超声波专业术语.docx
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超声波专业术语
压电效应
某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象。
同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。
当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应。
当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。
相反,当在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应,或称为电致伸缩现象。
依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。
正压电效应
当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷;当外力撤去后,晶体又恢复到不带电的状态;当外力作用方向改变时,电荷的极性也随之改变;晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。
逆压电效应
对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。
用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。
压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。
压电晶体是各向异性的,并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。
例如石英晶体就没有体积变形压电效应,但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。
电致伸缩效应
电介质在电场的作用下,由于感应极化作用而产生应变,应变大小与电场平方成正比,与电场方向无关。
压电效应仅存在于无对称中心的晶体中。
而电致伸缩效应对所有的电介质均存在,不论是非晶体物质,还是晶体物质,不论是中心对称性的晶体,还是极性晶体。
空化阈
空化阈是使液体介质产生空化作用的最低声强或声压振幅。
只有当交变声压幅大于静压力,才能出现负压。
而只有当负压超过液体介质的黏度时,才会产生空化作用。
空化阈随不同的液体介质而不同,对于同一液体介质,不同的温度、压力、空化核的半径以及含气量,空化阈值也不同。
一般来说,液体介质含气量越少,空化阈就越高。
空化阈还与液体介质的黏滞性有关,液体介质的黏度越大,空化阔也越高。
空化阈与超声波的频率有着十分密切的关系,超声波的频率越高,空化阈也越高。
超声波的频率越高,越难空化,要产生空化作用,就必须增加超声波的强度。
影响因素
1.超声波的空化作用由空化阂决定,空化阂又由许多因素有关,主要有以前几点。
2.空化阂与工作频率有关。
频率越高,空化阈值越高,产生空化越难。
3.气泡在声场的作用下将进行振动,但不一定发生破灭,只有当声波的频率低于气泡的谐振频率时才可能使气泡破灭。
当声波频率高于气泡的谐振频率时,气泡只进行复杂的振动,一般发生气泡破灭。
4.空化阔与介质中气泡半径有关,半径愈小,空化阈愈离。
5.空化阈与声波作用时间长短有关,声波辐射时间愈长空化阈愈低。
6.空化阈与环境静压力有关,静压力愈大,空化阈愈高。
7.空化阈与介质的粘滞性有关,粘度大,表面张力大,空化阈高。
8.空化|阈与液体含气量有关,含气量愈少,空化阈愈高。
