Теория ультразвуковой очистки: Ультразвуковая очистка. Теория и практика – Ультразвуковая очистка. Теория и практика — Вместе

Содержание

Ультразвуковая очистка. Теория и практика

Что такое ультразвук?

Ультразвук (УЗ) — упругие колебания и волны, частота которых выше 15…20 кГц. Нижняя граница области ультразвуковых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной. Верхняя граница обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, то есть при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. Поэтому в газах верхнюю границу частот УЗ определяют из условия приблизительного равенства длины звуковой волны и длины свободного пробега молекул. При нормальном давлении она составляет 10⁹ Гц. В жидкостях и твердых телах определяющим является равенство длины волны межатомным расстояниям, и граничная частота достигает 10¹²—10¹³ Гц. В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область ультразвуковых частот удобно подразделить на три подобласти:

низкие — 1,5–10…10⁵ Гц;
средние — 10⁵…10⁷ Гц;
высокие — 10⁷…10⁹ Гц.

Упругие волны с частотами 1·10⁸…1·10¹³ Гц принято называть гиперзвуком.

Теория звуковых волн

Ультразвук как упругие волны

Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона, а также от инфразвуковых волн.

Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общим для акустических волн любого диапазона частот, обычно называемых звуковыми волнами. К основным законам их распространения относятся законы отражения и преломления звука на границах различных сред, дифракция и рассеяние звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды.

Специфические особенности ультразвука

Хотя физическая природа УЗ и управляющие его распространением основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей, определяющих его значимость в науке и технике. Они обусловлены его относительно высокими частотами и, соответственно, малой длиной волны.

Так, для высоких ультразвуковых частот длины волн составляют:

в воздухе — 3,4⋅10
-3…3,4⋅10^-5 см;
в воде — 1,5⋅10^-2…1,5⋅10^-4 см;
в стали — 1⋅10^-2 … 1⋅10^-4 см.

Такая разница значений ультразвуковых волн (УЗВ) обусловлена различными скоростями их распространения в различных средах. Для низкочастотной области УЗ длины волн не превышают в большинстве случаев нескольких сантиметров и лишь вблизи нижней границы диапазона достигают в твердых телах нескольких десятков сантиметров.

УЗВ затухают значительно быстрее, чем волны низкочастотного диапазона, так как коэффициент поглощения звука (на единицу расстояния) пропорционален квадрату частоты.

Еще одна весьма важная особенность УЗ — возможность получения высоких значений интенсивности при относительно небольших амплитудах колебательного смещения, так как при данной амплитуде интенсивность прямо пропорциональна квадрату частоты. Амплитуда колебательного смещения на практике ограничена прочностью акустических излучателей.

Важнейшим нелинейным эффектом в ультразвуковом поле является кавитация — возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их захлопывание, слияние друг с другом и т. д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество: происходит разрушение на ходящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы (рис. 1).

Рис. 1

Изменяя условия протекания кавитации, можно усиливать или ослаблять различные кавитационные эффекты. Например, с ростом частоты УЗ увеличивается роль микропотоков и уменьшается кавитационная эрозия, с увеличением гидростатического давления в жидкости возрастает роль микроударных воздействий. Увеличение частоты обычно приводит к повышению порогового значения интенсивности, соответствующего началу кавитации, которое зависит от рода жидкости, ее газосодержания, температуры и пр. Для воды в низкочастотном ультразвуковом диапазоне при атмосферном давлении оно обычно составляет 0,3—1 Вт/см

Источники ультразвука

В природе УЗ встречается в составе многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), а также в мире животных, использующих его для эхолокации и общения.

Технические излучатели ультразвука, используемые при изучении УЗВ и их технических применениях, можно подразделить на две группы. К первой относятся излучатели-генераторы (свистки). Колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока — струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей — электроакустические преобразователи: они преобразуют уже заданные электрические колебания в механические колебания какого-либо твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Применение ультразвука

Многообразные применения УЗ, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством УЗВ, второе — с активным воздействием на вещество и третье — с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления).

Принципы ультразвуковой очистки

Основную роль при воздействии УЗ на вещества и процессы в жидкостях играет кавитация. На кавитации основан получивший наибольшее распространение ультразвуковой технологический процесс — очистка поверхностей твердых тел. В зависимости от характера загрязнений большее или меньшее значение могут иметь различные проявления кавитации, такие как микроударные воздействия, микропотоки, нагревание. Подбирая параметры звукового поля, физико-химические свойства моющей жидкости, ее газосодержание, внешние факторы (давление, температуру), можно в широких пределах управлять процессом очистки, оптимизируя его применительно к типу загрязнений и виду очищаемых деталей. Разновидностью очистки является травление в ультразвуковом поле, где действие УЗ совмещается с действием сильных химических реагентов. Ультразвуковая металлизация и пайка основываются фактически на ультразвукововой очистке (в т. ч. от окисной пленки) соединяемых или металлизируемых поверхностей. Очистка при пайке (рис. 2) обусловлена кавитацией в расплавленном металле. Степень очистки при этом так высока, что образуются соединения неспаиваемых в обычных условиях материалов, например, алюминия с другими металлами, различных металлов со стеклом, керамикой, пластмассами.

Рис. 2

В процессах очистки и металлизации существенное значение имеет также звукокапиллярный эффект, обеспечивающий проникновение моющего раствора или расплава в мельчайшие трещины и поры.

Механизмы очистки и отмывки

Очистка в большинстве случаев требует, чтобы загрязнения были растворены (в случае растворения солей), счищены (в случае нерастворимых солей) или и растворены, и счищены (как в случае нерастворимых частиц, закрепленных в слое жировых пленок). Механические эффекты ультразвуковой энергии могут быть полезны как для ускорения растворения, так и для отделения частиц от очищаемой поверхности. Ультразвук также можно эффективно использовать в процессе ополаскивания. Остаточные химикалии моющих сред могут быть быстро удалены ультразвуковым ополаскиванием.

При удалении загрязнений растворением, растворителю необходимо войти в контакт с загрязняющей пленкой и разрушить ее (рис. 3, а). По мере того как растворитель растворяет загрязнение, на границе растворитель–загрязнение возникает насыщенный раствор загрязнения в растворителе, и растворение останавливается, поскольку нет доставки свежего раствора к поверхности загрязнения (рис. 3, б).

Рис. 3

Воздействие ультразвука разрушает слой насыщенного растворителя и обеспечивает доставку свежего раствора к поверхности загрязнения (рис. 3, в). Это особенно эффективно, в тех случаях, когда очистке подвергаются “неправильные” поверхности с лабиринтом пазух и рельефа поверхностей, к каким относятся печатные платы и электронные модули.

Некоторые загрязнения представляют собой слой нерастворимых частиц, прочно сцепленный с поверхностью силами ионной связи и адгезии. Эти частицы достаточно только отделить от поверхности, чтобы разорвать силы притяжения и перевести их в объем моющей среды для последующего удаления. Кавитация и акустические течения срывают с поверхности загрязнения типа пыли, смывают и удаляют их (рис. 4).

Рис. 4

Загрязнения, как правило, многокомпонентны и могут в комплексе содержать растворимые и нерастворимые компоненты. Эффект УЗ в том и состоит, что он эмульгирует любые компоненты, то есть переводит их в моющую среду и вместе с ней удаляет их с поверхности изделий.

Чтобы ввести ультразвуковую энергию в систему очистки необходим УЗ-генератор, преобразователь электрической энергии генератора в УЗ-излучение и измеритель акустической мощности.

