КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕНЕНИЙ ЗВУКА И ВИБРАЦИИ В ПРИБОРАХ И ТЕХНОЛОГИЯХ

(по материалам научно-технических публикаций)

 

ВИБРАЦИЯ И МЕДИЦИНА

ВИБРАЦИЯ И СПОРТ

ВИБРАЦИОННОЕ СНИЖЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЯХ

ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЕ СНИЖЕНИЕ ГИДРОАЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ

ГОРЕНИЕ В УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ

ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДЕГАЗАЦИЯ РАСТВОРОВ

ТЕПЛОМАССООБМЕН В УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ

ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА

 

ВИБРАЦИОННОЕ СНИЖЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ  НАПРЯЖЕНИЙ В МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЯХ. 

Метод применим как для небольших, так и для протяженных металлоконструкций длиной до нескольких десятков метров, обладающих различной степенью сложности и основан на повышении пластической деформации металла сварного соединения под действием приложенного знакопеременного напряжения (вибрации), когда знак этого напряжения совпадает со знаком остаточного напряжения в сварном соединении, а сумма этих напряжений превышает предел текучести металла соединения. Метод позволяет снизить остаточные напряжения одновременно во всех сварных соединениях, произвольно расположенных и ориентированных на металлоконструкции, не допуская перераспределения остаточных напряжений между отдельными соединениями, что имеет место при последовательном нагреве этих соединений, применяемом в термическом методе снижения остаточных напряжений.

В зависимости от типа металла, толщины сварного соединения и динамических свойств конструкции, время вибрационного воздействия на нее для снижения остаточных напряжений может достигать нескольких часов.

ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЕ  СНИЖЕНИЕ ГИДРОАЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ. Периодические нормальные колебания поверхности, испытывающей гидроаэродинамическое сопротивление, приводят к колебаниям пограничного слоя обтекающего её потока. В зависимости от выбора исполнительного устройства, колебания поверхности могут быть возбуждены синфазными или на двух и более формах вынужденных колебаний. На низких частотах колебания поверхности и обтекающего её пограничного слоя синфазны и равновесное состояние давления успевает за период колебаний восстановиться во всём объёме пограничного слоя. Для более высоких частот колебаний поверхности релаксационный процесс восстановления давления не успевает пройти по всей толщине пограничного слоя. Это приводит к отставанию колебаний давления в пограничном слое на 180 град. относительно колебаний обтекаемой поверхности и, в среднем за период колебаний, к уменьшению времени соприкосновения пограничного слоя с обтекаемой поверхностью, а также величины давления (плотности среды) между ними, т.е. снижению трения. Амплитуда и частота колебаний обтекаемой поверхности могут быть выбраны оптимальными по затратам энергии для достижения требуемого сопротивления. Параметры колебаний поверхности, обтекаемой потоком жидкости, могут быть выбраны такими, чтобы на границе поверхности и пограничного слоя возник режим кавитации. При этом парогазовые пузырьки, образующиеся на испытывающей гидродинамическое сопротивление поверхности будут выполнять роль смазки между поверхностью и пограничным слоем, уменьшая трение между ними и снижая сопротивление движению. Различные участки площади обтекаемой поверхности оказывают различное сопротивление движению. На таких участках величины релаксационных колебаний давления также могут быть различными, соответственно вкладу каждого участка в суммарное сопротивление. Частота колебаний обтекаемой поверхности в основном зависит от амплитуды её колебаний и давления в прилегающем пограничном слое и может составлять от сотен Гц до нескольких кГц.

ГОРЕНИЕ  В УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ. Горение - быстропротекающее химическое превращение с выделением большого количества тепла, сопровождается такими физическими процессами, как тепло- и массообмен и подчиняется определенным газодинамическим закономерностям.

