким образом, создается тень.[9] Этот артефакт обычно наблюдается при просмотре круглых структур, таких как желчный пузырь, где тени будут следовать за краями, соответствующими стенам, когда через них происходит веер.

Что такое ультразвуковая волна?｜Ультразвуковая резка и ультразвуковая полировка колонн｜SONOTEC

КОЛОНКА

Ультразвуковой резак/полировщик колонн

Что такое ультразвуковая волна?

Звуковая волна — это вибрация, которая передается через среду, такую ​​как воздух, вода и металлы.Ультразвуковая волна определяется как «неслышимый для человека звук высокой частоты», частота которого обычно превышает 20 кГц. В наши дни звуковая волна, которая не предназначена для прослушивания, также называется ультразвуковой волной.

Продольная волна и поперечная волна

Существуют типы ультразвуковых волн, продольных волн, поперечных волн и поверхностных волн и т. д.

 В твердом теле одновременно существуют два типа упругих волн. Одна из них представляет собой упругую волну, которая имеет смещение в том же направлении, что и направление распространения волны, называемое продольной волной или волной плотности, а другая представляет собой упругую волну, которая имеет смещение в вертикальном направлении направления распространения волны, называемое поперечной волной. или поперечной волны.

 

Наш ультразвуковой обрабатывающий станок в основном использует продольную волну.

 

<<Продольная волна>>

R：Разрежение

C：Сжатие

 

<<Поперечная волна>>

 

<<В следующей таблице показаны физические свойства продольной волны и

поперечная волна основной материал>>

Посмотреть образец видео с ультразвуковым резаком

Пожалуйста, пришлите свой образец. После завершения тестовой резки вы получите видео и данные, снятые в процессе резки, вместе с образцами.

У вас есть проблемы с ультразвуковыми резаками или полировальными машинами?

ультразвук | физика | Британика

ультразвук , вибрации с частотами выше верхнего предела слышимого для человека диапазона, то есть выше примерно 20 килогерц.Термин звуковой применяется к ультразвуковым волнам очень высокой амплитуды. Гиперзвук, иногда называемый претерзвуком или микрозвуком, представляет собой звуковые волны с частотами выше 10 ¹³ герц. На таких высоких частотах звуковой волне очень трудно эффективно распространяться; действительно, выше частоты примерно 1,25 × 10 ¹³ герц продольные волны вообще не могут распространяться, даже в жидкости или твердом теле, потому что молекулы материала, в котором распространяются волны, не могут передавать колебания вдоль достаточно быстро.

Многие животные способны слышать звуки в ультразвуковом диапазоне частот человека. Предполагаемая чувствительность тараканов и грызунов к частотам в диапазоне 40 килогерц привела к созданию «контроллеров вредителей», которые издают громкие звуки в этом частотном диапазоне для отпугивания вредителей, но они, похоже, не работают так, как рекламируется.

Британская викторина

Викторина «Все о физике»

Кто первым из ученых провел эксперимент по управляемой цепной ядерной реакции? Какова единица измерения циклов в секунду? Проверьте свою физику с помощью этого теста.

Некоторые диапазоны слуха млекопитающих и насекомых сравниваются с диапазонами слуха человека в таблице.

Частотный диапазон слуха для людей и других избранных животных

животное	частота (герц)
	низкий	высокий
люди	20	20 000
кошки	100	32000
собаки	40	46000
лошади	31	40 000
слоны	16	12000
крупный рогатый скот	16	40 000
летучие мыши	1000	150 000
кузнечики и саранча	100	50 000
грызуны	1000	100 000
киты и дельфины	70	150 000
тюлени и морские львы	200	55 000

Датчики

Ультразвуковой преобразователь — это устройство, используемое для преобразования некоторого другого типа энергии в ультразвуковые колебания. Существует несколько основных типов, классифицируемых по источнику энергии и по среде, в которой генерируются волны. К механическим устройствам относятся преобразователи с газовым или пневматическим приводом, такие как свистки, а также преобразователи с приводом от жидкости, такие как гидродинамические генераторы и вибрирующие лопасти. Эти устройства, ограниченные низкими ультразвуковыми частотами, имеют ряд промышленных применений, включая сушку, ультразвуковую очистку и впрыск мазута в горелки. Электромеханические преобразователи гораздо более универсальны и включают в себя пьезоэлектрические и магнитострикционные устройства.Магнитострикционный преобразователь использует тип магнитного материала, в котором приложенное осциллирующее магнитное поле сжимает атомы материала вместе, создавая периодическое изменение длины материала и, таким образом, вызывая высокочастотную механическую вибрацию. Магнитострикционные преобразователи используются в основном в низкочастотных диапазонах и распространены в ультразвуковых очистителях и приложениях ультразвуковой обработки.

Безусловно, наиболее популярным и универсальным типом ультразвукового преобразователя является пьезоэлектрический кристалл, который преобразует колеблющееся электрическое поле, воздействующее на кристалл, в механическую вибрацию.К пьезоэлектрическим кристаллам относятся кварц, сегнетовая соль и некоторые виды керамики. Пьезоэлектрические преобразователи легко используются во всем диапазоне частот и на всех выходных уровнях. Конкретные формы могут быть выбраны для конкретных приложений. Например, форма диска обеспечивает плоскую ультразвуковую волну, а изгибание излучающей поверхности в виде слегка вогнутой или чашеобразной формы создает ультразвуковую волну, которая будет фокусироваться в определенной точке.

Пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи также используются в качестве ультразвуковых приемников, улавливающих ультразвуковые колебания и преобразующих их в электрические колебания.

