5.3. У л ь т р а з в у к.
Ультразвук - продольные колебания в газах, жидкостях и
твердых телах в диапозоне частота 20.10 в третьей степени Гц.
Применение ультразвука связано в основном с двумя его харак-
терными особенностями: лучевым распространением и большой
плотностью энергии.

Из-за малой длины волны распространение ультразвуковых
волн с сопровождающими эффектами:
отражением
Патент США 3554 030: Расписан расходомер, используемый
для измерения и регистрации величины обьемного расхода крови.
Измерения производятся при помощи ультразвукового преобразова-
теля, который применяется как для излучения, так и приема уль-
тразвуковых волн. Отраженные сигналы, принимаемые преобразова-
телем позволяют определить размер поперечного сечения
кровеносного сосуда, а также скорость движения крови в сосуде.
Измеренные параметры дают возможность получить расчетным путем
величину обьемного расхода крови.
фокусировкой
А.с. 183 574: Способ газовой сварки и резки, заключающий-
ся в использовании тепла пламени горючей смеси, отличающийся
тем,что с целью повышения производительности процесса, в газо-
вую горючую смесь вводят ультразвуковые колебания, фокусируе-
мые в зоне сварного шва или реза.
образование теней (ультразвуковая дефектоскопия);

Большая частота ультразвука позволяет сравнительно легко
создавать ультразвуковые пучки с большой плотностью энергии,
рапространение которых в жидких и твердых телах сопровождается
рядом эффектов, часто приводящих к необратимым явлениям. Эти
эффекты - радиационное давление (избыточное давление испытуе-
мое препятствием вследствии воздействия на него ультразвуковой
волны и определяемое импульсом, передаваемом волной в единицу
времени единице поверхности препятствия), акустическая кавита-
ция (см. раздел 4.8) и акустические потоки, носящие вихревой
характер и возникающие в свободном неоднородном поле и вблизи
препятствий, находящихся в ультразвуковом поле.
5.3. Пластическая деформация и упрочнение.
Воздействие ультразвука на процесс пластической деформа-
ции обусловлено влиянием его на контактные условия, свойства и
структуру деформируемого металла. В этом случае возможны два
нелинейных эффекта: "акустическое разупрочнение" и "акустичес-
кое упрочнение". Первый наблюдается в процессе воздействия ин-
тенсивным ультразвуком и заключается в уменьшении статического
напряжения, необходимого для осуществления пластической дефор-
мации. Акустическое упрочение металлов достигается после воз-
действия ультразвуковых волн достаточно высокой интенсивности.
Акустическое разупрочнение является результатом активации дис-
локаций, происходящей в результате поглощения акустической
энергии в местах дефектов кристаллической решетки и других
структурных несовершенств. Благодаря этому за малое время про-
исходит локальный нагрев вокруг этих источников поглощения,
снятие напряжений, разблокировка дислокаций, увеличение их
подвижности, что обеспечивает более интенсивный ход платичес-
кой деформации.
А.с. 436 750: Способ разбортовки полых изделий из пласти-
ческих масс путем двустороннего обжатия роликами стенки изде-
лия при его вращении, отличающийся тем, что с целью повышения
производительности процесса, область контакта стенки изделия с
роликами подвергают воздействию ультразвуковых колебаний.
А.с. 536 874: Способ профилирования материала типа прут-
кового путем наложения на заготовку ультразвуковых колебаний в
ее пластической деформации, отличающийся тем, что с целью по-
лучения на заготовках периодического профиля синусоидального
характера, заготовку предварительно подвергают воз ультразву-
ковых колебаний так, чтобы расположение пучностей и узлов уль-
тразвуковой волны соответствовало выступам и впадинам заданно-
го периодического профиля, после чего осуществляют процесс
пластического деформирования заготовки в осевом направлении,
перпендикулярном к направлению действия изгибных колебаний,
растягивающими усилиями, достаточными для получения заданной
глубины профиля.
Если валики прокатного стана колебать в направлении па-
раллельном осям их вращения, с ультразвуковой частотой, то
усилие деформации снижается в 1,5-2 раза, а степень деформации
увеличивается на 20-50 %, причем контактное трение резко сни-
жается.

