УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ И КОНТРОЛЯ

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ МЕТОДОВ

Среди многочисленных технологических процессов, связанных с применением ультразвуковых колебаний, особое место занимают технологические процессы, протекающие в жидкой среде. Это очистка, дегазация, эмульгирование и др.

Условно верхняя граница чувствительности человеческого уха — 18 кГц, это верхняя граница звукового диапазона частот. Упругие колебания среды с частотами выше 18 кГц называют ультразвуковыми. Как правило, в промышленном производстве используют ультразвуковые колебания в диапазоне 18—50 кГц.

Физическая природа ультразвука (независимо от конкретного значения частоты) одна и та же — коллективные колебания частиц упругой среды. Источником ультразвуковой энергии, как правило, является электромеханический преобразователь. Он преобразует электрическую энергию ультразвуковой частоты, поступающую от генератора, в механическую. При контакте колеблющейся поверхности преобразователя со средой в последней возникает бегущая волна. В среде появляется дополнительная к статическому давлению знакопеременная компонента давления, связанная с возникновением чередующихся сгущений и разрежений.

Скорость распространения упругой волны в неограниченной однородной среде не зависит от частоты волны, а определяется упругими свойствами среды и ее плотностью. Передача колебательной энергии от частицы к частице осуществляется за счет наличия упругих связей между ними. Параметры упругости этих связей и инерционность элементарных осцилляторов, образующих в совокупности среду, определяют скорость распространения упругого возмущения в этой среде:

где К — модуль объемной упругости; р0 — плотность жидкости; для воды К= 2,2 • 109 Па, р0= 1 • 103 кг/м3, с = 1,5 • 103 м/с.

Распространение звука в упругой среде сопровождается формированием в ней определенного волнового поля, характеризуемого индивидуальным пространственно-временным распределением комплекса физических величин, описывающих звуковое возмущение: плотность среды, давление и колебательная скорость частиц среды. Уравнение плоской бегущей волны, распространяющейся в направлении оси ОХ, имеет вид

где Ат — амплитуда соответствующей величины, в качестве которой могут выступать акустическое давление Рт, колебательная скорость vm, плотность рот; со — круговая частота колебаний; со = 2л/; / — частота ультразвуковых колебаний; к — волновое число; к = со/с; ср0 — начальная фаза колебаний источника.

В бегущей волне амплитуды давления, плотности и колебательной скорости связаны между собой следующими соотношениями:

В установившемся режиме плоская звуковая волна, бегущая в однородной среде без поглощения, создает в направлении своего распространения стационарный поток акустической энергии. Интенсивностью звука принято называть энергию, переносимую бегущей звуковой волной в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения этой волны:

Однако бегущая волна является физической идеализацией случая, когда по каким-либо причинам можно пренебречь влиянием границ. Подобные явления существуют в гидроакустике, ультразвуковой дефектоскопии и некоторых других применениях технической акустики.

В ультразвуковых технологических процессах отражением ультразвуковых волн от стенок пренебречь нельзя. В этом случае образуются стоячие волны, амплитуда звукового давления, скорости и плотности являются функциями координат. При этом соотношения (5.3—5.5) не применимы. Максимум звукового давления в стоячей воде соответствует минимуму колебательной скорости и наоборот. Понятие «интенсивность» здесь также теряет смысл, поскольку в некоторых сечениях стоячей волны амплитуда звукового давления или колебательной скорости оказывается равной нулю. Вместо интенсивности вводят новое понятие «средняя плотность акустической энергии», которая определяется как

Поскольку амплитуда звукового давления является функцией координат, средняя плотность акустической энергии также зависит от координат.

Технологические применения ультразвука связаны с его специфическими особенностями, в частности с возможностью получить большие плотности акустической энергии. Естественно, что средняя плотность акустической энергии в технологическом объеме зависит от акустической мощности, излучаемой в среду, и величины этого объема. Однако наличие стоячих волн и, следовательно, неоднородное распределение акустического давления в объеме технологической среды приводят к тому, что плотность акустической энергии также распределена в пространстве неоднородно; существуют локальные области, в которых она во много раз превышает средние значения. Форма и положение этих областей зависят от геометрии излучающей поверхности преобразователя и озвучиваемого резервуара.