Электрический ультразвуковой генератор конвертирует электрическую энергию сети в электрическую энергию на ультразвуковой частоте. Это выполняется известными способами и не имеет какой-либо специфики. Однако, предпочтительнее использовать цифровую технику генерации, когда на выходе получаются прямоугольные импульсы чередующейся полярности (рис. 5). КПД таких генераторов близок к 100%, что позволяет решить проблему энергоемкости процесса. Использование сигнала прямоугольной формы приводит к акустическому излучению, богатому гармониками. Преимущества многочастотной системы очистки состоят в том, что в объеме моющей среды не образуется “мертвых” зон в узлах интерференции. Поэтому многочастотное УЗ-облучение позволяет располагать объект очистки практически в любой зоне УЗ-ванны.

Рис. 5

Другим приемом избавления от “мертвых” зон является использование генератора с качающейся частотой (рис. 6). В этом случае узлы и пучности интерференционного поля перемещаются на различные точки очищающей системы, не оставляя без облучения какие-либо участки для очистки. Но КПД таких генераторов относительно низкий.

Рис. 6

Имеются два общих типа ультразвуковых преобразователей: магнитострикционный и пьезоэлектрический. Они оба выполняют одинаковую задачу преобразования электрической энергии в механическую.

В магнитострикционных преобразователях (рис. 7) используют эффект магнитострикции, при котором некоторые материалы изменяют линейные размеры в переменном магнитном поле.

Рис. 7

Электрическая энергия от ультразвукового генератора сначала преобразуется обмоткой магнитостриктора в переменное магнитное поле. Переменное магнитное поле, в свою очередь, порождает механические колебания ультразвуковой частоты за счет деформации магнитопровода в такт с частотой магнитного поля. Поскольку магнитострикционные материалы ведут себя подобно электромагнитам, частота их деформационных колебаний в два раза выше частоты магнитного, а, значит, и электрического поля.

Электромагнитным преобразователям свойственен рост потерь энергии на вихревые токи и перемагничивание с ростом частоты. Поэтому мощные магнитострикционные преобразователи редко используют на частотах выше 20 кГц. Пьезопреобразователи, напротив, могут хорошо излучать в мегагерцовом диапазоне. Магнитострикционные преобразователи вообще менее эффективны, чем их пьезоэлектрические аналоги. Это обусловлено, прежде всего, тем, что магнитострикционный преобразователь требует двойного энергетического преобразования: из электрического в магнитное и затем из магнитного в механическое. Потери энергии происходят на каждом преобразовании. Это уменьшает КПД магнитострикторов.

Пьезопреобразователи (рис. 8) конвертируют электрическую энергию прямо в механическую засчет использования пьезоэлектрического эффекта, при котором некоторые материалы (пьезоэлектрики) изменяют линейные размеры при приложении электрического поля. Раньше для пьезоизлучателей использовали такие пьезоэлектрические материалы как природные кристаллы кварца и синтезируемый титанат бария, которые были хрупкими и нестабильными, а потому и ненадежными. В современных преобразователях используют более прочные и высокостабильные керамические пьезоэлектрические материалы. Подавляющее большинство систем УЗ-очистки используют сегодня пьезоэлектрический эффект.

Рис. 8

Оборудование ультразвуковой очистки

Диапазон используемого оборудования ультразвуковой очистки очень широк: от малых настольных модулей в стоматологии, ювелирных магазинах, электронной индустрии до огромных систем с объемами в несколько тысяч литров в ряде промышленных применений.

Правильный выбор необходимого оборудования имеет первостепенное значение в успехе применения ультразвуковой очистки. Самое простое применение УЗ-очистки может требовать всего лишь нагретой моющей жидкости. Более сложные системы очистки требуют большого количества ванн, последние из которых должны быть наполнены дистиллированной или деионизированной водой. Самые большие системы используют погружаемые ультразвуковые преобразователи, комбинация которых может облучить ванны почти любого размера. Они обеспечивают максимальную гибкость и легкость в использовании и обслуживания. Ультразвуковые ванны с подогревом моющего раствора наиболее часто применяются в лабораториях, медицине, ювелирном деле.

Линии УЗ-очистки (рис. 9), используемые в крупном производстве, объединяют в одном корпусе электрические УЗ-генераторы, УЗ-преобразователи, транспортную систему перемещения объектов очистки по ваннам и систему управления.

Рис. 9

УЗ-ванны могут быть включены в линию химико-гальванической металлизации с использованием модульных погружаемых ультразвуковых преобразователей.

Системы УЗ-очистки

При выборе системы очистки особенно важно обращать внимание на те характеристики, которые позволяют наиболее эффективно использовать ее. В первую очередь важно определить факторы интенсивности ультразвуковой кавитации в моющей жидкости. Температура жидкости – наиболее важный фактор, обеспечивающий интенсивность кавитации. Изменения температуры приводят к изменениям вязкости, растворимости газа в жидкости, скорости диффузии растворенных газов в жидкости и давлении пара. Все они влияют на интенсивность кавитации (рис. 10, 11).

Рис. 10

Вязкие жидкости инерционны и не могут реагировать достаточно быстро, чтобы формировать кавитационные пузырьки и сильные акустические течения. Для наиболее эффективной кавитации очищающая жидкость должна содержать как можно меньше растворенного газа. Газ, растворенный в жидкости, выходит во время пузырьковой фазы роста кавитации и ослабляет ее взрывной эффект, который необходим для ожидаемого эффекта ультразвукового воздействия. Количество растворенного газа в жидкости уменьшается с увеличением температуры. Скорость диффузии растворенных газов в жидкости также увеличивается при более высоких температурах. Поэтому предпочтение отдают очистке в подогретых моющих растворах. Парообразная кавитация, в которой кавитационные пузырьки заполнены паром жидкости, является наиболее эффективной.

Рис. 11

Интенсивность кавитации прямо связана с мощностью ультразвукового облучения. Обычно ее устанавливают выше кавитационного порога. Интенсивность кавитации обратно пропорциональна ультразвуковой частоте: с увеличением ультразвуковой частоты уменьшаются размеры кавитационных пузырьков и их результирующее воздействие на очищаемую поверхность. Компенсировать уменьшение интенсивности ультразвукового воздействия с увеличением частоты можно только увеличением мощности облучения.

Обеспечение максимального эффекта очистки

Удачный выбор моющих сред – залог успеха в процессе ультразвуковой очистки. В первую очередь выбранный состав должен быть совместим с материалами очищаемых поверхностей. Наиболее подходят для этого водные растворы технических моющих средств. Как правило, это обычные поверхностно активные вещества
(ПАВ).

Дегазация моющих растворов чрезвычайно важна в достижении удовлетворительных результатов очистки. Свежие растворы или растворы, которые накануне были охлаждены, должны быть дегазированы перед процессом очистки. Дегазация выполняется нагревом жидкости и предварительным облучением ванны ультразвуком. Время, заданное для дегазации жидкости, составляет от нескольких минут для ванн малого размера до часа или больше для большого резервуара. Ненагретый резервуар может дегазироваться несколько часов. Признаком закончившейся дегазации являются отсутствие видимых пузырьков газа, перемещающихся к поверхности жидкости, и отсутствие видимой пульсаций пузырьков.

Мощность ультразвукового облучения должна сопоставляться с объемом ванны (рис. 12). Очистка массивных объектов или имеющих большое отношение поверхности к массе, может требовать дополнительной ультразвуковой мощности. Чрезмерная мощность может вызывать кавитационную эрозию или “сжигающий” эффект на мягких поверхностях. Если очищаются объекты с разнородными поверхностями, мощность облучения рекомендуется установить по менее прочному компоненту.

Рис. 12

Важно правильно размещать очищаемые объекты в ванне. Погружаемые устройства не должны экранировать объекты от воздействия ультразвука. Твердые материалы обычно обладают хорошей звукопроводностью и не экранируют объект очистки. Вместе с тем, объекты очистки нужно постоянно ориентировать или вращать их во время очистки так, чтобы полностью очистить внутренние пазухи и глухие отверстия.

Должным образом используемая ультразвуковая технология обеспечивает большую скорость и высокое качество очистки поверхностей. Отказ от использования растворителей за счет применения водных сред удешевляет процесс и наиболее эффективно решает экологические проблемы. Ультразвук — это не технология будущего, это технология сегодняшнего дня.

Аркадий Медведев,
[email protected]
[email protected]

Ультразвуковая очистка. Теория и практика

Что такое ультразвук?

низкие — 1,5–10…10⁵ Гц;
средние — 10⁵…10⁷ Гц;
высокие — 10⁷…10⁹ Гц.

Упругие волны с частотами 1·10⁸…1·10¹³ Гц принято называть гиперзвуком.

Теория звуковых волн

Ультразвук как упругие волны

Специфические особенности ультразвука

Так, для высоких ультразвуковых частот длины волн составляют:

в воздухе — 3,4⋅10^-3…3,4⋅10^-5 см;
в воде — 1,5⋅10^-2…1,5⋅10^-4 см;
в стали — 1⋅10^-2 … 1⋅10^-4 см.

Рис. 1

Источники ультразвука

Применение ультразвука

Принципы ультразвуковой очистки

Рис. 2

Механизмы очистки и отмывки

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 8

Оборудование ультразвуковой очистки

Рис. 9

Системы УЗ-очистки

Рис. 10

Рис. 11

Обеспечение максимального эффекта очистки

Рис. 12

Аркадий Медведев,
[email protected]
[email protected]

Фундаментальная теория ультразвуковой очистки

Is-It-Necessary-to-Change-the-Ultrasonic-Cleaning-Solution-Every-Cleaning-Session

Ультразвуковые чистящие средства служат нескольким целям очистки и пригодятся, потому что они предлагают лучший уровень очистки, чем большинство других чистящих средств, представленных на рынках.

функция

Ультразвуковой очиститель предназначен для очистки очень деликатных и небольших материалов, например, любых предметов из стекла, ювелирных изделий, точных инструментов, деликатных инструментов и всего, что требует осторожности и осторожности при очистке. Этот конкретный очиститель использует звуковые волны и тепло, чтобы удалить грязь и бактерии из областей, где другие методы очистки недоступны. Ультразвуковые чистящие средства действительно произвели революцию в способах очистки деликатных предметов. Они в основном встречаются у ювелиров и в офисах оптометристов. Их можно использовать практически везде, где требуется чистка неуловимых и изысканных предметов.

Характеристики

Существует несколько версий или моделей ультразвуковых чистящих устройств, но интересно знать, что все они изготавливаются довольно схожим образом. Обычно эти ультразвуковые устройства имеют небольшой резервуар, в котором есть смесь воды и моющего раствора. Все предметы, которые необходимо очистить, помещаются в резервуар, и машина включается. Тогда звуковые волны действуют таким образом, что вода перемешивается и предметы в резервуаре должным образом очищаются. Эти уборщики питаются от электричества. Главным образом, в баке закреплено небольшое ведро, что облегчает удаление деликатных предметов.

Выгоды

Одна из причин, по которой люди, которым необходимо чистить деликатные предметы, всегда предпочитают использовать ультразвуковые чистящие средства, заключается в том, что он обладает большей очищающей способностью, чем любой другой метод, который можно использовать для чистки. Ультразвуковые чистящие средства очищают ваши продукты с такой чувствительностью, что вы будете поражены. Именно поэтому медицинская индустрия и стоматологи действительно выигрывают от ультразвуковых чистящих средств. На самом деле, ультразвуковые очистители могут извлечь выгоду не только этим двум, но и любой отрасли, которая занимается очисткой грязи и бактерий в сложных инструментах и предметах. Известно, что даже парикмахерские в наши дни используют ультразвуковые чистящие средства, чтобы избавиться от частиц волос и грязи из своих инструментов и инструментов.

Соображения

Некоторые инструменты могут быть слишком деликатными для чистки, обеспечиваемой ультразвуковым очистителем. Важно всегда использовать корзину или поднос, чтобы предметы не касались дна бака для очистки. Тепло от бака может повредить предметы. При использовании резервуара важно следовать указаниям всех производителей, поскольку резервуар может быть поврежден, если уровень воды опустится ниже определенной точки.

Спектакль

Большинство ультразвуковых очистителей на рынках служат трем основным целям. Это на самом деле звуковые волны, которые образуют пузырьки. Дегазация — это практика удаления любых газов, которые могут быть вредными для различных жидкостей, для создания вакуума. Ультразвуковые чистящие средства также популярны для чистки предметов и инструментов как с помощью прямой, так и косвенной очистки. Прямая очистка — это практика очистки от чистящей смеси или раствора, а косвенная очистка — это использование другого подхода к очистке.

Ультразвуковые продукты, которые мы предлагаем

Английский Французский Испанский Итальянский Немецкий Португальский, Португалия Корейский Турецкий Хинди

Ультразвук — Википедия

Ультразву́к — звуковые волны, имеющие частоту выше воспринимаемых человеческим ухом, обычно, под ультразвуком понимают частоты выше 20 000 герц.

Хотя о существовании ультразвука известно давно, его практическое использование началось достаточно недавно. В наше время ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. Так, по скорости распространения звука в среде судят о её физических характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах позволяет с весьма малыми погрешностями определять, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоёмкости газов, упругие постоянные твёрдых тел.

Частота ультразвуковых колебаний, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне от нескольких десятков кГц до единиц МГц. Высокочастотные колебания обычно создают с помощью пьезокерамических преобразователей, например, из титанита бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвуковых колебаний, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путём (камертоны, свистки, сирены).

В природе УЗ встречается как в качестве компонентов многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве и общения (киты, дельфины, летучие мыши, грызуны, долгопяты).

Излучатели ультразвука можно подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока — струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей — электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твёрдого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

Свисток Гальтона[править | править код]

Первый ультразвуковой свисток сделал в 1883 году англичанин Фрэнсис Гальтон.

Ультразвук здесь создаётся подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона играет «губа» в маленькой цилиндрической резонансной полости. Газ, пропускаемый под высоким давлением через полый цилиндр, ударяется об эту «губу»; возникают колебания, частота которых (около 170 кГц) определяется размерами сопла и губы. Мощность свистка Гальтона невелика. В основном его применяют для подачи команд при дрессировке собак и кошек.

Жидкостный ультразвуковой свисток[править | править код]

Большинство ультразвуковых свистков можно приспособить для работы в жидкой среде. По сравнению с электрическими источниками ультразвука жидкостные ультразвуковые свистки маломощны, но иногда, например, для ультразвуковой гомогенизации, они обладают существенным преимуществом. Так как ультразвуковые волны возникают непосредственно в жидкой среде, то не происходит потери энергии ультразвуковых волн при переходе из одной среды в другую. Пожалуй, наиболее удачной является конструкция жидкостного ультразвукового свистка, изготовленного английскими учёными Коттелем и Гудменом в начале 50-х годов XX века. В нём поток жидкости под высоким давлением выходит из эллиптического сопла и направляется на стальную пластинку.

Различные модификации этой конструкции получили довольно широкое распространение для получения однородных сред. Благодаря простоте и устойчивости своей конструкции (разрушается только колеблющаяся пластинка) такие системы долговечны и недороги.

Сирена[править | править код]

Сирена — механический источник упругих колебаний и, в том числе, ультразвука. Их частотный диапазон может достигать 100 кГц, но известны сирены, работающие на частоте до 600 кГц. Мощность сирен доходит до десятков кВт.

