ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Краткие физические основы применения ультразвуковых и звуковых колебаний из "Ультразвуковая химическая аппаратура" Физическая природа всех звуков едина. Нет существенной физической разницы между, например, ультразвуком и слышимым звуком. Большинство закономерностей, характерных для звуковых колебаний, может быть перенесено и на ультразвуковые колебания. Однако полного тождества между ними провести нельзя, так как с повышением частоты изменяется ряд свойств упругих колебаний, и, соответственно, их воздействие на вещества. [c.5] Интенсивность ультразвуковых колебаний в окружающей природе невелика. Она того же порядка, что и интенсивность человеческой речи и слышимых звуков (— 10 мквт/м ). В случае же получения звуковых и ультразвуковых колебаний от искусственных источников их мощность может достигать десятков, сотен вт или даже нескольких кет, а интенсивности — десятков и сотен квт/м . Колебания высокой интенсивности характеризуются рядом особенностей, отличающих их от колебаний малой интенсивности. Это так называемые эффекты второго порядка. Еще далеко не все эффекты второго порядка имеют точное физическое объяснение. Однако ввиду того, что они сопутствуют ультразвуковым колебаниям высокой и средней интенсивности, укажем на некоторые из них, представляющие интерес для промышленного использования. [c.5] При распространении звуковых волн в среде возникает чередование сжатия и разрежения, причем амплитуда сжатия всегда равна амплитуде разрежения, а их чередование соответствует частоте колебаний звуковой волны. Это явление называют звуковым давлением. [c.5] При распространении интенсивных ультразвуковых колебаний в жидкости наблюдается тесно связанный со звуковым давлением эффект, называемый ультразвуковой кавитацией. Явление кавитации связано главным образом с тем, что жидкости, легко переносят очень большие всесторонние сжатия, но чрезвычайно чувствительны к растягивающим усилиям. При прохождении фазы волны, создающей разрежение, жидкость рвется, и в ней образуется очень большое количество разрывов в виде мельчайших пузырьков, появляющихся обычно в тех местах, где прочность жидкости ослаблена такими местами являются маленькие пузырьки газа, частицы посторонних примесей и др. Эти маленькие полости, так называемые кавитационные пузырьки, совершают пульсирующие колебания, вокруг них образуются сильные микропотоки, и все это приводит к активной местной турбулизации среды. После кратковременного существования часть пузырьков захлопывается. Во время этих захлопываний развиваются большие местные мгновенные давления, достигающие сотен и тысяч атмосфер. При захлопывании кавитационных пузырьков наблюдаются также местные повышения температуры и электрические разряды. Необходимая для развития кавитации интенсивность ультразвука зависит от частоты колебаний и от природы жидкости. [c.6] Воздействие упругих колебаний звукового и ультразвукового диапазона частот на вещество и на течение различных реакций и процессов связывается большинством исследователей [8, 33, 34, 43, 52, 851 с явлениями кавитации, звукового давления и звукового ветра. [c.6] Проведенные исследования показали, что наиболее важным эффектом второго порядка, возникающим при воздействии ультразвука на химико-технологические процессы, протекающие в жидких средах, является кавитация. Поэтому на этом явлении остановимся более подробно. [c.6] Как уже указывалось, под воздействием ультразвука кавитационные полости в жидкости образуются во время полупериодов растяжения и захлопываются во время полупериодов сжатия. Так как полости заполнены в основном паром данной жидкости, процесс их образования и захлопывания иногда называют паровой кавитацией, в отличие от так называемой газовой кавитации, представляющей собой интенсивные нелинейные колебания газовых пузырьков в звуковом поле. [c.6] Газовая кавитация может протекать с большей или меньшей интенсивностью при различных значениях амплитуды давления звуковой волны, а паровая — лишь при достижении некоторого значения давления, называемого порогом кавитации. [c.6] Экспериментально установлено, что порог кавитации зависит от многих факторов. Его значение повышается с ростом гидростатического давления при сжатии жидкости с высоким (порядка 10 н/м ) статическим давлением при обезгаживании и охлаждении жидкости с ростом частоты звука и уменьшением продолжительности озвучивания. Пороговое значение давления для бегущей волны больше, чем для стоячей. [c.7] При захлопывании кавитационной полости возникает мощная ударная волна. Зная радиус полости до и после захлопывания, можно определить величину давления во фронте волны. [c.7] Ро — давление в жидкости в н/ж п Я — первоначальный и конечный радиусы полостей в м. [c.7] Максимальное значение мгновенного давления получается на расстоянии 1,57 7 о от центра захлопнувшейся полости. [c.7] При нормальном атмосферном давлении для смыкания газового пузырька диаметром 300 мкм требуется время 15 мксек. [c.7] Из формулы (1) следует, что давление в ударной волне тем больше, чем больше начальный радиус пузырька перед захлопыванием. Максимальный радиус пузырька, в свою очередь, при заданной частоте тем больше, чем больше интенсивность ультразвука, поэтому с ростом интенсивности должно увеличиваться давление в ударной волне. Однако это увеличение будет продолжаться до тех пор, пока полное время захлопывания пузырька не станет равным половине периода звукового давления. В дальнейшем с ростом максимального радиуса давление пузырька в ударной волне уже должно уменьшаться, так как пузырек не будет успевать захлопнуться полностью к моменту появления отрицательного полупериода звуковой волны и будет пульсировать по закону изменения звукового поля. [c.8] Аналогичная картина наблюдается при увеличении частоты звука при постоянной интенсивности. В этом случае также наступает момент, когда полупериод колебания приближается ко времени полного захлопывания пузырька и с дальнейшим ростом частоты становится меньше времени захлопывания. [c.8] Избыточное статическое давление в рабочем объеме жидкости, подвергаемой действию упругих колебаний, способствует увеличению скорости захлопывания кавитационной полости и, как следствие, повышению интенсивности ударных волн [1]. [c.8] Для увеличения эффекта ультразвукового воздействия рекомендуется повышать статическое давление в растворах так, чтобы суммарное значение статического давления н сил поверхностного натяжения было меньше приложенного звукового давления. Путем подбора оптимального соотношения между указанными величинами можно усилить эффект кавитационного воздействия на один-два порядка. Введение ультразвуковых колебаний в жидкость, находящуюся под повышенным статическим давлением, приводит также к возникновению турбулентных движений и гидродинамических потоков, более интенсивных, чем при нормальном давлении. Это также способствует увеличению эффектов, производимых ультразвуковыми колебаниями. Кривые зависимости максимального давления, развиваемого в жидкости при прохождении ультразвука, и эрозионного разрушения испытуемых образцов от статического давления имеют четко выраженные максимумы и для водных растворов находятся в пределах 4-10 — 6-Ю н м (4—6 ат). [c.8] Указанное выше относится главным образом к работе с магнитострикционными и пьезокерамическими излучателями. [c.8] Возникновение и развитие кавитации при работе акустического гидродинамического излучателя имеют некоторые особенности, подробно разобранные в работе [32]. [c.8] Каверны срывной кавитации более развиты и захлопываются на значительном удалении от места их возникновения. В обоих случаях время захлопывания удовлетворительно описывает формула Рэлея. [c.9] Вернуться к основной статье