Интенсивные акустические колебания могут в известной степени воздействовать на газодинамические характеристики (напр., турбулентные) потока; поэтому хотя они и не в состоянии изменять сам процесс химического превращения, однако могут влиять на сопровождающие его явления и тем самым - на режим горения. В значительной мере воздействие акустических колебаний на горящий факел объясняется ускорением тепломассообмена в ультразвуковом поле. Оно имеет место как при при гомогенном горении, когда горючее и окислитель находятся в газовой фазе, так и при гетерогенном, когда используется жидкое или твердое топливо. В зависимости от вида топлива, от газодинамических характеристик потока горючей смеси, от типа горения, от интенсивности и частоты звука воздействие это проявляется по-разному. При некоторых условиях можно получить положительные эффекты, например, изменить форму факела, повысить градиенты температур в зоне горения и тем самым увеличить теплоотдачу от факела к тепловоспринимающим поверхностям, до некоторой степени увеличить скорость горения. В других случаях (например, при горении предварительно подготовленной смеси) акустических колебания влияют отрицательно, увеличивая протяженность факела. Влияние акустического поля на процесс горения имеет место практически во всем диапазоне чисел Рейнольдса, характеризующих поток горючей смеси, начиная с ламинарного режима и кончая режимами развитой турбулентности. При ламинарном горении механизм воздействия акустических колебаний связан с появлением акустических течений у среза газового сопла и увеличением потока окислителя к корню факела. Акустическими течениями объясняется также изменение пределов существования стабильного пламени (увеличение вероятности наступления режима проскока пламени внутрь горелки). При турбулентных режимах горения влияние акустических колебаний проявляется в изменении гидродинамической устойчивости струи горючей смеси. В зависимости от частоты звуковое поле может либо способствовать более интенсивному вихреобразованию, а следовательно, и процессу развития турбулентности, либо задержать этот процесс. По имеющимся данным, наиболее сильное воздействие наблюдается на частотах, близких к собственной частоте струи.

Воздействие акустических колебаний на газодинамические характеристики потока горючей смеси интенсифицирует процессы тепломассообмена, что в свою очередь влияет и на сам процесс горения. Для разных типов горения он идет по-разному.

Турбулентное горение в УЗ поле газообразного топлива при диффузионном режиме (когда смешение топлива с окислителем осуществляется непосредственно в пламени и скорость горения ограничивается процессом смешивания) интенсифицируется благодаря ускорению диффузии окислителя в зону горения. Это обусловлено изменением масштаба и интенсивности турбулентности в этой зоне при воздействии колебаний. При этом уменьшается длина факела, ускоряется выгорание в объеме топочной камеры, растет температура. Одновременно интенсивные акустические колебания, увеличивая отдачу факела, ухудшают условия воспламенения, поэтому для предотвращения срыва горения необходимо обеспечить хорошую стабилизацию пламени.

При горении в УЗ поле жидкого топлива воздействие акустических колебаний сводится к ускорению испарения капель под влиянием акустических микропотоков, возникающих около них. При горении твердых частиц подобные микропотоки способствуют подводу окислителя к реагирующей поверхности. Диффузия к поверхности частицы в этом случае увеличивается пропорционально амплитуде колебательной скорости частиц и падает с частотой.

ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ  ПРОЦЕССЫ. Процессы электрохимического осаждения металлов, используемые в технике для нанесения металлических покрытий, могут интенсифицироваться под действием ультразвука. При прохождении постоянного тока через электролит на катоде выделяются атомы металла, которые образуются в результате присоединения электронов к ионам электролита. Эффективность этого процесса характеризуют т.н. выходом металла по току, т.е. отношением фактически выделенного на катоде вещества к теоретически возможному по закону Фарадея. В обычных условиях выход металла по току с увеличением плотности тока резко падает. Это обусловлено, во-первых, тем, что при прохождении тока концентрация ионов в электролите становится неравномерной и вблизи катода он обедняется, т.е. число ионов металла уменьшается. Во-вторых, на катоде выделяется водород, ионы которого вместе с гидроксильными группами содержатся в водном растворе электролита; при этом прикатодное пространство обогащается газовой фазой. В результате процессы электроосаждения идут при значительном перенапряжении на катоде (т.е. повышается необходимый для проведения процесса потенциал катода), это и обуславливает уменьшение выхода металла по току и увеличение длительности электролиза. Наконец, процесс электролиза затрудняется из-за адсорбции на поверхности катода чужеродных молекул, что можно трактовать как уменьшение активной части катода. Выделение водорода на катоде (т.н. поляризация катода), а также наличие посторонних примесей на нем ухудшают качество покрытия (делают его пористым), уменьшают степень адгезии покрытия к подложке.