9.空化阈与清洗液温度有关,清优液温度升高,对空化有利。
但温度过高时,气泡中蒸气压增大,在气泡闭合期增强了缓冲作用而使空化减弱。
温度还与清洗液的溶解度有关。
对于水清洗液较适宜的温度约60"C。
超声研磨
超声研磨是一种非接触超精密研磨方法。
超声波振动子的端面和工件表面保持一固定的间隙,并在其间充以微细磨料工作液,超声波振动子以一定的频率振动,带动微细磨料冲击工件表面,从而对工件表面进行研磨。
当工作台作平面运动或曲面运动,即可对整个工件表面进行加工。
超声研磨时,大量的磨料与超声振动相同的频率。
脉动式的冲击被加工表面,除去或改造工件表面原有的损伤层,并在其下面构成新的损伤层’即表面加工层。
研磨分类
如果工艺参数(如超声发生器的功率,磨料的硬度、粒度,磨液浓度,间隙等)选择恰当,则可使新生成的损伤层更薄、更均匀,从而获得较佳的表面质量,实现超精密加工,理想的状祝是获得接近无损伤的表面。
脆性和塑性材料超声研磨的区别
脆性材料
加工主要是依赖于表面层微裂纹扩展、生成,而使材料脆裂、脱落。
超声研磨时,在大量磨粒脉冲式冲击下,更有利于实现上述加工过程。
磨粒的冲击具有随机性,但对微观表面上凸起处冲击到的机率应高于凹下处,再因磨粒量大、粒小,对表面的加工是均匀而柔和的。
因而可以获得残余应力低、裂纹更微细更浅的高质量的加工表面。
塑性材料
加工则主要依赖于表面层的塑性变形。
即通过材料的挤压和撕裂将金属从表面扯下来,其残余应力为拉应力。
超声研磨时,磨粒对工件表面主要起捣实的作用,类似于轻微的表面强化加工。
它可以消除工件表面前工序的加工痕迹,将表面残余应力由拉应力转变为压应力,这对大多数零件的使用性能是有利的。
通常的超声波加工
其机理是工具头以一定的压力作用于加工表面,当工具头作超声振动时,工具头刚性地锤击磨料,并通过磨料的“嵌入”作用,使脆性材料表面脆裂、脱落。
因而它不适宜加工塑性材料。
机械加工的研磨
以磨粒在工件表面的滚压和摩擦为主要的加工手段。
由此可知,超声研磨和超声波加工及现有研磨方法有着本质的区别,是一种新的超精密研磨方法。
优势
超声研磨在各种研磨方法中,有较大的综合优势是一种很有发展前途和应用前景的超精密加工新方法,其超精密加工的理论和工艺参数控制还有待于进一步的研究。
超声研磨不同于超声波加工和以机械作用为主的研磨方法。
超声研磨应用范围广,可以加工各种硬脆材料,也可加工淬硬钢,可以加工平面,也可加工曲面。
应用超声研磨,勿需复杂的技术,所需设备也较简单,硬件投资少,可获得高的技术经济效益。
超声研磨单位时间的切除率较高,如分为粗、精研磨,则可兼顾效率和精度两个方面。
影响因素
磨粒大小
实际加工中,细粒度磨粒较细且均匀性较好,在相同加工表面上磨粒就多并且磨粒相对间隙较小,则表面受到冲击力较均匀。
颗粒愈小冲击力就较小而且柔和。
粗粒度磨粒较大,就会影响磨粒在加工间隙中自由运动而受到约束,由于磨粒均匀性较差些,进而影响磨粒冲击材料表面,造成工件表面去除量不均匀,故粗粒度研磨比细粒度的表面质量要低。
加工速度与加工质量是相成反比,所以应该选择适当的磨粒大小。
超声波声压
磨粒大小和加工间隙一定时声压太大,造成磨粒处于混沌杂乱不均匀,并且有与其他磨粒有
能量交换以及能量损失,而且影响工作液的流动,故造成微细磨粒很难直接作用在表面上,难以形成有效的冲击作用;声压太小,引起冲击力变小,甚至起不到冲击作用,无法对工件形成有效的加工压力。
选择一个最佳超声波声压是非常重要的。
加工间隙
工具和工件之问的加工间隙h太小时,将导致切削液不能进入或很少进入,故造成加工间隙中的有效微细磨粒较少,使工件表面受到的冲击不均匀,引起材料的表面质量下降,当然材料去除率也较小。
当工具和工件之间的加工间隙h太大时,直接造成能量损失,使材料去除率变小;同时,由于空间太大,造成磨粒的随意性最大,从而造成磨粒冲击表面任意性增加,最终造成材料表面质量也下降。