Применение в исследованиях

Одной из важных областей научных исследований, в которой ультразвук оказал огромное влияние, является кавитация. При кипячении воды на дне емкости образуются пузырьки, поднимаются в воду, а затем схлопываются, что приводит к звуку кипящей воды. Процесс кипения и возникающие в результате звуки заинтриговали людей с тех пор, как они были впервые обнаружены, и они были объектом значительных исследований и расчетов британских физиков Осборна Рейнольдса и лорда Рэлея, которые применили термин кавитация к процессу образования пузырьков. .Поскольку для контроля кавитации можно осторожно использовать ультразвуковую волну, ультразвук оказался полезным инструментом в исследовании этого процесса. Изучение кавитации также дало важную информацию о межмолекулярных силах.

Ведутся исследования аспектов кавитационного процесса и его применения. Современным предметом исследования является излучение света при схлопывании полости, созданной ультразвуковой волной высокой интенсивности. Этот эффект, называемый сонолюминесценцией, может создавать мгновенные температуры выше, чем на поверхности Солнца.

Скорость распространения ультразвуковой волны сильно зависит от вязкости среды. Это свойство может быть полезным инструментом при исследовании вязкости материалов. Поскольку различные части живой клетки отличаются различной вязкостью, акустическая микроскопия может использовать это свойство клеток, чтобы «видеть» живые клетки, как будет обсуждаться ниже в разделе «Медицинские приложения».

(PDF) Ультразвуковое затухание и скорость в стальных стандартных эталонных образцах

Исследование ультразвуковой калибровки Мохамед Галал Сайед АЛИ

http://wjst.wu.ac.th

Walailak J Sci & Tech 2012; 9(4)

Таблица 3 Химический состав использованной углеродистой стали.

составляющая C SI MN PS CR MO NI AL

Вес% 0,23 0,23 0,76 0,01 0,018 0,23 0,76 0,01 0,018 0,24 0,168 0,01 0,018 0,44 0,168 0,42 0,025

Рисунок 3 представляет собой кривые области амплитуды

для стальных опорных блоков с использованием технологии погружения

с частотой Преобразователь 5 МГц

. Он показывает линейную зависимость между

размером отверстия и сигналом (высотой эха) в процентах от полного экрана при различном усилении.В этой процедуре

эталонный стандартный диаметр отверстия 3,2 мм

устанавливается равным 100 % вертикального линейного предела

, а затем считываются другие блоки. Мы заметили

, что по мере уменьшения диаметра отверстия высота сигнала

уменьшалась в соответствии с линейным поведением. Это

— верхняя прямая линия на рисунке 3. Усиление было

, затем уменьшилось на 6 дБ, высота сигнала стандартного эталонного блока

составляла 50 % от полного экрана

.Мы также заметили, что высоты сигналов

всех блоков уменьшались линейно по мере уменьшения размеров его плоских

отверстий забоя. Это представлено нижней прямой линией

на рисунке 3. Из результатов видно, что при уменьшении усиления на 6 дБ

высоты эхо-сигналов от отверстий уменьшаются до

половины своего значения. . Тогда в идеальном случае отношения

наклонов должны быть равны 2. Отношение между

двух наклонов на рисунке 3 равно 1.966. Это

означает, что отклонение от идеального наклона составляет

0,004 и представляет собой отклонение 0,005 дБ

от падения на 6 дБ, тогда делается вывод, что

точность измерения линейности система

равна 0,0009. Это указывает на то, что усилитель-

аттенюатор системы является линейным в пределах примерно 0,01

% с диапазоном аттенюатора.

Чувствительность системы с преобразователем

5 МГц и номинальным диаметром 6.35 мм устанавливается

с использованием металлического блока DA1 с расстоянием 12,5 мм в качестве эталонного стандарта

. После нормировки луча на

переднюю поверхность блока преобразователь перемещают на

латерально, в поперечной плоскости, до тех пор, пока не будет обнаружено отражение с максимальной амплитудой

от этого блока

[18]. Затем усиление системы регулируется до тех пор, пока амплитуда отраженного сигнала

не составит 80 % полной шкалы.

На рисунке 4 представлена ​​зависимость площадь-амплитуда

с использованием метода прямого контакта с

5 МГц из 12.Эффективный диаметр 5 мм

преобразователи. Зависимость является линейной между размером отверстия

и процентом высоты эхо-сигнала полного экрана

дефектоскопа. Метод прямого контакта

действителен только для проверки

производительности ультразвукового контроля, а не для

проверки точности линейности приемника.

Из рисунков 3 и 4 видно, что высоты эхо-сигналов

пропорциональны квадрату диаметра их отверстия

.Высота амплитуды связана с

количеством отраженной звуковой энергии. Большие отверстия

диаметров, вызывающие полное отражение звука,

производят сигнальные отклики с большей амплитудой, чем

меньших диаметров отверстий. На рис. 5 показана кривая расстояние-амплитуда

с датчиком 5 МГц.

Регуляторы усиления дефектоскопа затем

регулируются до тех пор, пока пиковая амплитуда сигнала не станет

80 % полного экрана для блока DA5 из 62.расстояние 5 мм металл

и 40 % всего экрана с блоком DA3

расстояние 37,5 мм металл. Видно

, что расстояние между эхом от забоя

блока и эхом от дефекта изменяется

в соответствии с изменением расстояния до металла и

высота эхосигнала уменьшается до квадрата их

расстояние. Таким образом, горизонтальная развертка является функцией

местоположений дефектов. Горизонтальную развёртку экрана

дефектоскопа можно

считать базой для локализации дефектов и дефектов в металлических телах

с входной или задней поверхностей.

Также расстояние между эхом от дефекта

и эхом от задней поверхности блока

является постоянным, так как расстояние между дефектом

и задней поверхностью блока является постоянным 20

мм.