Александра-Плюс

ультразвуковые технологии и оборудование

Главная О фирме Пресса Публикации Патенты Контакты
Что такое ультразвук
Ультразвуком принято называть упругие колебания и волны частотой от 15-20 кГц до 1 ГГц. Снизу этот диапазон частот ограничен верхним пределом слышимости для человеческого уха, поэтому он весьма условен, так как этот предел имеет большой разброс для разных людей. Верхняя граница определяется по длине волны, которая в принципе может распространятся в упругой среде. Длина такой волны должна быть больше свободного пробега молекул газа или межмолекулярных расстояний в жидкостях и твёрдых телах. Упругие колебания частотой выше 1 ГГц называют гиперзвуком.

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»

Главная О фирме Пресса Публикации Патенты Контакты
 
Hosted by uCoz