7 Ультразвуковая технология
1. 1 Природа и свойства УЗ Ультразвук периодические механические упругие колебания с частотой, превышающей верхнюю границу слышимости человеческого уха. Слышимые звуки от 16 до 16∙ 103 Гц, УЗ колебания от 16∙ 103 до 1010 Гц. Для технических целей используют УЗ колебания от 16 до 1600 к. Гц.
Среда распространения УЗ газы, жидкости и твердые тела. Периодически изменяющее свои размеры тело создает в окружающей его среде периодические процессы сжатия и разряжения, вызывающие колебания частиц среды около положения равновесия.
Звуковые волны – это чередующиеся процессы сжатия и разряжения в среде, распространяющиеся во все стороны. Различают три основных типа волн: продольные, поперечные, поверхностные. Если изменение объема тела во времени происходит по гармоническому закону, то и вызываемые им УЗ колебания будут
В этом случае смещение частицы в момент времени (1) амплитуда смещения, м. Скорость распространения волны (2) длина волны, м частота, Гц
Поверхность, проведенная через частицы, совершающие колебания в одной фазе, называется волновой поверхностью. Ультразвуковое поле - пространство, в котором распространяются УЗ волны. УЗ поле характеризуется: Ø колебательной скоростью частиц, Ø их ускорением, Ø давлением, распространяющимся в среде, Ø интенсивностью и др. параметрами.
Скорость колеблющейся частицы (3) Максимальное значение скорости (4) Ускорение частицы (5)
Максимальное значение ускорения (6) Давление (Н/м 2), создаваемое УЗ колебаниями в среде с плотностью (кг/м 3) и скоростью ультразвука (м/с) (7) Амплитуда давления удельное акустическое сопротивление среды, характеризующее акустические свойства данной среды.
Интенсивностью или силой УЗ колебаний называют мощность, приходящуюся на единицу поверхности площадки, перпендикулярной направлению распространения звуковых колебаний. Для синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука (8)
Если вся УЗ энергия проходит окружающую источник колебания поверхность S (м 2), то мощность акустических колебаний (9) Среда поглощает часть энергии колебаний, которая переходит в тепловую энергию, а также расходуется на изменение структуры вещества.
Больше всего энергии звуковых волн поглощается в газах, меньше в жидкостях и еще меньше в твердых телах, в частности в металлах, кристаллах кварца и др. При этом поглощение всегда растет с увеличением частоты колебаний. Интенсивность и характер проявления эффектов ультразвука зависят от частоты и интенсивности колебаний, а также от свойств самих сред.
1. 2. Действия и характерные проявления УЗ колебаний Эффекты ультразвуковых колебаний проявляются в действиях: - механических, - акустических, - термических, - биологических.
Механическое действие Механические проявления бывают в разнообразных формах вследствие появления в газообразных и жидких средах переменного давления и переменного потока, кавитации и поверхностного трения. В технологических процессах используют, главным образом, механические проявления ультразвука при высокой его интенсивности (более 103 Вт/м 2).
Акустическое действие Акустические проявления состоят в том, что ультразвук распространяется, частично или полностью поглощается, отражается (на границах раздела фаз) в соответствии с законами акустики. Эти свойства ультразвука используют в измерительной технике и дефектоскопии, применяя слабые интенсивности колебаний (10 2… 102 Вт/м 2).
Термическое действие Термические проявления — это следствие поверхностного трения в граничных поверхностях и поглощения ультразвуковых колебаний в средах. Среда, в которой происходит распространение колебаний, поглощает часть энергии колебаний, которая переходит в тепловую и нагревает среду, а также расходуется на изменение структуры вещества.
Биологическое действие Биологические эффекты связаны с изменениями в протекании биологических процессов в клетках организмов, возникающими под действием ультразвуковых колебаний. При высокой интенсивности ультразвука это может привести к необратимым повреждениям и даже отмиранию тканей.
1. 3. Характерные явления в средах. Кавитация Это процесс образования полостей и пузырьков в ультразвуковом поле жидкости во время фазы разряжения и их захлопывания во время фазы сжатия, сопровождающейся возникновением местных больших мгновенных давлений, приводящих к механическим разрушениям поверхности твердого тела вблизи мест захлопывания.
Интенсивность кавитационных явлений зависит главным образом от интенсивности ультразвука, температуры среды, внешнего давления, свойств среды и других факторов. Значения интенсивности ультразвука, при которой возникает кавитация, в зависимости от частоты УЗ колебаний: Частота, к. Гц 20 Интенсивность 1 УЗ, Вт/см 2 200 10 500 200 3000 50 000
Диспергирование заключается в мелком дроблении вещества и перемешивании его с другими. Под действием ультразвука между взвешенными твердыми частицами и колеблющимися частицами жидкости возникают силы трения, которые также могут оказаться достаточными для размельчения твердых частиц.