Воздействие ультразвука (УЗ) на кинетику электрохимических процессов при малых интенсивностях обусловлено главным образом возникновением в электролите акустических течений, которые, вызывая перемешивание электролита, способствуют выравниванию концентрации ионов и дегазации электролита в прикатодном слое.

При увеличении интенсивности УЗ и возникновении кавитации эффективность УЗ-вого воздействия на электрохимические процессы возрастает. Находящиеся в порах и трещинах катода зародыши газовой фазы усиленно растут и покидают электролит, т.е. усиливается дегазация; происходит очистка поверхности катода, которая приводит к увеличению его активной поверхности почти в 3 раза; резко усиливаются микромасштабные акустические течения, а с ними и процессы перемешивания. Все это способствует интенсификации процесса электроосаждения: ускоряется растворение металла анода, ослабляется истощение электролита вблизи катода. Под действием УЗ снижается потенциал выделения водорода, и, следовательно, процесс дегазации электролита идет при меньших напряжениях. В результате действия этих факторов заметно увеличивается выход металла по току, улучшается структура (металл становится мелкозернистым, блестящим) увеличивается микротвердость. Покрытие получается равномернее и толще в несколько раз, улучшается его адгезия к подложке. Однако при больших интенсивностях УЗ и сильно развитой кавитации возможна кавитационная эрозия покрытия.

ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ  ОБЪЕКТЫ. При воздействии УЗ на биологические объекты частицы среды совершают интенсивные колебательные движения с большими ускорениями; при этом на расстояниях, равных половине длины звуковой волны, в облучаемой среде могут возникать разности давлений от нескольких единиц до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия на структуру биологических объектов приводят к различным биологическим эффектам, физическая природа которых связана с действием сопутствующих распространению УЗ в среде факторов: механического, теплового, а также физико-химического.

В зависимости от интенсивности и длительности облучения УЗ оказывает различное механическое воздействие на биологические объекты. Так, при малых интенсивностях (до 2-3 Вт/см2 на частотах порядка 105-106 Гц) колебания частиц биологической среды производят своеобразный микромассаж тканевых элементов, способствующий лучшему обмену веществ. Для организма человека и животных такое воздействие улучшает снабжение тканей кровью и лимфой. Повышение интенсивности УЗ колебаний может привести к возникновению в биологических средах кавитации, а следовательно, и к механическому разрушению клеток и тканей; кавитационными зародышами при этом служат всегда имеющиеся в биологических объектах газовые пузырьки.

При распространении УЗ в биологических средах происходит его поглощение и преобразование в акустической энергии в тепловую. Образование тепла происходит не равномерно по всей толщине тканей, а проявляется наиболее заметно на границах сред с различными волновыми сопротивлениями. Локальный нагрев тканей на доли или единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности биологических объектов, т.к. процессам обмена веществ свойственна сильная температурная зависимость. Однако значительное повышение интенсивности УЗ и увеличение длительности его воздействия могут привести к чрезмерному нагреву биологических структур и к их разрушению (УЗ хирургические операции).

Причиной изменений, возникающих в биологических объектах под действием УЗ могут быть также вторичные эффекты физико-химического характера. Так, благодаря образованию акустических потоков происходит энергичное перемешивание внутриклеточных микроструктур. Кавитация в среде приводит к разрыву молекулярных связей. Напр., молекулы воды распадаются на свободные радикалы ОН и Н, что является первопричиной окисляющего действия УЗ. Подобным образом происходит расщепление под действием УЗ высокомолекулярных соединений в биологических объектах, напр., крахмала, нуклеиновых кислот, белковых веществ. Имеются данные, что УЗ вызывает изменение рН воспаленных тканей в щелочную или кислую сторону в зависимости от его интенсивности и продолжительности воздействия. Изменение рН воспаленных тканей в щелочную сторону вызывает резкое уменьшение воспалительных явлений и боли. УЗ может повышать проницаемость клеточных оболочек и ускорять процессы обмена веществ путем диффузии, что важно при его терапевтическом применении.