流体动力
流体动力学(Fluiddynamics)是流体力学的一门子学科。
流体动力学研究的对象是运动中的流体(含液体和气体)的状态与规律。
流体动力学底下的子学科包括有空气动力学和液体动力学。
解决一个典型的流体动力学问题,需要计算流体的多项特性,主要包括速度、压力、密度、温度。
流体动力学有很大的应用,比如在预测天气,计算飞机所受的力和力矩,输油管线中石油的流率等方面上。
其中的的一些原理甚至运用在交通工程,因交通运输本身可被视为一连续流体运动。
流体动力学方程
流体动力学的基本公理为守恒律,特别是质量守恒、动量守恒(也称作牛顿第二与第三定律)以及能量守恒。
这些守恒律以经典力学为基础,并且在量子力学及广义相对论中有所修改。
它们可用雷诺传输定理(Reynoldstransporttheorem)来表示。
除了上面所述,流体还假设遵守“连续性假设”(continuumassumption)。
流体由分子所组成,彼此互相碰撞,也与固体相碰撞。
然而,连续性假设考虑了流体是连续的,而非离散的。
因此,诸如密度、压力、温度以及速度等性质都被视作是在无限小的点上具有良好定义的,并且从一点到另一点是连续变动。
流体是由离散的分子所构成的这项事实则被忽略。
若流体足够致密,可以成为一连续体,并且不含有离子化的组成,速度相对于光速是很慢的,则牛顿流体的动量方程为“纳维-斯托克斯方程”。
其为非线性微分方程,描述流体的流所带有的应力是与速度及压力呈线性相依。
未简化的纳维-斯托克斯方程并没有一般闭形式解,所以只能用在计算流体力学,要不然就需要进行简化。
方程可以通过很多方法来简化,以容易求解。
其中一些方法允许适合的流体力学问题能得到闭形式解。
除了质量、动量与能量守恒方程之外,另外还有热力学的状态方程,使得压力成为流体其他热力学变量的函数,而使问题得以被限定。
所谓的理想气体的状态方程:
PV=nRTP是压力,V是气体所占体积,n是摩尔数,R是理想气体常数,T是温度
伯努利方程
常数 = P + 1/2*ρ*ν^2 + ρ*g*h;
注:
里这P为流体压强,ρ为流体密度,v为流体体积,h为流体高度,g为流体重力加速度一般取值9.8牛顿米
压电晶体
对压电晶体挤压或拉伸时,压电晶体的两端就会产生不同的电荷。
这种效应被称为压电效应。
能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。
水晶(α-石英)是一种有名的压电晶体。
如果按一定方向对水晶晶体上切下的薄片施加压力,那么在此薄片上将会产生电荷。
如果按相反方向拉伸这一薄片,在此薄片上也会出现电荷,不过符号相反。
挤压或拉伸的力愈大,晶体上的电荷也会愈多。
如果在薄片的两端镀上电极,并通以交流电,那么薄片将会作周期性的伸长或缩短,即开始振动。
这种逆压电效应在科学技术中已得到了广泛的应用。
用水晶可以制作压电石英薄片,其面积不过数平方毫米,厚度则只有零点几毫米,压电晶体在无线电技术中却发挥着巨大作用。
在交变电场中,这种薄片的振动频率丝毫不变。
这种稳定不变的振动正是无线电技术中控制频率所必须的,你家中的彩色电视机等许多电器设备中都有用压电晶片制作的滤波器,保证了图像和声音的清晰度。
你手上戴的石英电子表中有一个核心部件叫石英振子。
就是这个关键部件保证了石英表比其他机械表更高的走时准确度。
压电晶体还广泛应用于声音的再现、记录和传送。
安装在麦克风上的压电晶片会把声音的振动转变为电流的变化。
声波一碰到压电薄片,就会使薄片两端电极上产生电荷,其大小和符号随着声音的变化而变化。
这种压电晶片上电荷的变化,再通过电子装置,可以变成无线电波传到遥远的地方。
这些无线电波为收音机所接收,并通过安放在收音机喇叭上的压电晶体薄片的振动,又变成声音回荡在空中。