Диспергирование при помощи УЗ колебаний позволяет получить устойчивые эмульсии. Металлы и другие вещества могут быть диспергированы в жидкостях или расплавах. На этом явлении основаны многие технологические процессы ультразвуковая пайка, ультразвуковая очистка, обработка твердых хрупких материалов и др.
Разделение частиц в неоднородных суспензиях возможно на основании того, что в УЗ поле переменное движение частиц, обладающих неодинаковой массой, различно и зависит от частоты колебательного процесса. С увеличением частоты колеблются только наиболее мелкие частицы, а относительно крупные совершают движения по сложным траекториям.
Коагуляция заключается в образовании из мелких частиц более крупных. Под воздействием ультразвука и гидродинамических сил притяжения частицы соударяются и укрупняются, а затем осаждаются. Это явление используют при очистке дымовых газов. Вследствие поглощения ультразвука частицами коагуляция проводится на низких частотах.
Дегазация состоит в укрупнении мелких пузырьков газа, которые образуются под действием кавитации и вследствие колебания и движения сталкиваются, объединяются и образуют пузырьки больших размеров, которые всплывают.
Звуковое давление представляет собой чередование сжатий и разряжений, причем амплитуда сжатия равна амплитуде разряжения. На препятствие, находящееся в поле звуковой волны, звуковое давление действует таким образом, что создает на поверхности этого препятствия силу, меняющую свой знак в соответствии с частотой колебаний звуковой волны.
Радиационное давление существует наряду со звуковым и выражается в том, что поверхность препятствия испытывает постоянное по силе и знаку давление, стремящееся сдвинуть это препятствие по направлению распространения волны.
Звуковой ветер представляет собой постоянное движение частиц среды в виде постоянного потока в направлении распространения волны. Это перемещение проявляется в виде сильных течений, приводящих к интенсивному перемешиванию жидкостей под действием ультразвуков.
Фонтанирование жидкости возникает на поверхности жидкости под действием звукового ветра при определенных интенсивностях ультразвука. С увеличением интенсивности УЗ колебаний увеличивается число одновременно вырывающихся с поверхности капель и они сливаются в один общий фонтан.
2. УСТРОЙСТВО УЗ УСТАНОВОК Концентратор Источник питания УЗГ Преобразователь Рабочий инструмент 2. 1. Основные элементы УЗ установок
Источники питания (ультразвуковые генераторы) это устройства, предназначенные для преобразования электрической энергии переменного тока промышленной частоты в энергию тока высокой частоты, равной частоте ультразвука.
УЗ генераторы: машинные, ламповые и полупроводниковые (транзисторные и тиристорные). Принципиальные электрические схемы УЗ генераторов подобны схемам ВЧ установок для индукционного и диэлектрического нагрева. Ультразвуковые преобразователи более просты. В них применяют независимое возбуждение. Если в качестве преобразователя используют магнитострикционный, то создают цепочку для тока подмагничивания.
Генераторы с независимым возбуждением многокаскадны. Генератор малой мощности с самовозбуждением вырабатывает электрические колебания ультразвуковой частоты, обеспечивая заданную форму тока и напряжения. Последующие каскады усиливают сигнал до необходимой мощности. Основное преимущество таких схем возможность широкого и плавного регулирования частоты.
Преобразователи источники ультразвуковых волн могут быть механическими и электроакустическими. Механические (свистки, сирены и др. ) преобразуют скорость и давление потока газа или жидкости в ультразвуковые колебания. Они просты по устройству, надежны, однако мощность и частота колебаний низки. Более распространены электроакустические преобразователи на основе магнитострикционного и пьезоэлектрического эффектов.
Акустические трансформаторы волноводы и концентраторы служат для ввода ультразвуковых колебаний в ту зону, где обрабатывают материал, а также для согласования параметров преобразователя с нагрузкой.
2. 2. Принципы генерирования УЗ 1. Пьезоэлектрические преобразователи Работа основана на использовании обратного пьезоэлектрического эффекта, и состоит в том, что при внесении кристаллов некоторых материалов в переменное электрическое поле так, чтобы силовые линии совпадали с пьезометрической осью кристалла, последний будет сжиматься или растягиваться, т. е. изменит свои геометрические размеры.
ΔL ΔL
В качестве пьезоэлектрических материалов используют кварц, титанат цирконат свинца, титанат бария. С увеличением температуры эффект ослабевает и при 573 о. С исчезает. Пьезоэлектрические преобразователи чаще всего имеют форму стержней или пластинок. Они работают в узком диапазоне частот вблизи резонанса их механической системы.
Пакетный пьезокерамический преобразователь 1 пьезокерамические пластины; 2 и 4 отражающая и излучающая накладки; 3 токоподвод; 5 стягивающий болт;
Оптимальная частота преобразователя, Гц, К постоянная излучателя, равная для кварца, сегнетовой соли и титаната бария соответственно 2280, 1540 и 2200 Гц∙м; d толщина пьезопластинки, м.
Интенсивность ультразвуковых колебаний, Вт/м 2, Кп коэффициент, учитывающий свойства пьезоэлектрического излучателя, равный для кварца, сегнетовой соли и титаната бария соответственно 1, 44∙ 10 8, 5, 4∙ 10 6 и 1, 44∙ 10 4 Вт∙Н∙с3/(В 2 ∙м 5); U напряжение возбуждения, В; ρc акустическое сопротивление среды, Н∙с/м 3.
Мощность, потребляемая излучателем для возбуждения акустических колебаний, Вт, где S площадь поверхности, излучающая акустические колебания, м 2; ηa электро акустический КПД, равный для излучателей из кварца 0, 6. . . 0, 8, из титаната бария 0, 5. . . 0, 7.
Мощность пьезокерамических преобразователей ограничена значениями допустимой напряженности электрического поля и механической прочности. Напряжение питания 50. . . 400 В для пьезокерамики и 2. . . 20 к. В для кварца, интенсивность ультразвука 100 к. Вт/м 2, КПД 40. . . 70 %, рабочие частоты 40. . . 16 000 к. Гц.
2. Магнитострикционные преобразователи Прямой магнитострикционный эффект изменение размеров (деформация ферромагнетика) при изменении окружающего магнитного поля положен в основу работы магнитострикционных преобразователей, или магнитострикторов. Выполняют их в виде замкнутых двух и многостержневых магнитопроводов из пластин никеля, железа, кобальта или сплавов пермендюр и альфер.
L L ~U ~U ΔL ΔL Относительное удлинение ΔL/L=10 5… 10 6
Мощность магнитострикционных преобразователей выше, чем пьезоэлектрических, но они более инерционные. Чаще их используют на частоте 18… 100 к. Гц при напряжении питания 200… 400 В.
2 ≈ ≈ 3 3 11 ≈ ≈ 4 5 Для увеличения степени удлинения преобразователя помимо обмотки возбуждения (2) выполняют обмотку подмагничивания (1), благодаря которой рабочая точка кривой ΔL (Н) смещается на участок наибольшего изменения длины преобразователя ΔL.
Для ферромагнетиков отношение для ферритов В технике чаще используют альфер (железоалюминиевые сплавы Ю 10, Ю 12, Ю 14) и пермендюр (железокобальтовые сплавы У 49 Ф 2 и К 50 Ф 2).
Магнитострикционный преобразователь типа ПСМ
График изменения магнитострикционной деформации без подмагничивания и с подмагничиванием
Расчет магнитострикционного преобразователя 1. Выбирают удельную излучающую мощность в зависимости от материала, Вт/м 2: для никеля 50∙ 104 , альфера (30. . . 35)∙ 104, пермендюра (70. . . 75)∙ 104. 2. В зависимости от вида технологического процесса по рекомендуемой интенсивности I ультразвука определяют частоту f, с 1, и амплитуду B, м, колебаний: где za акустическое сопротивление передающей среды, Па∙с/м.
3. Находят мощность, подводимую к преобразователю, Вт, где Su излучающая поверхность преобразователя, м 2; ηa = 0, 4. . . 0, 8 электроакустический КПД излучателя. 4. Выбирают напряжение Uв питания обмотки возбуждения, которое лежит в пределах 200. . . 400 В.
5. Рассчитывают силу тока обмотки возбуждения, А, где сosφ = 0, 5. . . 0, 7 коэффициент преобразователя. 6. Определяют число витков обмотки мощности где Bc магнитная индукция, которую находят по кривой намагничивания материала в зоне, близкой к насыщению, Тл; Sc площадь поперечного сечения стержня, м 2.
7. Вычисляют силу тока подмагничивания, А, где H 0 напряженность магнитного поля подмагничивания, определяемая по кривой при желаемой амплитуде колебаний и с учетом рекомендаций по выбору рабочей точки (см. рис. ), А/м; lм длина пути магнитного потока, м.
8. Рассчитывают суммарную силу тока в обмотке, А, и площадь сечения провода обмотки, м 2, где jдоп допустимая плотность тока в проводе с учетом условий укладки и охлаждения обмотки преобразователя, А/м 2.
Промышленность выпускает магнитострикционные преобразователи типа ПМС мощностью 0, 4. . . 4 к. Вт при частоте 18. . . 44 к. Гц; типа ПМ мощностью 1, 6. . . 4 к. Вт при частоте 18 к. Гц; типов МЭ, ЦМС и ПП мощностью 63. . . 1600 Вт; ферритовые типов УЗДМ, 2 С 25 и 2 С 44 мощностью 25. . . 630 Вт. Интенсивность ультразвука таких преобразователей достигает сотен к. Вт/м 2, КПД 50. . . 65 %.
Акустические трансформаторы представляют собой стержни разнообразной формы, выбираемой с учетом назначения и нагрузки. Они должны иметь малый коэффициент потерь, высокую прочность, коррозионную кавитационную химическую стойкость. Длину стержня рассчитывают таким образом, чтобы на ней могло "уложиться" целое нечетное число полуволн.
Концентратор представляет собой акустический волновод, служащий для увеличения амплитуды получаемых в преобразователе колебаний. Конструктивно их выполняют в виде стержней с переменной площадью сечения, благодаря чему амплитуда ультразвуковых колебаний усиливается в 10. . . 15 раз.
Формы концентратора экспоненциальная, коническая, ступенчатая. Наиболее эффективный экспоненциальный, но он сложен в расчетах. Поэтому наиболее распространены конические и ступенчатые.
3. ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА Слабые ультразвуковые колебания применяют в измерительной технике и дефектоскопии. Ультразвук может распространяться узким пучком и отражаться от границы раздела фаз, что дает возможность определять толщину заготовок, сред, глубину залегания дефектов (эхолот), измерять толщину сального покрова у свиней и пр.
Скорость распространения УЗ в разных средах неодинакова. Это свойство используют при измерении плотности веществ и его состава (жирности молока, содержания белка и т. д. ). Средние УЗ колебания (удельная мощность 1. . . 12 к. Вт/м 2 ) используют для отпугивания грызунов, профилактики и терапии глаз, лечения костных повреждений, фурункулеза. Выпускают аппараты УРСК 7 Н, УТС 1, ВУТ 1 и др.
Мощные УЗ колебания применяют для очистки и мойки деталей, их пайки, сварки, размерной обработки, интенсификации технологических процессов и др. УЗ пайка и сварка Применяют частоту 18… 23 к. Гц Интенсивность УЗ (0, 25. . 1)106 Вт/м 2.
Ультразвуковой паяльник
УЗ-сварка применима к легко окисляемым металлам и сплавам. Соединяемые изделия прижимают небольшим участком и под действием преобразователя они приводятся в колебательные движения друг относительно друга с частотой ультразвука.
УЗ мойка деталей В основе мойки деталей в УЗ поле лежит явление кавитации, гидродинамический и другие эффекты, благодаря которым, преодолевают силы, удерживающие загрязнения на поверхности. Для очистки детали погружают в ванну с моющей жидкостью, в которой возбуждают УЗ колебания. Трудоемкость снижается в 2… 10 раз, уменьшается расход химикатов, повышается качество.
Для очистки простых по форме деталей применяют частоты 20… 25 к. Гц, сложных и мелких – 200… 1600 к. Гц. Интенсивность УЗ (5… 10)104 Вт/м 2. В среднем для очистки на 1 м 3 жидкости требуется около 10 к. Вт УЗ энергии. Жидкость для очистки: кальцинированная сода, жидкое стекло. Температура раствора 60… 80 0 С. После очистки промывают в холодной воде.
Схемы очистки: Ø мелкие детали – в металлических корзинах
Ø крупные детали – конвейерные установки
УЗ обработка с/х продуктов Ø Пастеризация молока. В основе бактерицидного действия ультразвука лежит механическое воздействие на клетки, вызывающие их раздробление (в зоне кавитации). Ø Гомогенизация молока – раздробление под действием ультразвука жировых шариков. В таком состоянии молоко не отстаивается, лучше усваивается и сохраняется. Применяют в качестве специального детского питания.
Ø Обработка семян. Обработанные семена быстрее прорастают, ускоряется рост, повышается всхожесть и урожайность (редиса и салата увеличивается до 40… 42 %). Применяемая частота 760 к. Гц. Ø Ультразвуковая стерилизация почвы. Уничтожение вредителей с/х растений в почве УЗ полем дешевле, процесс менее трудоемок, чем обработка ядохимикатами, не дает побочных последствий.
Ø В теплицах
Смешивание несмешивающихся жидкостей (приготовление эмульсий, смешивание бензина, нефти, рыбьего жира с водой). Мельчайшие шарики воды (30 %) в нефти мгновенно нагреваются и разрываются, превращаясь в пар. При этом они разбивают нефть на мелкие частицы, которые сгорают быстрее и полнее, а выход токсичных отработавших газов снижается. Аналогично смешивается рыбий жир с водой для выпойки животным и птице
Другие применения ультразвука Ø очистка дымовых газов, основанная на коагуляции твердых частиц в газах; Ø очистка котлов от накипи; Ø сверление и резание твердых материалов; Ø дегазация жидкостей Ø диспергирование – мелкое дробление материалов и перемешивание их с другими