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДЕГАЗАЦИЯ  РАСТВОРОВ - уменьшение содержания газа в жидкости, находящегося в ней как в растворенном состоянии, так и в виде пузырьков под действием акустических колебаний УЗ диапазона. В докавитационном режиме скорость изменения концентрации газа пропорциональна интенсивности звука. При наличии кавитации скорость изменения концентрации газа также пропорциональна интенсивности звука, но растет с увеличением последней быстрее, чем в докавитационном режиме, т.е. кавитация способствует ускорению выделения газа из жидкости. Лишь при очень высоких уровнях интенсивности звука может реализоваться режим колебаний кавитационных пузырьков, при котором дальнейший рост интенсивности вызывает уменьшение скорости дегазации.

 

ТЕПЛОМАССООБМЕН  В УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ - процесс изменения температурных и концентрационных полей в газообразной или жидкой среде вследствие изменения гидродинамических характеристик среды под действием интенсивных акустических колебаний.  Механизм воздействия в основном связан с появлением акустических течений, обусловленных поглощением УЗ энергии в среде (эккартовы потоки) и в пограничном слое у поверхности твёрдых тел (релеевские потоки в стоячей волне, микропотоки у препятствий), а также движением колеблющихся излучающих поверхностей. Преимущество акустических потоков перед обычными гидродинамическими - в малой толщине пограничного слоя и в возможности его утоньшения путём увеличения частоты колебаний. Это в свою очередь приводит к уменьшению толщины температурного или концентрационного пограничного слоя и увеличению тем самым градиентов температуры или концентрации, определяющих скорость переноса массы или тепла. В газах тепломассообмен в УЗ поле имеет место при горении в УЗ поле, в процессах УЗ сушки, при химико-технологических процессах, протекающих в жидкой фазе. В жидкостях тепломассообмен в УЗ поле способствует ускорению процессов смешения, перегонки или диффузии (экстракция, пропитка, сорбция, кристаллизация, растворение, УЗ дегазация).

 

ХИМИЧЕСКОЕ  ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА - изменение скорости протекания химических реакций в УЗ поле или возникновение химических реакций, обусловленных действием ультразвука. К 1-й группе эффектов, характеризующихся изменением скорости реакции, относятся: ускорение гидролиза диметилсульфата, восстановление платинохлористоводородной кислоты с образованием каталитически высокоактивной металлической платины, разложение диазосоединений с образованием соответствующих ароматических углеводородов, ускорение эмульсионной полимеризации стирола, метакрилата и др. непредельных соединений, ускорение некоторых каталитических реакций и т.д. Это ускорение обусловлено действием различных физико-химических эффектов, связанных с УЗ дегазацией, диспергированием, эмульгированием, локальным нагреванием и др. Ко 2-й группе группе относятся все эффекты возникновения химических реакций под действием УЗ, которые в большинстве случаев наблюдаются лишь после возникновения в жидкости кавитации. Звукохимические превращения наблюдаются при интенсивности УЗ от долей Вт/см2 до десятков или сотен Вт/см2 на частотах от 1 кГц до нескольких мГц. Химические реакции в жидкости при распространении УЗ можно подразделить на 4 типа: 1) окислительно-восстановительные, протекающие в жидкой фазе между растворёнными веществами и продуктами расщепления внутри кавитационного пузырька молекул растворителя (воды) и газов. 2) реакции между растворёнными газами, водой и веществами в высокой упругостью пара, находящегося внутри кавитационного пузырька. 3) цепные реакции в растворе, инициируемые радикалами, появившимися в результате расщепления вещества в кавитационной полости. 4) звукохимическая реакция в участием макромолекул. Реакции этого типа могут инициироваться УЗ и в отсутствии кавитации, в случае механической деструкции первоначально присутствующих в системе молекул полимеров: под действием звукового поля  происходит механический разрыв макромолекул, а полученные макрорадикалы способны инициировать полимеризацию.