是不是可以这样说,麦克风中的压电晶片能“听得见”声音,而扬声器上的压电晶体薄片则会“说话”或“唱歌”。
磁致伸缩效应
所谓磁致伸缩效应,是指铁磁体在被外磁场磁化时,其体积和长度将发生变化的现象。
磁致伸缩效应引起的体积和长度变化虽是微小的,但其长度的变化比体积变化大得多,是人们研究应用的主要对象,又称之为线磁致伸缩。
线磁致伸缩的变化量级为10-5~10-6。
它是焦耳在1842年发现的,其逆效应是压磁效应。
应用
磁致伸缩效可用来设计制作应力传感器和转矩传感器。
利用磁致伸缩系数大的硅钢片制取的应力传感器多用于1t以上重量的检测中。
其输入应力与输出电压成正比,一般精度为1%~2%,高的可达0.3%~0.5%。
磁致伸缩转矩传感器可以测出小扭角下的转矩。
磁致伸缩用的材料较多,主要有镍、铁、钴、铝类合金与镍铜钴铁氧陶瓷,其磁致伸缩系数为10-5量级。
高磁致伸缩系数(≥10-3量级)的材料也被开发出了,如铽铁金属化合物——TbFe2、TbFe3和非晶体磁致伸缩材料——金属玻璃等。
无损探伤
探测金属材料或部件内部的裂纹或缺陷。
常用的探伤方法有:
X光射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤、涡流探伤、γ射线探伤、萤光探伤、着色探伤等方法。
物理探伤就是不产生化学变化的情况下进行无损探伤。
无损探伤
无损探伤是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下,对被检验部件的表面和内部质量进行检查的一种测试手段。
方法
常用的无损探伤方法有:
∙X光射线探伤
∙超声波探伤
∙磁粉探伤
∙渗透探伤
∙涡流探伤
∙γ射线探伤
∙萤光探伤
∙着色探伤
无损探伤目地
通过对产品内部缺陷进行检测对产品从以下方面进行改进
1.改进制造工艺
2.降低制造成本
3.提高产品的可靠性
4.保证设备的安全运行
无损探伤原理
无损探伤检测是利用物质的声、光、磁和电等特性,在不损害或不影响被检测对象使用性能的前提下,检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性,给出缺陷大小,位置,性质和数量等信息。
它与破坏性检测相比,无损检测有以下特点。
第一是具有非破坏性,因为它在做检测时不会损害被检测对象的使用性能;第二具有全面性,由于检测是非破坏性,因此必要时可对被检测对象进行100%的全面检测,这是破坏性检测办不到的;第三具有全程性,破坏性检测一般只适用于对原材料进行检测,如机械工程中普遍采用的拉伸、压缩、弯曲等,破坏性检验都是针对制造用原材料进行的,对于产成品和在用品,除非不准备让其继续服役,否则是不能进行破坏性检测的,而无损检测因不损坏被检测对象的使用性能。
所以,它不仅可对制造用原材料,各中间工艺环节、直至最终产成品进行全程检测,也可对服役中的设备进行检测。
范围
1.焊缝表面缺陷检查。
检查焊缝表面裂纹、未焊透及焊漏等焊接质量。
2.内腔检查。
检查表面裂纹、起皮、拉线、划痕、凹坑、凸起、斑点、腐蚀等缺陷。
3.状态检查。
当某些产品(如蜗轮泵、发动机等)工作后,按技术要求规定的项目进行内窥检测。
4.装配检查。
当有要求和需要时,使用亚泰光电工业视频内窥镜对装配质量进行检查;
装配或某一工序完成后,检查各零部组件装配位置是否符合图样或技术条件的要求;是否存在装配缺陷。
5.多余物检查。
检查产品内腔残余内屑,外来物等多余物。
空化作用
超声波空化作用,就是指液体中的微小气泡核在超声波作用下产生振动,当声压达到一定值时,气泡将迅速膨胀,然后突然闭合,在气泡闭合时产生冲击波,这种膨胀、闭合、振荡等一系列动力学过程称超声波空化。
形成
