УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ АППАРАТЫ
, машины или устройства, в к-рых энергия упругих волн используется
для воздействия в любых средах на в-ва или тела с целью изменения их структуры
и CB-B либо на хим.-технол. процессы. Специфич. особенность У. а.- существенно
большие их характерные ге-ом. размеры, чем соответствующие длины волн; благодаря
этому в данных устройствах реализуется не колебательный, как в инфразвуковых аппаратах
, а волновой процесс. Ниж. граница применяемого в У. а. частотного
диапазона волн не определяется
признаком невосприятия их человеческим слухом и для MH. аппаратов лежит и в
звуковом диапазоне частот, превышая, однако, диапазон 20-200 Гц. Верх. граница
обусловлена техн. возможностями генерирования упругих волн (см. также Вибрационная техника
)и теоретически определяется соизмеримостью их длины и средней длины
своб. пробега молекул (в жидкостях и твердых телах - межмол. расстоянием).
Высокая частота / упругих
волн и квадратичная зависимость от нее интенсивности потока энергии даже при
малых амплитудах волн обусловливают выделение больших кол-в энергии. Ее потоки
распространяются в обрабатываемой среде со значит. поглощением, что приводит
к образованию в ней областей высоких локальных плотностей энергии и к соответствующим
изменениям структуры и CB-B.
С увеличением / существенно
возрастает роль т. наз. нелинейных эффектов. Последние заключаются во взаимод.
разных гидродинамич. возмущений и служат главной причиной многочисл. полезных
проявлений ультразвука. К числу этих физ. эффектов относятся: изменение формы
упругих волн при их распространении; кавитация; акустич. течения (звуковой ветер);
давление звукового излучения (радиац. давление) и др. Наиб. важным нелинейным
эффектом является кавитация -образование в жидкой среде массы пульсирующих пузырьков,
заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их слияние
и дробление, потеря устойчивости, происходящие под действием упругих волн, приводят
к возникновению микроударных давлений до 800 МПа, локальному повышению т-р до
7400 К (по теоретич. оценкам), элект-рич. разрядов, ионизации и т. д. Изменяя
условия протекания кавитации, можно регулировать кавитац. эффекты.
Осн. элемент любого У.
а.- излучатель упругих волн. По источнику энергии излучатели подразделяют на
гидро- или аэродинамические и электроакустические. В основе работы гидро- и
аэродинамич. излучателей (жидкостные и воздушные свистки и сирены, гидро- и
пневмопреобразователи; см. также Диспергирование
)лежит принцип преобразования
части ки-нетич. энергии потока жидкости либо газа, создаваемой насосом (компрессором),
в акустич. энергию при встрече потока с плохообтекаемым препятствием. В ряде
конструкций для усиления ультразвуковых эффектов используют резонансные устройства.
На рис. представлен гидродинамич.
излучатель, в к-ром пульсации торообразной кавитац. области, заполненной пузырьками,
происходят при встрече струи жидкости, вытекающей со скоростью 20-30 м/с из
конусно-ци-линдрич. сопла 1, с вогнутым отражателем 2; при определенном расстоянии
между соплом и отражателем возникает автоколе-бат. релаксац. процесс, приводящий
к радиальному выбросу содержимого кавитац. области. Пульсации давления возбуждают
в стержнях 3 изгибные колебания (деформации) на их собств. частоте, повышая
интенсивность и монохроматичность звукового излучения.
Гидродинамический
излучатель: 1 - соп- чатели преобразуют за-ло; 2 - отражатель; 3 - стержень.
данные колебания элект рич. напряжения или тока
Электроакустич. излуч.
мех. колебания к.-л. твердого тела, к-рое и излучает звуковые волны в окружающую
среду. Наиб. распространены излучатели, действие к-рых основано на магнитострикцион-ном
и пьезоэлектрич. эффектах. В первом случае сердечник из магнитострикц. материала
(напр., Ni, ферриты, нек-рые хромовые и марганцевые, сплавы) помещают в переменное
магн. поле, и линейный
размер сердечника изменяется в такт колебаниям поля. Во втором случае пьезоэлектрич.
материал (кварц, керамика на основе цирконат-титаната свинца и др.) располагают
в переменном электрич. поле. Электроакустич. преобразователи создают волны частотой,
определяемой ге-ом. размерами и условиями закрепления твердого тела; возбуждение
колебаний осуществляется в узком диапазоне частот, поэтому излучатели работают
обычно в условиях резонанса их мех. системы. В У. а. непрерывного действия на
основе таких преобразователей устройством, направляющим поток обрабатываемого
материала на излучающие пов-сти, служит собственно корпус аппарата. При проведении
перио-дич. процессов излучатели монтируют на одну или неск. технол. емкостей
либо непосредственно погружают в обрабатываемую среду.
Реализуемые в У. а. нелинейные
эффекты инициируют и ускоряют окислит.-восстановит., электрохим., цепные, с
участием макромолекул и др. р-ции. Акустич. колебания оказывают значит. влияние
также на течение мех., гидромех., тепловых и массообменных процессов хим. технологии.
При этом воздействие упругих волн м. б. различным: стимулирующим, если ультразвук
- движущая сила процесса (напр., Диспергирование, коагуляция аэрозолей, очистка
твердых пов-стей, распыливание, эмульгирование); интенсифицирующим, если ультразвук
лишь увеличивает скорость процесса (напр., кристаллизация, получение чистых
полупроводниковых материалов, перемешивание, растворение, сорбция, сушка, травление,
экстракция, электрохим. осаждение металлов); оптимизирующим, если ультразвук
только упорядочивает течение процесса (напр., гранулирование, центрифугирование).
Кроме того, У. а. применяют также для дегазации (напр., р-ров смол, расплавов
стекла), металлизации и пайки материалов, сварки металлов и полимеров, размерной
мех. обработки хрупких и твердых материалов и т. д.
Лит.: Ультразвуковая
технология, под ред. Б. А. Аграната, M., 1974; Ультразвук. Маленькая энциклопедия,
M., 1979; M а р гул и с M. А., Звукохи-мические реакции и сонолюминесценция,
M., 1986. В. H. Монахов.
|