Воздушные динамические сирены применяются для сигнализации и технологических целей (коагуляция мелкодисперсных аэрозолей (осаждение туманов), разрушение пены, ускорение процессов массо- и теплообмена и т. д.).

Все ротационные сирены состоят из камеры, закрытой сверху диском (статором), в котором сделано большое количество отверстий. Столько же отверстий имеется и на вращающемся внутри камеры диске — роторе. При вращении ротора положение отверстий в нём периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подаётся сжатый воздух, который вырывается из неё в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают.

Частота звука в сиренах зависят от количества отверстий и их геометрической формы, и скорости вращения ротора.

Летучие мыши, использующие при ночном ориентировании эхолокацию, испускают при этом ртом (кожановые — Vespertilionidae) или имеющим форму параболического зеркала носовым отверстием (подковоносые — Rhinolophidae) сигналы чрезвычайно высокой интенсивности. На расстоянии 1 — 5 см от головы животного давление ультразвука достигает 60 мбар, то есть соответствует в слышимой нами частотной области давлению звука, создаваемого отбойным молотком. Эхо своих сигналов летучие мыши способны воспринимать при давлении всего 0,001 мбар, то есть в 10000 раз меньше, чем у испускаемых сигналов. При этом летучие мыши могут обходить при полете препятствия даже в том случае, когда на эхолокационные сигналы накладываются ультразвуковые помехи с давлением 20 мбар. Механизм этой высокой помехоустойчивости еще неизвестен. При локализации летучими мышами предметов, например, вертикально натянутых нитей с диаметром всего 0,005 — 0,008 мм на расстоянии 20см (половина размаха крыльев), решающую роль играют сдвиг во времени и разница в интенсивности между испускаемым и отраженным сигналами. Подковоносы могут ориентироваться и с помощью только одного уха (моноаурально), что существенно облегчается крупными непрерывно движущимися ушными раковинами. Они способны компенсировать даже частотный сдвиг между испускаемыми и отражёнными сигналами, обусловленный эффектом Доплера (при приближении к предмету эхо является более высокочастотным, чем посылаемый сигнал). Понижая во время полёта эхолокационную частоту таким образом, чтобы частота отражённого ультразвука оставалась в области максимальной чувствительности их «слуховых» центров, они могут определить скорость собственного перемещения.

У ночных бабочек из семейства медведиц развился генератор ультразвуковых помех, «сбивающий со следа» летучих мышей, преследующих этих насекомых.

Эхолокацию используют для навигации и птицы — жирные козодои, или гуахаро. Населяют они горные пещеры Латинской Америки — от Панамы на северо-западе до Перу на юге и Суринама на востоке. Живя в кромешной тьме, жирные козодои, тем не менее, приспособились виртуозно летать по пещерам. Они издают негромкие щёлкающие звуки, воспринимаемые и человеческим ухом (их частота примерно 7 000 Герц). Каждый щелчок длится одну-две миллисекунды. Звук щелчка отражается от стен подземелья, разных выступов и препятствий и воспринимается чутким слухом птицы.

Ультразвуковой эхолокацией в воде пользуются китообразные.

Диагностическое применение ультразвука в медицине (УЗИ)[править | править код]

Благодаря хорошему распространению ультразвука в мягких тканях человека, его относительной безвредности по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в сравнении с магнитно-резонансной томографией, ультразвук широко применяется для визуализации состояния внутренних органов человека, особенно в брюшной полости и полости таза.

Терапевтическое применение ультразвука в медицине[править | править код]

Помимо широкого использования в диагностических целях (см. Ультразвуковое исследование), ультразвук применяется в медицине (в том числе регенеративной) в качестве инструмента лечения.

Ультразвук обладает следующими эффектами:

противовоспалительным, рассасывающим действиями;
анальгезирующим, спазмолитическим действием;
кавитационным усилением проницаемости кожи.^{[источник не указан 1891 день]}

Фонофорез — комбинированный метод лечения, при котором на ткани вместо обычного геля для ультразвуковой эмиссии (применяемого, например, при УЗИ) наносится лечебное вещество (как медикаменты, так и вещества природного происхождения). Предполагается, что ультразвук помогает лечебному веществу глубже проникать в ткани.

Применение в производстве[править | править код]

На обычных металлорежущих станках нельзя просверлить в металлической детали узкое отверстие сложной формы, например в виде пятиконечной звезды. С помощью ультразвука это возможно, магнитострикционный вибратор может просверлить отверстие любой формы. Ультразвуковое долото вполне заменяет фрезерный станок. При этом такое долото намного проще фрезерного станка и обрабатывать им металлические детали дешевле и быстрее, чем фрезерным станком.

Ультразвуком можно даже делать винтовую нарезку в металлических деталях, в стекле, в рубине, в алмазе. Обычно резьба сначала делается в мягком металле, а потом уже деталь подвергают закалке. На ультразвуковом станке резьбу можно делать в уже закалённом металле и в самых твёрдых сплавах. То же и со штампами. Обычно штамп закаляют уже после его тщательной отделки. На ультразвуковом станке сложнейшую обработку производит абразив (наждак, корундовый порошок) в поле ультразвуковой волны. Беспрерывно колеблясь в поле ультразвука, частицы твёрдого порошка врезаются в обрабатываемый сплав и вырезают отверстие такой же формы, как и у долота.

Приготовление смесей с помощью ультразвука[править | править код]

Широко применяется ультразвук для приготовления однородных смесей (гомогенизации). Получаемые эмульсии играют большую роль в современной промышленности, это: лаки, краски, фармацевтические изделия, косметика.

В 1927 году американские ученые Лимус и Вуд обнаружили, что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду) слить в одну мензурку и подвергнуть облучению ультразвуком, то в мензурке образуется эмульсия, то есть мелкая взвесь масла в воде. Данный процесс происходит из-за явления кавитации, начинающегося при превышении определённых порогов интенсивности излучения (вода — 1 Вт/см², масло — 4 Вт/см²). При изменении давления, температуры и времени воздействия кавитация может начинаться и при более низкой мощности^[1].

Применение ультразвука в биологии[править | править код]

Способность ультразвука разрывать оболочки клеток нашла применение в биологических исследованиях, например, при необходимости отделить клетку от ферментов. Ультразвук используется также для разрушения таких внутриклеточных структур, как митохондрии и хлоропласты с целью изучения взаимосвязи между их структурой и функциями. Другое применение ультразвука в биологии связано с его способностью вызывать мутации. Исследования, проведённые в Оксфорде, показали, что ультразвук даже малой интенсивности может повредить молекулу ДНК.^{[источник не указан 3249 дней]} Искусственное целенаправленное создание мутаций играет большую роль в селекции растений. Главное преимущество ультразвука перед другими мутагенами (рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи) заключается в том, что с ним чрезвычайно легко работать.

Применение ультразвука для очистки[править | править код]

Применение ультразвука для механической очистки основано на возникновении под его воздействием в жидкости различных нелинейных эффектов. К ним относится кавитация, акустические течения, звуковое давление. Основную роль играет кавитация. Её пузырьки, возникая и схлопываясь вблизи загрязнений, разрушают их. Этот эффект известен как кавитационная эрозия. Используемый для этих целей ультразвук имеет низкую частоту и повышенную мощность.

В лабораторных и производственных условиях для мытья мелких деталей и посуды применяются ультразвуковые ванны, заполненные растворителем (вода, спирт и т. п.). Иногда с их помощью от частиц земли моют даже корнеплоды (картофель, морковь, свекла и др.).

В быту, для стирки текстильных изделий, используют специальные, излучающие ультразвук устройства, помещаемые в отдельную ёмкость.

