В технике хорошо зарекомендовал себя низкочастотный ультразвук (16-40 кГц). Колебания этого диапазона оптимальны, в частности, для задач ультразвуковой очистки и других жидкостных технологических процессов. В оборудовании производства общества «Александра-Плюс» используется ультразвук именно этого диапазона частот.

Так чем же так хорош ультразвук? Какими такими «чудесными» свойствами он обладает? Чтобы ответить на эти вопросы, нужно познакомиться с некоторыми специфическими эффектами, порождаемыми ультразвуком.

Рис. 1. Распределение давления в ультразвуковом поле

Что такое упругие колебания среды (возьмём, к примеру, жидкость)? Это фактически колебания давления в её локальных участках (см. рис. 1). То есть, если взять какой-нибудь достаточно маленький объём жидкости, то получится, что в нём давление постоянно «скачет» то выше, то ниже нормального. Причём частота этих «скачков» совпадает с частотой порождающего их ультразвука.

Физико-химические свойства жидкости сильно зависят от давления. В частности это относиться к температуре кипения, которая тем ниже, чем ниже давление внутри жидкости. То есть, в принципе, можно заставить кипеть даже холодную воду.

Вернёмся к нашим колебаниям. Если падение давления достаточно велико, то жидкость легко вскипает (при этом никакой нагрев не требуется!). Кипение идёт очень непродолжительное время (порядка половины периода колебаний) и на очень небольших участках (порядка половины длины волны). После чего падение давления сменяется ростом, и жидкость кипеть больше не может. Затем цикл повторяется.

Теперь вспомним, что же такое кипение. Это переход жидкости в газообразное состояние по всему кипящему объёму. Практически же это проявляется как образование многочисленных пузырьков, состоящих из пара и газов, которые были растворены в жидкости (в первую очередь это воздух).

Такие пузырьки в большом количестве образуются в участках низкого давления в ультразвуковом поле. Это явление получило название кавитации и является основным специфическим эффектом ультразвука в жидкой среде. Образующиеся пузырьки называют кавитационными пузырьками или кавитационными полостями.

Когда давление вновь возрастает, пузырьки резко уменьшаются в размерах. Мелкие пузырьки вообще захлопываются, а крупные просто становятся мельче. Пузырьки первого вида называют захлопывающимися, а второго — пульсирующими.

Захлопываясь, пузырёк порождает ударную волну, которая воздействует на находящиеся поблизости предметы. Когда таких пузырьков достаточно много, воздействие становится весьма сильным и даже разрушительным для некоторых веществ. Этот эффект имеет название гидроабразивного разрушения, и является основой технологии ультразвуковой очистки. Ведь загрязнения, как правило, менее стойки, чем очищаемая поверхность, и под действием ультразвука быстро разрушаются.

Пульсирующие пузырьки также играют свою роль. С токами жидкости они проникают в зазоры и щели в плёнке загрязнения, а также между загрязнением и очищаемой поверхностью. Пульсируя, они расшатывают частицы загрязнения, тем самым способствуя его разрушению.

Частые колебания давления в жидкости, захлопывания и пульсирование пузырьков порождают локальные микропотоки жидкости, называемые акустическими течениями. Эти течения подхватывают отслоившиеся частицы загрязнения, ещё более ускоряя процесс очистки. Если же жидкая среда, в которой происходит очистка, является растворителем для загрязняющего вещества, то акустические течения активно помогают процессу растворения, перемешивая жидкость.

Последний эффект ценен не только тем, что ускоряет очистку, но и сам по себе. Он позволяет использовать ультразвук для ускорения процессов перемешивания жидкостей, растворения твёрдых тел. Замечательные результаты получаются при эмульгировании нерастворимых жидкостей (например масла в воде). Эмульгирование идёт очень быстро даже без механического перемешивания. Получаемая тонкодисперсная эмульсия не расслаивается месяцами (проверено в нашей лаборатории!).

Выгоды от применения ультразвука для растворения твёрдых тел хорошо иллюстрирует опыт с обыкновенным кубиком сахара-рафинада, который в холодной (около 5 °C) воде под действием ультразвука легко растворяется за 40 секунд. При этом механическое перемешивание опять же не потребовалось.

Александр Лебедев
ООО «Александра-Плюс»