При достижении определенного уровня акустической энергии,
зависящего от свойства облучаемого металла, последний может
пластически деформироваться при комнатной температуре без при-
ложения внешней нагрузки.
5.3.2. Под действием ультразвукав и з м е н я ю т с я о с
н о в н ы е ф и з и к о-х и м и ч е с к и е с в о й с т в а р
а с п л а в о в: вязкость, поверхностное натяжение на границе
"расплав - форма" или "расплав - твердая фаза", температура и
диффузия.
5.3.2.1. В я з к о с т ь, после ультразвуковой обработки
расплава вязкость уменьшается на 10-50 %, причем характер из-
менения вязкости не позволяет считать, что уменьшение вязкости
вызывается только тепловым воздействием ультразвука, посколько
на ряду с тепловым воздействием наблюдаются и другие эффекты,
например, изменение трения между твердыми нерастворимыми при-
месями, находящихся в расплаве.
5.3.2.2. П о в е р х н о с т н о е н а т я ж е н и е.
Воздействие ультразвука на расплав в процессе кристализации
уменьшает поверхностное натяжение между расплавом и кристаллом
при двухфазном состоянии, за счет чего уменьшается переохлаж-
дение расплавов и увеличивается количество кристаллических за-
родышей, а структура расплава получается более мелкозернистой.
5.3.2.3. Т е м п е р а т у р а. Ультразвуковая обработка
металлов в жидком состоянии и во время кристаллизации приводит
к изменению характера температурного поля. Возникновение акус-
тических потоков в расплаве под действием ультразвука связано
с потерей энергии в расплаве. Эти потери зависят от интенсив-
ности ультразвука и акустических свойств среды. Акустические
потоки вызывают интенсивное перемешивание расплава, выравнива-
ние температуры и интенсификацию конвективной диффузии. При
выравнивании температуры расплава увеличивается теплообмен со
стенками и окружающей средой, в результате чего увеличивается
скорость охлаждения, физическая сущность влияния ультразвука
на теплообмен при естественной или вынужденной конвекции зак-
лючается в проникновении акустических потоков в пограничный и
ламинарный подслой, что приводит к деформации этих слоев, их
турбулизации и перемешиванию. В результате этого в несколько
раз увеличивается коэффициент теплопередачи и скорость тепло-
обмена.
5.3.2.4. Д и ф ф у з и я.
Ультразвук ускоряет диффузионные процессы в металлических
расплавах и на границе с твердой фазой. В этом случае под
действием ультразвука происходит более легкое перемещение ато-
мов из одного устойчивого состояния в другое благодаря образо-
ванию кавитационных пузырьков. При этом необходимо учитывать
влияние вторичных эффектов акустических потоков, повышение
температуры, акустического давления, вызывающих турбулентное
перемещение и разрушение пограничного слоя между жидкой и
твердой фазой при ускорении диффузии на границе жидкость -
твердое тело.
5.3.2.7. Д е г а з а ц и о н н ы й э ф ф е к т.
Под действием ультразвука растворенный газ сначала выде-
ляется в виде пузырьков в зонах разряжения ультразвуковых
волн, после этого пузырьки соединяются и при достижении доста-
точно большого размера всплывают на поверхность. Эффект можно
обьяснить следующим образом, при воздействии ультразвука в
расплаве возникает кавитация: в образованные кавитационные
пустоты проникает ратворенный газ. При захлопывании кавитаци-
онных пузырей этот газ не успевает снова раствориться в метал-
ле и образует газовые пузырьки. Зародыши газовых пузырьков об-
разуются и в полупериод разряжения при распространении упругих
ультразвуковых колебаний в расплаве, т.к. при уменьшении дав-
ления растворимость газов уменьшается. После этого газовые пу-
зырьки под влияниемельных движений коанулируют и, достигая оп-
ределенных размеров, всплывают. Ускорение диффузии под
действием ультразвука тоже может способствовать нарастанию га-
зовых пузырьков.
5.3.3. Ультразвуковой капиллярный эффект (открытие N109).
Явление капиллярности заключается в том, что при помеще-
нии в жидкость капилляра, смачиваемого жидкостью, в нем под
действием сил поверхностного натяжения происходит подьем жид-
кости на некоторую высоту. Если жидкость в капилляре совершает
колебания под влиянием источника ультразвука, то капиллярный
эффект резко возрастает, высота столба жидкости увеличивается
в несколько десятков раз, значительно во и скорость подьема.