Применение ультразвука в эхолокации[править | править код]

В рыбной промышленности применяют ультразвуковую эхолокацию для обнаружения косяков рыб. Ультразвуковые волны отражаются от косяков рыб и приходят в приёмник ультразвука раньше, чем ультразвуковая волна, отразившаяся от дна.

В автомобилях применяются ультразвуковые парктроники.

Применение ультразвука в расходометрии[править | править код]

Для контроля расхода и учёта воды и теплоносителя с 1960-х годов в промышленности применяются ультразвуковые расходомеры.

Применение ультразвука в дефектоскопии[править | править код]

Ультразвук хорошо распространяется в некоторых материалах, что позволяет использовать его для ультразвуковой дефектоскопии изделий из этих материалов. В последнее время получает развитие направление ультразвуковой микроскопии, позволяющее исследовать подповерхностный слой материала с хорошей разрешающей способностью.

Ультразвуковая сварка[править | править код]

Ультразвуковая сварка — сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний. Такой вид сварки применяется для соединения деталей, нагрев которых затруднён, при соединении разнородных металлов, металлов с прочными оксидными плёнками (алюминий, нержавеющие стали, магнитопроводы из пермаллоя и т. п.), при производстве интегральных микросхем.

Применение ультразвука в гальванотехнике[править | править код]

Ультразвук применяют для интенсификации гальванических процессов и улучшения качества покрытий, получаемых электрохимическим способом.

↑ Зарембо Л.К., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику. Звуковые и ультразвуковые волны большой интенсивности. — 1966. — 519 с. — ISBN 978-5-458-49876-0.

1.3. Ультразвуковая очистка

Позволяет быстро и качественно обработать самые различные детали, удалить самые прочные загрязнения, заменить дорогостоящие и небезопасные растворители и механизировать процесс очистки.

При сообщении жидкости ультразвуковых колебаний в ней возникают переменные давления, изменяющиеся с частотой возбуждающего поля. Наличие в жидкости растворенных газов приводит к тому, чтоб во время отрицательного полупериода колебаний, когда на жидкость действует растягивающее напряжение, в этой жидкости образуются и увеличиваются разрывы в виде газовых пузырьков. В эти пузырьки могут всасываться загрязнения из микротрещин и микропор материала. Под действием сжимающих напряжений во время положительного полупериода давлений, пузырьки захлопываются. К моменту захлопывания пузырьков на них действует давление жидкости, достигающее нескольких тысяч атмосфер, поэтому захлопывание пузырька сопровождается образованием мощной ударной волны. Такой процесс образования и захлопывания пузырьков в жидкости называется кавитацией. Обычно кавитация возникает на поверхности детали. Ударная волна измельчает загрязнения и перемещает их в моющий раствор (см. рис. 1.10).

Рис. 1.10. Схема всасывания загрязнений из микротрещин поверхности в растущий газовый пузырек

Отделенные частицы загрязнений захватываются пузырьками и всплывают на поверхность (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Ультразвуковая очистка

Ультразвуковая волна в жидкости характеризуется звуковым давлением P_зв.и интенсивностью колебаний I. Звуковое давление определяют по формуле:

P_зв_. = ^.C^.^. ^.Cos(t-k_x) = p_m^.Cos(t-k_x),

P_m²

I = ,

2 ^.C

где p_m= ^.C^.^. — амплитуда звукового давления,

^.C — волновое сопротивление,

 — амплитуда колебаний,

 — частота.

С повышением звукового давления до оптимальной величины возрастает число газовых пузырьков жидкости, соответственно увеличивается объем кавитационной области. В ультразвуковых установках для очистки звуковое давление на границе “излучатель-жидкость” лежит в пределах 0,2 ÷0,14 Мпа.

Под интенсивностью ультразвуковых колебаний на практике принимают мощность, приходящуюся на единицу площади излучателя:

1,5÷3 Вт/см²— водные растворы,

0,5÷1 Вт/см²— органические растворы.

Кавитационное разрушение достигает максимума тогда, когда время захлопывания пузырьков равно полупериоду колебаний. На образование и рост кавитационных пузырьков влияют вязкость жидкости, частота колебаний, статическое давление и температура. Кавитационный пузырек может образоваться, если его радиус меньше некоторого критического радиуса, соответствующего определенному гидростатическому давлению.

Частота ультразвуковых колебанийлежит в пределах от 16 Гц до 44 кГц.

Если частота колебаний низкая, то образуются более крупные пузырьки с малой амплитудой пульсации. Часть из них просто всплывает на поверхность жидкости. Ультразвук низкой частоты хуже распространяется из-за поглощения, поэтому качественный процесс очистки идет в области, близкой к источнику. При низкой частоте недостаточно хорошо очищаются микротрещины, размеры которых меньше длины волны ультразвука.

Повышение частоты колебаний приводит к уменьшению размеров газовых пузырьков и следовательно, к уменьшению интенсивности ударных волн при одной и той же мощности установки. Для запуска кавитационного процесса с увеличенной частотой требуется большая интенсивность колебаний. Рост частоты ультразвуковой установки очистки приводит обычно к понижению КПД установки. Тем не менее, повышение частоты ультразвука имеет ряд положительных сторон:

Очистка осуществляется гидропотоками при значительно меньшей вибрации детали;

Плотность ультразвуковой энергии увеличивается пропорционально квадрату частоты, что позволяет вводить в раствор большие интенсивности или при постоянной интенсивности уменьшать амплитуду колебаний;

С увеличением частоты увеличивается величина поглощаемой энергии ультразвука.

Вследствие поглощения энергии более высокой плотности частицы масел, жиров, флюсов и т.п. загрязнений поверхности детали нагреваясь, становятся более жидкотекучими и легко растворяются в очищающей жидкости. Вода (как основа моющего раствора) при этом не нагревается;

С увеличением частоты уменьшается длина волны, что способствует более тщательной очистке мелких отверстий;

При колебаниях ультразвука достаточно высокой частоты (40 кГц) ультразвуковая волна распространяется с меньшим поглощением и действует эффективно даже на большом расстоянии от источника;

Значительно уменьшаются габариты и масса ультразвуковых генераторов и преобразователей;

Уменьшается опасность эрозионного разрушения поверхности очищаемой детали.

Вязкость жидкостипри ультразвуковой очистке влияет на потери энергии и ударное давление.Увеличение вязкости жидкости повышает потери на вязкое трение, однако время захлопывания пузырька при этом сокращается, следовательно, увеличивается сила ударной волны. Техническое противоречие.

Температура оказывает неоднозначное влияние на процесс ультразвуковой очистки.Повышение температуры активизирует моющую среду, повышает ее растворяющую способность. Но при этом уменьшается вязкость раствора и увеличивается давление парогазовой смеси, что значительно снижает устойчивость кавитационного процесса. Здесь мы опять сталкиваемся с ситуацией технического противоречия.

Инженерный подход к разрешению этого противоречия заключается в оптимизации температуры (вязкости) раствора в зависимости от характера и вида загрязнений. Для очистки деталей от химически активных загрязнений следует повышать температуру, а для удаления плохо растворимых загрязнений нужно выбирать такую температуру, которая создает условия оптимальной кавитационной эрозии.

Рекомендуемые температуры:

Щелочные растворы 40÷60ºС,

Трихлорэтан 38÷40ºС,

Водные эмульсии 21÷37ºС.

Кроме кавитационного диспергирования загрязнений, положительное значение при очистке имеют акустические течения жидкости, т.е. вихревые потоки, образующиеся в озвученной жидкости в местах ее неоднородностей или на границе раздела “жидкость-твердое тело”. Высокий уровень возбуждения жидкости в граничащем с поверхностью детали слое уменьшает толщину диффузионного слоя, образованного продуктами реакции моющего раствора с загрязнениями.