Воздействие мощных ультразвуковых колебаний на жидкую среду — это, по существу, действие периодических сжатий и растяжений на любой выделенный объем жидкости. Растягивающие силы настолько велики, что могут привести к образованию каверн, т.е. пузырьков, заполненных паром окружающей их жидкости. Однако последующая фаза сжатия ведет к тому, что пар в пузырьке конденсируется, а сам пузырек исчезает — схлопывается. Через период картина повторяется. Такое явление называется паровой кавитацией.

Кавитация в технологических средах отличается от описанной выше тем, что в технологической среде постоянно присутствует большое количество газовых пузырьков различного размера. Колебания таких пузырьков при больших амплитудах звукового давления и эффекты, связанные с этими колебаниями, носят название парогазовой кавитации.

Экспериментальные исследования показывают, что концентрация пузырьков в жидкости зависит от их размеров, с уменьшением диаметра пузырьков она возрастает. Каждый пузырек представляет собой колебательную систему, в которой масса — это присоединенная масса окружающей пузырек жидкости, а упругость — это упругость газа внутри пузырька и поверхностного натяжения пленки микромолекул на границе «пузырек—жидкость». Под действием акустического давления пузырьки пульсируют, т.е. их радиус изменяется со временем с частотой ультразвуковых колебаний.

При определенных условиях радиус пузырька может резко увеличиваться, а затем столь же резко уменьшаться. В процессе быстрого уменьшения пузырька (так называемого схлопывания) повышаются температура и локальное давление в непосредственной близости от него, следствием этого является разрушение поверхности образца, рядом с которым колеблется пузырек. Одновременно с этим отдельные пузырьки могут распадаться на несколько более мелких. В процессе периодической пульсации пузырька возникает так называемая выпрямленная диффузия. В результате происходит рост пузырьков малого диаметра. Таким образом, их динамическое распределение в жидкости по диаметру зависит от ряда факторов.

Вокруг пузырьков, а также вблизи границы «жидкость — твердое тело» возникают микротечения. На рис. 5.1 и 5.2 представлен характер микропотоков, возникающий вблизи стержневого излучателя и газового пузырька.

Микропотоки в жидкости вблизи излучателя и неподвижной твердой поверхности

Рис. 5.1. Микропотоки в жидкости вблизи излучателя и неподвижной твердой поверхности

Эти микротечения принципиально изменяют характер массопе- реноса на границе «жидкость — твердое тело».

В складывающейся таким образом гидродинамической ситуации пузырьки уже не только пульсируют под акустическим воздействием, но и переносятся потоком от излучающей поверхности в объем жид Микропотоки, возникающие вблизи колеблющихся пузырьков при различной амплитуде колебательной скорости V и кинематической вязкости среды {v = 0,01 -7,5 см/с)

Рис. 5.2. Микропотоки, возникающие вблизи колеблющихся пузырьков при различной амплитуде колебательной скорости Vm и кинематической вязкости среды {v = 0,01 -7,5 см2/с)

кости. Твердая поверхность излучателя становится как бы генератором транспортирующего потока, оставаясь источником ультразвука и кавитационных зародышей, непрерывно возникающих на месте «уплывших» в толщу жидкости.

Основные явления, играющие существенную роль в процессах ультразвуковой жидкостной технологии:

  • • колебания парогазовых пузырьков под действием акустического поля (в объеме жидкости, вблизи поверхности твердого тела, в щелях поверхности твердого тела);
  • • акустические микротечения вблизи поверхности твердого тела;
  • • акустический массоперенос в технологическом объеме (акустические макротечения).

Основную роль в физических явлениях, наблюдаемых в жидкости в ультразвуковом поле, играют газовые и парогазовые пузырьки, совершающие пульсации под действием переменного акустического давления. При определенных условиях может наблюдаться резкое увеличение текущего радиуса пузырька, а затем его более резкое уменьшение — схлопывание.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >