ультразвуковые аппараты
УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ АППАРАТЫ
машины или устройства, в которых энергия упругих волн используется для воздействия в любых средах на вещества или тела с целью изменения их структуры и свойств 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 количеств 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 свойств.
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 температур до 7400 К (по теоретич. оценкам), электрич. 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 котором пульсации торообразной кавитац. области, заполненной пузырьками, происходят при встрече струи жидкости, вытекающей со скоростью 20–30 м/с из конусно-цилиндрич. сопла 1, с вогнутым отражателем 2; при определенном расстоянии между соплом и отражателем возникает автоколебат. 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 электрич. напряжения или тока
Электроакустич. излуч. мех. колебания к.-л. твердого тела, которое и излучает звуковые волны в окружающую среду. Наиб. распространены излучатели, действие которых основано на магнитострикцион-ном и пьезоэлектрич. эффектах. В первом случае сердечник из магнитострикц. материала (напр., Ni, ферриты, некоторые 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 поверхности, 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 окислительно-восстановит., электрохим., цепные, с участием макромолекул и др. реакции. 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 поверхностей, 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., растворов 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, М., 1974; Ультразвук. Маленькая энциклопедия, М., 1979; M а р гул и с M. А., Звукохи-мические реакции и сонолюминесценция, М., 1986.
В. Н. Монахов