Среды ультразвуковой очистки

Очистку проводят в водных моющих растворителях, эмульсиях, кислых растворах. При использовании щелочных растворов можно значительно уменьшить температуру и концентрацию щелочных компонентов, а качество очистки останется высоким. При этом уменьшается травящее воздействие на деталь. В состав щелочных растворов входят чаще всего каустическая сода (NaOH), кальцинированная сода (Na₃CO₃), тринатрийфосфат (Na₃PO₄^.12H₂O), жидкое стекло (Na₂O^.SiO₂), анионоактивные и неионогенные ПАВ (сульфанол, тинол).

ПАВ существенно повышают кавитационную эрозию, т.е. интенсифицируют процесс очистки. Однако, опасность кавитационного разрушения поверхности материала при добавлении ПАВ также увеличивается. Понижение поверхностного натяжения в присутствии ПАВ приводит к увеличению количества пузырьков в единице объема. При этом ПАВ понижает прочность поверхности детали (техническое противоречие).

Для предовращения эрозии металлов необходимо выбирать оптимальные концентрации ПАВ, минимальную длительность процесса и располагать детали подальше от излучателя (инженерное решение).

Очистку ультразвуком в органических растворителях применяют тогда, когда очистка в щелочных растворителях может привести к коррозии материала или к образованию пассивной пленки, а также, если необходимо сократить время сушки. Наиболее удобными являются хлорированные растворители с высокой химической активностью; они растворяют самые различные загрязнения и безопасны в эксплуатации.

Хлорированные растворители можно применять в чистом виде и в составе азеотропных смесей (перегоняемых без изменения состава). Например, смеси фреона-113, фреона-30. Азеотропные смеси растворителей реагируют со многими загрязнениями, при этом эффективность очистки увеличивается.

Для ультразвуковой очистки применяются также бензин, ацетон, спирты, спиртобензиновые смеси.

Для ультразвукового травления деталей при очистке от окислов применяют концентрированные кислые растворы (см. таблицу 1.6).

Таблица 1.6.

Состав растворов (массовые доли) и режимы ультразвукового травления

Материал детали	HCl	NaCl	HNO₃	HF	H₂SO₄	Cr₂O₃	Уротропин	Температура ºС	Длительность, мин
Конструкционные стали (Ст 3, 45)	56	45	—	—	—	—	0,81	2535	3
Цементируе мые стали (16ХГТ)	21 22	—	—	—	—	—	—	4045	8
Хромистые стали (2Х13, 4Х13 и др.)	—	—	4,55	—	—	—	—	4045	6
Электротехнические стали	—	—	—	—	2123	—	—	8090	3
Нержав. стали	—	—	89	1,8 2,1	—	—	—	4050	10
Медные сплавы (Л90, ЛА85, Л68 и др.)	—	—	—	—	1030	36	—	2030	3
Углеродистые стали	45	—	—	—	—	—	—	3540	4

Способы управления процессом ультразвуковой очистки.

Изменение давления жидкости. Способ реализуется в виде создания вакуума или наоборот, избыточного давления. При вакууммировании жидкости облегчается образование кавитации. Избыточное давление повышает эрозионное разрушение, сдвигает максимум кавитационной эрозии в зону больших звуковых давлений, влияет на характер акустических течений.

Наложение электрического или магнитного полей на моющую среду.При электрохимической ультразвуковой очистке кавитационная область может быть локализована непосредственно у обрабатываемой детали; пузырьки выделяющихся на электродах газов способствуют разрушению пленок загрязнений; уменьшается смачиваемость маслом поляризованной поверхности детали.

Наложение на кавитационную область магнитного поля вызывает движение газовых пузырьков, имеющих отрицательный поверхностный заряд, что увеличивает кавитационную эрозию деталей.

Введение абразивных частиц в моющий раствор.Твердые частицы абразива участвуют в механическом отделении загрязнений и стимулируют образование кавитационных пузырьков, так как нарушают сплошность жидкости.

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.

Фильм ВГТРК Наука 2.0 Большой скачок. Ультразвук за гранью слышимости.

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:

f=1/T , (1)

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:

, (2)

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

В твердых веществах для продольных волн скорость звука [1]

, (3)

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

Для поперечных волн она определяется по формуле

, (4)

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

Дисперсия звука — зависимость фазовой скорости монохроматической звуковых волн от их частоты omega . Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическим 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

I=pv/2 , (5)

где р — амплитуда звукового давления, Па
v — амплитуда колебательной скорости частиц, м/c
— 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 , а интенсивность – в отличие от степенного закона убывания амплитуды при расхождении волны, где delta – 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]

, (6)

где – 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]

, (7)

где – 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

, (8)

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

, (9)

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

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

, (10)

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:

Z=ro c , (11)

где Z – волновое сопротивление, ,
– плотность, кг/м³,
с – скорость звука, м/с

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом

, (12)

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)

, (13)

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

, (14)

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 lamda , степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

, (15)

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.

, (16)

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

, (17)

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

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

, (18)

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.

Ультразвук для химии.: статьи компании UltraSonic Technology

Мощный ультразвук в химических технологиях

Возможность интенсификации химических процессов

под действием ультразвукового поля

Химия испытывает на себе влияние физики, пожалуй, сильней, чем любая другая наука. Эти науки взаимодействуют очень сильно, например, вся теория атомного вещества получила основательную поддержку в химическом эксперименте. На самом деле теоретическая химия – это физика. Попробуем в этой статье рассмотреть возможности интенсификации химических процессов с помощью физического воздействия мощного ультразвука, рассмотрим химическую кинетику процессов под действием мощного ультразвука.

Современные, экономичные, надежные ультразвуковые генераторы нового поколения и колебательные системы позволяют сегодня проводить интенсификацию производственных процессов, направленную на увеличение экономической эффективности. В результате целенаправленного влияния достигается повышение производительности оборудования, сокращение затрат материалов и энергии, улучшение качества продукции, снижение затрат труда и повышение эффективности автоматического управления.

Использование мощного ультразвука позволяет применить принцип «синергизма» (совместного воздействия) механических, теплофизических, электромагнитных и прочих воздействий, приводящих к активному изменению свойств и состояний систем.

Такой подход позволяет осуществить:

Совершенствование существующих технологических процессов и существующего оборудования;
Разработку принципиально нового технологического процесса и принципиально нового оборудования для его реализации.

Акустические методы интенсификации процессов представляют собой динамическое воздействие на системы в виде упругих или квази-упругих колебаний и волн. Под их воздействием происходит целый ряд явлений и эффектов, приводящих к необратимому изменению свойств и тепло-массообменных процессов «озвучиваемой» среды.

Уже в ранних исследованиях взаимодействия ультразвуковых волн с жидкостями было обнаружено, что такое взаимодействие сопровождается химическими превращениями. В последствии, это направление науки было названо звукохимией.

Первыми Лумис и Ричардс в 1927 г. наблюдали ускорение реакций при гидролизе диметилсульфита, реакций Ландольта и реакции окисления йодида калия. Выделение молекулярного йода из водного раствора йодида калия под действием ультразвука стимулировало многочисленные исследования в этом направлении. Обзор ранних работ дан в работах Л.Бергмана и И.Е.Эльпинера, развитию звукохимии посвящены работы М.А.Маргулиса и Г.А.Кардашева.

Большинство химических реакций в ультразвуковых полях происходит в водных растворах при наличии кавитации. При этом частотный диапазон очень широк и достигает нескольких МГц, а интенсивность вводимых ультразвуковых колебаний достигает десятков и даже сотен Вт/см². Указанный диапазон частот много ниже частот собственных колебаний молекул, а удельные энергии много меньше энергии активаций и поэтому, если не рассматривать ассоциаты, макромолекулы и возможные многофононные механизмы, становится понятным, что именно сложные явления в кавитационных пузырьках вызывают звукохимические превращения.