Экспериментально доказано, что в этом случае жидкость
толкает вверх не радиационное давление и капилярные силы, а
стоячие ультразвуковые волны. Ультразвук снова и снова как бы
сжимает столб жидкости и поднимает его вверх. Открытый эффект
уже очень хорошо используется в промышленности, например, при
пропитке изоляционными составами обмоток электродвигателей,
окраске тканей, в теплвых трубах и т.п.
А.с. 437 568: Способ попитки капиллярных пористых тел
жидкостями и расплавами, например, полимерным связующим, с
применением ультразвуковых колебаний, отличающийся тем, что с
целью интенсификации процессов пропитки ультразвуковые колеба-
ния сообщают пропитываемому телу.
5.3.4. Трудно перечислить все эффекты, возникающие в ре-
зультате воздействия ультразвука на вещество, поэтому кратко
перечислим основные области прменения ультразвука и приведем в
заключение несколько интересных изобретений, показывающих ши-
рокие возможности использования ультразвука в изобретательст-
ве.
Твердые вещества
----------------
- размерная обработка сверхтвердых и хрупких материалов
(сверление отверстий сложной формы, шлифование, полирование,
наклеп, волочение проволоки, прокатка фольги и т.д.)
- лужение и паяние металлов, керамики, стекла и т.п.
- сварка металлов и полимеров.
А.с. 505 540: Способ сварки трением встык разнородных ме-
таллов при котором осуществляют вращение одной заготовки, кро-
ковку стыка и обжатие его при помощи осадочной матрицы, наде-
той на неподвижную заготовку, отличающийся тем, что с целью
повышения стабильности качества сварного шва и стойкости мат-
рицы, проковку и обжатие стыка производят с наложением на оса-
дочную матрицу поперечных звуковых колебаний с пучностью нап-
ряжений в очаге деформации при с менее окружной скорости
вращающейся заготовки.
Жидкости (кавитирующие)
- очистка деталей от жировых и других загрязнений
А.с. 120 613: Устройство для автоматической очистки дета-
лей, например, сеток радиоламп посредством промывочной жидкос-
ти, включающие промывочную ванну, транспортер, укладочное и
разгрузочное приспособление, отличающееся тем, что с целью по-
вышения качества очистки, в промывочной ванне установлены уль-
тразвуковые излучатели с концентраторами ультразвуковой энер-
гии, служащие для создания фонтанов промывочной жидкости,
омывающих сетки, перемещаемые над промывочной ванной.
- диспергирование твердых порошкообразных материалов в
жидкостях, эмульгирование несмешивающихся жидкостей.
А.с. 517 294: Способ получения жирового концентрата,
включающий смешивание жира с белковым стабилизатором и высуши-
вание, отличающийся тем, что с целью длительного хранения вы-
сококилотных жиров, а также удешивления способа, жир перед
смешиванием нейтрализуют в присутствии катализатора, смесь жи-
ра со стабилизатором эмульгируют с помощью ультразвука в тече-
нии 10-15 минут, а в качестве стабилизатора используют дунст.
- получение аэрозолей.
- полимиризация или деструкция высокомолекулярных соеди-
нений, ускорение массообразных и химических процессов.
- разрушение биологических обьектов (микроорганизмов).

Действие ультразвука на жидкость базируется на использо-
вании вторичных эффектов кавитации - высоких локальных давле-
ний и температуры, образующихся при схлопывании кавитационных
пузырьков.
Г а з ы
- сушка сыпучих, пористых и других материалов.
- очистка газов от твердых частиц и аэрозолей.
5.3.5. Акустомагнетоэлектрический эффект.
Звук способен сортировать не только яблоки, но и электро-
ны. Если поперек направления распространения звука в проводя-
щей среде наложить магнитное поле, то электроны, которые увле-
каются звуком, будут отклоняться в этом поле, что приведет к
возникновению поперечного тока или, если образец "разомкнуть"
в поперечном направлении, электродвижущей силы (ЭДС). Но маг-
нитное поле в соответствии с законом Лоренца отклоняет элект-
роны разных скоростей по разному, поэтому величина и даже знак
ЭДС показывают, какие электроны увлекаются звуком, то есть ко-
ковы свойства электронного газа в данной среде. В каждом ве-
ществе звук увлкает за собой группу электронов характерных
именно для дпнного вещества. Если звук проходит через границу
двух веществ, то одни электроны должны смениться другими, нап-
ример, более "холодные", более "горячими". При этом от границы
будет тепло, а сама граница охлаждаться. Данный эффект похож
на известный эффект Пельтье (см. раздел 9.2.2.).
Однако принципиальное отличие этого эффекта от эффекта
Пельтье состоит в том, что он не исчезает, даже при очень низ-
ких температурах и охлаждение может продолжаться до темпера-
тур, близких к абсолютному нулю. Это открытие зарегистрировано
под номером 133 в следующей формулировке:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35