液体介质中由于涡流或超声波的物理作用,液体中的某一区域会形成局部的暂时的负压区,于是在液体介质中产生空化气泡,简称为空穴或气泡。
一定强度的超声波的作用下,液体介质产生的空化气泡,可分为四种类型:
接近真空的气泡、含蒸气的气泡、含气体的气泡、蒸气的空化气泡。
根据空化气泡的热力学稳定性,空化气泡还可以分为亚稳气泡和稳定气泡。
接近真空的气泡和含蒸气的空化气泡是亚稳气泡,一般认为是在强度超过10W/cm2 的超声被作用下而产生的;而稳定气泡则是在较低强度(2W/cm2 )的超声波作用下所产生的,主要是一些含有气体的空化气泡以及含有气体和蒸气的空化气泡。
空化气泡在超声场的作用下会发生振动,但并不一定就发生溃陷,只有当超声波的频率小子空化气泡振动频率时才会使空化气泡溃陷;反之,当超声波的频率超过空化气泡的振动频率时,空化气泡会进行更为复杂的振动,而不会发生溃陷。
特点
空化气泡一旦形成,既有可能重新溶解到液体介质中去,又有可能上浮而消失,或由于空化气泡自身大小的原因,在超声震荡的超声场中随着超声场的相位变化而长大和压缩。
由于超声场是均匀的,在被体介质中间的空化气泡溃陷过程中保持球形。
当液体介质中的微粒太小而不能够紊扰趣声场时,就会形成射流束,这时液体介质中的气泡也是球形溃陷的。
当空化气泡靠近固体的界面处时,固体表面上的空化气泡则发生不对称溃陷,产生直射向固体表面的射流束。
由于溃陷气泡的大部分能由被转化为射流束的动能,使得射流束的速度高达每小时400km。
也即射流束以近乎团体所能承受的力冲击固体表面,这样在固体的表面发生洗涤和孔蚀作用,故也称空化作用为孔蚀作用,这就是进行超声清洗、固-液反应或催化反应等的基础之所在。
空化作用气泡的寿命约0.1μs,它在急剧崩溃时可释放出巨大的能量,并产生速度约为110m/s、有强大冲击力的微射流,使碰撞密度高达1.5kg/cm2。
空化作用气泡在急剧崩溃的瞬间产生局部高温高压(5000K,1800atm),冷却速度可达109K/s。
超声波这种空化作用大大提高非均相反应速率,实现非均相反应物间的均匀混合,加速反应物和产物的扩散,促进固体新相的形成,控制颗粒的尺寸和分布。
影响因素
超声波空化作用的强弱与声学参数以及液体的物理化学性质有关。
超声波强度:
超声波强度指单位面积上的超声功率,空化作用的产生与超声波强度有关。
对于一般液体超声波强度增加时,空化强度增大,但达到一定值后,空化趋于饱和,此时再增加超声波强度则会产生大量元用气泡,从而增加了做射衰减,降低了空化强度。
超声波频率:
超声波频率越低,在液体中产生空化越容易。
也就是说要引起空化,频率愈高,所需要的声强愈大。
要在水中产生空化,超声波频率在400kHz时所需要的功率要比在10kHz时大10倍,即空化是随着频率的升高而降低。
一般采用的频率范围20--40kHz。
液体的表面张力与黏滞系数:
液体的表面张力越大,空化强度越高,越不易于产生空化。
黏滞系数大的液体难以产生空化泡,而且传播过程中损失也大,因此同样不易产生空化。
液体的温度:
液体温度越高,对空化的产生越有利,但是温度过高时,气泡中蒸气压增大,因此气泡闭合时增强了缓冲作用而使空化减弱。
现状
超声空化所引发的物理、机械、热效应、生物效应、化学效应等在工业上具有广阔的应用潜力。
国内外学者在超声空化研究过程中认识到,空化必须在一定条件下才能发生,空化有一个阈值,它与超声波频率、波形、声压大小、介质温度、压力、黏度、含气量等因素有关。
然而对空化的本质还需要深入地进行研究。
对空化强度还不能定量地测量,空化所造成的高温、高压也很难以确切的数字表达出来。
空化后介质的力学、声学、热学、光学、电学性质的变化还不十分清楚,尤其在超声治疗中,生物体内是否有空化也尚未定论。
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