Френцель и Шульцес в 1934 г. открыли свечение воды под воздействием мощного ультразвукового поля – явление сонолюменесценции, объяснив ее баллоэлектрическим механизмом электризации кавитационных пузырьков и электрическим пробоем. Количественная теория электрических разрядов при кавитации была разработана Я.И.Френкелем. Это позволило объяснить ряд звукохимических реакций.

Наряду с электрической теорией развивалась и тепловая, согласно которой звукохимические превращения в кавитационных пузырьках происходят под воздействием высоких температур (до 5000 ºС), достигаемых в них при адиабатическом сжатии. Энергия, выделяющаяся в парогазовой смеси внутри кавитационного пузырька в водных растворах, приводит к возбуждению и расщеплению молекул воды на радикалы Н и ОН. Предполагается также ионизация молекул с образованием гидратированных электронов, т.е. электронов с присоединенными к ним нейтральными молекулами воды (сонолиза) существенно зависит от природы растворенного в воде газа: возможно образование Н, ОН, е^—, Н₂, Н₂О₂ в присутствии инертных газов; НО₂, О₂, ОН, Н₂О₂, О₃ — при наличии кислорода; Н, е^—, Н₂ — при наличии водорода.

Различают шесть типов звукохимических превращений:

Окислительно-восстановительные реакции, протекающие в жидкой фазе, например, окисление КI, FeSO₄, H₃PO₃ и др., восстановление KMnO₄, Cu(SO₄)₂ и т.п.
В реакции между растворенными газами, водой и веществами с высокой упругостью пара внутри кавитационных пузырьков, например, образование NO₂, NH₃ и т.п.
Цепные реакции в растворе, инициируемые радикалами, возникающими в кавитационном пузырьке, например, стереоизомеризация малеиновой кислоты или ее эфира в фумаровую;
Реакции с участием макромолекул, протекающие, в отличие от предыдущих, и в отсутствии кавитации, например, деструкция, сополимеризация и др.;
Инициирование взрыва жидких и твердых взрывчатых веществ, например, тетранитрометана, NI₃, NCl₂ и т.п.
Реакции в неводных системах.

В большинстве случаев реакции в неводных системах резко интенсифицируются под воздействием ультразвука и повышается их селективность. В этой области исследованы такие реакции, как пиролиз углеводородов, окисление альдегидов и спиртов, реакции алкилгалогенидов, получение тиамидов и тиакарбонатов, реакции металлоорганического синтеза и ряд других.

Количественная оценка реакций проводится с помощью химико-акустического к.п.д.

K_x_._a_. = E_x_._a_. / E , (1)

где Е_х.а. – химико-акустическая энергия, т.е. энергия, затраченная на проведение реакции;

Е – полная акустическая энергия.

Энергетический выход реакций выражают числом молекул продукта, образовавшихся при затрате 100 эВ химико-акустической энергии. В случае окислительно-восстановительных реакций энергетический выход составляет несколько молекул, а для цепных реакций достигает тысячи молекул. Примеры реакций показаны в таблице 1.

Таблица 1 – Звукохимические реакции

Исходные вещества	Выход реакции, число молекул/100 эВ; присутствующий газ	Основные продукты реакции
Окислительно-восстановительные реакции
H₂O	2,31; O₂	H₂O₂
KNO₃ + H₂O	0,03; Ar	KNO₂
CH₃COOH + H₂O	0,06; N₂	H₂N–CH₂–COOH
Реакции газов в кавитационной полости
N₂ + H₂O	1,33	H₂O₂
	0,3	HNO₂
	0,1	HNO₃
Цепные реакции
CH–COOH + Br₂ + H₂O	2440; Ar	HC–COOH
II		II
CH–COOH		HOOCH
Реакции с участием макромолекул
Полистирол + стирол + C₆H₆	Воздух	Продукты полимеризации
Детонация взрывчатых веществ
NCl₃	Воздух	Продукты взрыва
Реакции в неводных системах
CH₃CH + CCI₄	Ar	N₂, CH₄, H₂
	O₂	CO, CO₂, H₂O

Кинетика звукохимических реакций зависит от поведения радикалов и имеет некоторые особенности, например, после действия. Фактически отдельный кавитационный пузырек играет роль индивидуального химического реактора, работающего в импульсном режиме, со специфическим распределением исходных и конечных продуктов и энергий. В случае неводных систем выделение энергии в микроскопических областях и последующее быстрое охлаждение могут приводить к локальному возрастанию скорости химических реакций и последующей «закалке» продуктов, причем последние не успевают разлагаться, так как вся жидкость остается практически холодной. Это приводит к повышению селективности процесса.

Химические реакции во многом инициируются акустическими физико-химическими процессами на границах раздела фаз. Несмотря на недостаточную изученность ряда теоретических проблем, мощный ультразвук представляет уже сегодня перспективное направление в развитии химической и нефтехимической технологии.

Введение ультразвуковых колебаний с определенными характеристиками способствует интенсификации процессов в ряде фотохимических и лазерохимических реакций. Следует ожидать интенсификации радиационно-химических процессов в конденсированной и гетерогенной фазе, что может быть с успехом использовано для решения ряда промышленных экологических задач.

Целый ряд сложных, непреодолимых сегодня задач, возникающих перед технологами в электрохимических процессах, успешно решаются при использовании мощного ультразвука. Ускоряются процессы, повышается выход по току и веществу, неравномерная концентрация ионов вблизи электродов, экранировка их газовой фазой и пассивация могут быть устранены наложением ультразвука, т.е. введением ультразвуковых колебаний в объем с жидкостью, в которой протекают электрохимические реакции.

При малых интенсивностях ультразвука на процесс влияют, в основном, акустические течения. С увеличением интенсивности решающее значение для интенсификации электрохимических превращений приобретает кавитация.

Для дополнительной активации процессов разработаны ультразвуковые преобразователи, встраиваемые в имеющееся на производстве образования. Такая модернизация не связана со значительными материальными затратами и является быстроокупаемой.

Применение ультразвука экономически оправдано в процессах электроосаждения, электрополирования и основного оксидирования металлов, многочисленных и разнородных органических соединений, в гидрометаллургии, электролизе растворов без выделения металлов, электролизе расплавленных солей.

Физическая природа механических и гидромеханических процессов естественным образом влияет на выбор эффективного вида воздействия. Так как в этих процессах происходят механические перемещения, разделение и соединение твердых и жидких фаз и другие процессы, основными факторами являются силовые воздействия – акустические и, при наличии избирательных электрофизических свойств, совместное действие акустических и электрических либо электромагнитных.

В технологических процессах измельчения и смешивания необходимо избирательное воздействие на элементарные акты и увеличение объемной плотности вводимой энергии. Наложение мощного ультразвукового поля на процессы измельчения и смешивания позволяет значительно интенсифицировать традиционные технологические процессы с минимальными энергозатратами, получать сырье с необходимым и новым, более высоким качеством, включая подготовку сырья для нанотехнологий. Одним из основных факторов интенсификации процессов является ультразвуковая кавитация.

