Metode neconvenționale de obținere și prelucrare a unor piese

1.Definitia.Producerea ultrasunetelor

• Ultrasunetele sunt vibratii elastice care au frecventa mai mare decat frecventa maxima a oscilatiilor care produc senzatia auditiva (peste 20 kHz). Domeniul de frecventa in care se percep ultrasunetele este intre 20 kHz si 10 000 000 kHz.

• Undele ultrasonice se obtin prin metode:

- mecanice

- magnetostrictive

- piezoelectrice.

La baza obtinerii ultrasunetelor se afla cel mai adesea fenomenul piezoelectric, effect descoperit in anul 1880 de catre Pierre si Jaques Curie. Aparitia polarizarii electrice la suprafata unui crystal atunci cand asupra lui se exercita o presiune mecanica sau o tractiune se numeste effect piezoelectric direct. Aplicarea unui camp electric pe suprafata unui cristal piezoelectric duce la contractia sau dilatarea acestuia si la emisia unor unde acustice. Acest fenomen se numeste effect piezoelectric invers.

Materialele piezoelectrice cele mai folosite sunt: titanatul de bariu,zirconatul de plumb(materiale piezoceramice) si fluorura de poliviniliden(material plastic).

Efectul magnetostrictiv consta in faptul ca unele materiale feromagnetice isi modifica dimensiunilela magnetizare.Atunci cand aceste materiale se afla intr-un camp magnetic variabil,ele incep sa oscileze,devenind surse de unde acustice.

In ambele cazuri de generare a ultrasunetelor,este necesar ca dimensiunile placutelor oscilante sa fie astfel alese incat frecventa lor proprie sa coincida cu frecventa de excitatie(frecventa campului electric,respective a campului magnetic). Deci generatoarele de ultrasunete lucreaza in regim de rezonanta.

Traductoarele de ultrasunete asigura conversia reciproca si succesiva a energiei electrice in energie mecanica.Elementul lor activ este constituit de cristalul piezoelectric. Acesta are forma unui disc si este acoperit pe ambele fete cu doua straturi metalice,bune conducatoare de electricitate,pe care se aplica doi electrozi,cate unul pe fiecare suprafata. Aplicarea de tensiuni electrice intre electrozi va provoca deformarea cristalului si consecutive emisia de energie mecanica spre ambele suprafete.Straturile metalice au atat rolul de a transfera tensiunea electrica a cristalului,cat si acela de aprelua impulsul electric creat la suprafata acestuia dupa actiunea ultrasunetelor reflectate in tesuturi.Acest impuls electric creat este condos apoi spre sistemul de amplificare al aparatului.

Pe suprafaţa interioara dinspre mediul asupra caruia se actioneaza este dispusa uneori o lentila acustica. Lentila este denumita si strat adaptiv de sfert de lungime de unda, rolul său fiind acela de focalizare si de a face ca fiecare impuls electric sa il intareasca pe celalalt, marind astfel randamentul traductorului.

Fasciculul de ultrasunete .Materialul piezoelectric nu emite o singura unda ultrasonica, ci un fascicul care porneste de pe toata suprafata materialului. Intr-o prima portiune,de cativa cm,acest fascicul este ingust si are forma cilindrica,undele din componenta avand practic o dispunere paralela. Aceasta zona apropiata poarta numele de zona Fresnel. Urmeaza o alta portiune,numita zona indepartata sau zona Fraunhofer,in care undele devin divergente,iar fasciculul are forma de trunchi de con.Lungimea zonei Fresnel si divergenta zonei Fraunhofer depind de dimensiunile discului piezoelectric,dar si de frecventa ultrasunetelor produse de acesta.

2.Proprietatile ultrasunetelor

Perioada(T) este timpul necesar unei particule pentru descrierea unei oscilatii complete si se exprima in secunde.

Frecventa(f) este numarul de oscilatii efectuate in unitatea de timp(secunda). Unitatea de frecventa este Hertz(Hz). O frecventa de 1 Hz corespunde unei oscilatii pe secunda (f=1/T)

Amplitudinea oscilatiei este valoarea absoluta a distantei maxime parcurse de particula in jurul pozitiei de echilibru.

Lungimea de unda este distanta dintre doua maxime sau dintre doua puncte succesive aflate in aceeasi faza.

Viteza ultrasunetelor exprima distanta parcuursa de US in unitatea de timp. Se masoara in m/s.Viteza de propagare a US este de 331 m/s in aer, 1430m/s in apa si mult mai mare in corpurile solide,fiind dependenta de densitate si elasticitatea mediului. Undele sonore nu se propaga in vid,iar in gaze se propaga destul de greu,datorita distantei mari dintre molecule.

Energia acustica. Unda ultrasonica transporta si cedeaza o parte din energie mediului strabatut determinand oscilatii ale particulelor din mediu.Se masoara in Louli(J)

Intensitatea ultrasunetelor este cantitatea de energie care strabate unitatea de suprafata in unitatea de timp.Se exprima in W/ . Intensitatea US scade proportional cu distanta parcursa,atenuarea acustica fiind cu atat mai mare cu cat frecventa este mai ridicata.Deci pe masura ce creste frecventa scade adancimea de penetrare.

Impedanta acustica exprima rezistenta la trecerea undelor,fiind produsul dintre densitatea mediului si viteza US. Impedanta acustica este deci o constanta de material: Z=ρ*c. SE masoara in rayl;

1 rayl=1 kg . Limita de separare dintre doua medii cu densitate diferita,deci cu impedanta acustica diferita,se numeste interfata. La nivelul interfetelor,impulsul ultrasonic este:reflectat,refractat,dispersat,absorbit sau atenuat.

Reflexia consta in intoarcerea in mediul initial a unei parti a fasciculului de US la traversarea unei interfete,in functie de impedanta acustica a celor doua medii.Directia fasciculului reflectat depinde de unghiul pe care il face fasciculul incident cu interfata.

Refractia reprezinta schimbarea directiei fasciculului incident dupa ce a strabatut o interfata.Valoarea unghiului de refractie este proportionala cu diferenta de viteza a US in cele doua medii si invers proportionala cu unghiul de incidenta.

Dispersia consta in reiradiere,adica in emisia de noi unde sferice in zone cu impedante acustice diferite si cu dimensiuni mai mici decat lungimea de unda. Dispersia conduce la marirea ariei de actiune a US

Atenuarea se produce prin:asorbtie,dispersie,reflexie. Atenuarea este direct proportionala cu patratul distantei parcurse si cu frecventa fasciculului de US. Undele cu frecventa mare sunt atenuate dupa un parcurs scurt,iar cele cu frecventa mica patrund in profunzime.

Difractia. Atunci cand fasciculul de US trece la o distanta mai mica de una sau doua lungimi de unda de un obstacol,directia de propagare a undelor este deviata in spatele acestuia. In spatele obstacolului apar zone de umbra acustica,iar in fata lui se produce interferenta undelor,ca rezultat al actiunii mai multor unde asupra acelorasi particule. Daca undele sunt in aceeasi faza,efectul se cumuleaza si avem de a face cu o interferenta constructiva,iar daca sunt in antifaza efectul se anuleaza,interferenta fiind distructiva.

Puterea acustica este cantitatea de energie cera strabate o suprafata in unitatea de timp.Se masoara in watt.