Ультразвуковые аппараты

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 ультразвуковых аппаратов- 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 ультразвуковых аппаратах 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 ультразвукового аппарата- 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 ультразвуковых аппаратах 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 ультразвуковых аппаратах 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, ультразвуковые аппараты 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.