Использование ультразвуковой кавитации дает возможность проводить высокоэффективное диспергирование твердой фазы в жидкую. Механизмы диспергирования исследованы в различных условиях. Размеры получаемых дисперсий определяются амплитудно-частотными характеристиками воздействия и свойствами материала. Поэтому, ультразвуковое диспергирование на частотах порядка 20 кГц дает частицы микронных размеров. Сопоставляя эффективность ультразвукового диспергирования применительно к производству эмалей можно отметить, что технико-экономические показатели ультразвуковых диспергаторов превосходят показатели для машин других типов. Так, съем готовой эмали на основе цинковых белил и железного сурика на шаровой мельнице составляет 72,3 кг/час, на трехвалковой краскотерочной машине – 27 кг/час, а на ультразвуковом диспергаторе – 250 кг/час. При этом площадь, занимаемая ультразвуковой установкой, в четыре раза меньше, чем шаровой мельницой, а расход электроэнергии на 1 т эмали составляет соответственно 34 и 71 кВт*ч. Качество продукта, полученного при ультразвуковой обработке, выше, так как ниже его дисперсность. Например, ультразвуковая обработка готовой эмали, приготовленной на пентафталевом лаке с цинковыми белилами, привела к уменьшению пигмента с 25 до 5 мкм и улучшению качества эмали.

Большое значение в химической технологии имеет процессы в состоянии «псевдоожиженного» (кипящего) слоя. Наложение ультразвукового поля на слой сыпучего материала в результате колебаний элементов аппарата (дна, стенок, перегородок) позволяет перевести материал в псевдоожиженное (виброкипящее) состояние с заданными характеристиками псевдоожиженного слоя. Такое состояние может быть достигнуто как при наличии газового потока любого направления, так и в отсутствие газовой фазы. Эффективное совместное использование ультразвука и электрического либо магнитного поля открывает большие дополнительные возможности организации управления гидродинамикой псевдоожиженного слоя.

Эмульсии и аэрозоли широко используются в химической технологии как для развития межфазных поверхностей в реагирующих системах, так и для получения различных продуктов и полупродуктов.

И хотя все детали механизма образования эмульсии под действием мощного ультразвука неизвестны, это не мешает активному использованию «макрозвука» в технологических процессах приготовления эмульсий типа масло-вода, силикон-вода и т.п. Эффективность технологий, построенных на воздействии мощного ультразвука, доказана и преимущества неоспоримы. В процессах «смешивания несмешиваемых» и приготовления эмульсий и аэрозолей основное влияние оказывает кавитация. Процессы, в основном, эффективно протекают при повышенном давлении (свыше 4 атм.) и определенных амплитудно-частотных характеристиках УЗ преобразователя. Использование ультразвука в процессах фильтрования, пропитки, очистки, и регенерации фильтрующих материалов и элементов альтернативы не имеет. Существующие сегодня методы интенсификации этих процессов малоэффективны и энергоемки. Решить многие из сложных технологических задач можно с помощью наложения колебаний в диапазоне макрозвука (более детально об этом можно ознакомиться в авторской статье «Когда вода течет вверх?»).

Коагуляция и осаждение в ультразвуковом поле значительно интенсифицируется в гидро- и аэродисперсных системах. Еще в позапрошлом веке Кундтом было обнаружено воздействие интенсивных акустических волн на тонкие порошки в газах, а Кенинг дал трактовку наблюдаемому явлению. Знаменитая «трубка Кунда» является наглядной иллюстрацией этого воздействия.

В 1931 г. Паттерсон и Кейвуд отметили увеличение размеров частиц аэрозоля и их оседание в местах пучностей колебаний под действием ультразвуковых волн с частотой 34 кГц. Дальнейшие исследования в Англии, Германии и Советском Союзе были направлены на выяснение природы явления и разработку специальной аппаратуры. Возник ряд гипотез о механизме акустической коагуляции. Первые опыты по очистке промышленных газов поставил в 1938 г. Гиз, он использовал магнитострикционные излучатели и ультразвуковые свистки. На рубеже 50-х годов ХХ века фирма «Ультрасоник Корпорейшин» (США) создала ряд промышленных газоочистительных установок на основе мощной ультразвуковой сирены. Начались систематические работы по коагуляции промышленных пылей в СССР, Польше, Японии, Франции и других странах.

В настоящее время эти вопросы приобрели острую актуальность в связи с задачами охраны окружающей среды. Поэтому, мы рассмотрим их более детально.

Вопросы акустической коагуляции аэрозолей наиболее полно освещены в работах Е.П.Медникова, Н.А.Фукса, Н.Л.Широковой, В.И.Тимошенко и др.

Физические явления, протекающие в аэрозоле при воздействии ультразвуковых волн, весьма многообразны. Отдельная частица, взвешенная в газе, вовлекается в колебательное движение, на нее действует давление звукового излучения, вызывая ее дрейф, она вовлекается в движение акустическими течениями и т.д. Между отдельными частицами возникает гидродинамическое взаимодействие. Перечисленные явления служат причиной сближения частиц и их коагуляции.

Среди факторов, влияющих на скорость коагуляции, можно выделить две группы.

К первой относятся факторы, которые влияют на вероятность столкновения частиц; ко второй – факторы, влияющие на их слипание при столкновении.

Совместное физическое воздействие в виде акустических и электрических полей существенно влияет на движение частиц и, следовательно, на вероятность их столкновения. При определенных энергиях частиц, получаемых ими в полях, частицы могут сближаться, преодолевая первый глубокий потенциальный барьер, образуя устойчивую систему. Таким образом, рассматриваемые воздействия могут оказывать влияние на вторую группу факторов.

Кинетика коагуляции аэрозолей хорошо описывается экспоненциальной зависимостью.

n = n₀ exp(–kt) , (2)

где n и n₀ – счетные концентрации частиц аэрозоля, соответственно, текущая и в начальной стадии;

k – коэффициент коагуляции.

Коэффициент коагуляции зависит от физико-химических свойств аэрозоля и характеристик акустического поля.

Помимо интенсивности, на степень и скорость ультразвуковой коагуляции влияют: время озвучивания (составляющее от нескольких секунд до микросекунд), частота, исходная концентрация. Процесс акустической коагуляции начинается при интенсивности ультразвука выше 0,1 Вт/см²; используются частоты в диапазоне от 20 до 40 кГц; рациональная исходная концентрация должна быть больше 1 г/м³. Целесообразно сочетать ультразвуковую коагуляцию с другими методами: инерционными и электрическими. Степень очистки газов электрофильтрами зависит от скорости дрейфа частиц:

N = 1 – exp(–yk) , (3)

где y – скорость дрейфа;

k – коэффициент, характеризующий геометрические размеры и скорость газа в электрофильтре.

Скорость дрейфа субмикронных частиц практически не зависит от их размера и имеет порядок нескольких см/с, с увеличением размера на порядок (10 мкм) заряд частиц становится пропорциональным квадрату радиуса. Поэтому целесообразна двухступенчатая схема: предварительная ультразвуковая коагуляция субмикронных частиц и окончательная электрическая очистка в поле мощного ультразвука. Такой подход впервые был развит в работах Таганрогского радиотехнического института (В.И.Тимошенко и др.).

Ультразвуковое воздействие может быть использовано для коагуляции тумана кислоты, очистки выхлопных газов от соединений фтора, очистки дымов тепловых электростанций, осаждения пыли на цементных производствах и т.п.

Буше предложил интенсифицировать процесс осаждения аэрозольных частиц в существующих пыле-каплеулавливающих устройствах, встраивая в определенные места последних компактные ультразвуковые преобразователи. Озвучивание аэрозоля, усиленное автокинетическим взаимодействием и турбулизацией, способствует увеличению числа соударений с каплями воды и, следовательно, интенсификации очистки.

Промышленное применение акустической коагуляции в 50–80-е годы ХХ века вызвало серьезные затруднения, так как ориентировалось на источники ультразвука с частотами в сотни килогерц. Такие источники оказались малонадежными и дорогими. В связи с этим заслуживает внимания предложение В.И.Тимошенко о переходе на низкие частоты (20–40 кГц).

20 января 2014

Как сделать подгузник из пеленки своими руками: пошаговая инструкция

Как сделать подгузник из пеленки своими руками: пошаговая инструкция