Голямина И.П. - Ультразвук (маленькая энциклопедия) (1040516), страница 59
Текст из файла (страница 59)
Динамика кавитационных пузырьков, Возникшие в звуковом поле кавитационные полости интенсивно пульсируют, Пульсации полостей могут сопровождаться сильным искажением сферич. формы и даже дроблением пузырьков; пульсируя, пузырьки перемещаются поступательно и иногда сливаются друг с другом. Тем не менее многие важные проявления К.могут быть объяснены на основе простейп>ей модели одиночного сфернческого пувырька. Его эволюция в поле давления, периодически меняющегося со временем, определяется соотношением периода изменения давления Т и периода КАВИТАЦИЯ 159 собственных колебаний пузырьндл т, растущего с увеличением радиуса пузырька и зависящего от амплитуды избыточного давления.
Малые пузырьки, у к-рых т ч Т, соверпгалот вынужденные пульсапии, следуя изменению звукового давления в волне до тех пор, пока его ащ~~(пйй4~а невелика. При увеличении амплитуды пузырек не успевает следовать изменению давления. Быстро расширяясь в течение полупериода растяжения, он, в силу янерции жидкости, не успевает захлопнуться, а лишь несколько уменьшает свой радиус в течение последующего полупериода сжатия (рис. 3), и за хлоп ывание з зз юа Рис. э. 3 сз В/В, пузырька. пульсирующего в звуковом йсле частоты г' = лес кгп, аг безрззмзриога времени юл.
Начальный рздиус пузырьке Вз = Лэ ' см. Цифры около кривых — амплитуда давления р, в зтм. Изменение звукового давления во времени изебрзжеио кз иижкем графике. полости приходится на начало следугошего полупериода растяжения, Т, о., вахлопывание пузырька может происходить с пропуском одного или даже нескольких полупериодов сжатия при достаточно болыпой аиплитуде звукового давления. Степень сжатия пузырька при захлопывании, характеризуемая отношением максимального радиуса пузырька Вю „ к минимальному Ятш, тем больше, чем больше давление в жидкости Р = Рз + р и люньше газосодержание в ндм, характеризуемое давлением (): В ) Р ~7 — 51~ )з(7 — 5) гз.ы здесь у = Ср(СР— отношение тепло- емкостей при постонинолг давлении и объеме. Если пузырек содержит много газа, то после достижения ии минимального радиуса он восстанавливается и совершает несколько цик- лов затухающих колебаний, а если газа мало, то он вахлопызается полностью и первом периоде жизни.
В результате адиабатнч. сжатия гвз и пар (к-рый при болыпих скоростях изменении объема пузмрьна ведет себя как газ) нагреваются до темп-ры — 10лК, чем, по-видимому, и вызывается свечение пузырьков (ззукилюхплкесоенэия) и частичная ионизация содержащегося в нем газа. Максимальное давление Ртз„в пузырьке, соответствующее его минимальному размеру, приближенно выражается ф-лой; Максимальная скорость эахлопывания достигается в окрестности минимального радиуса пуэы ька и может быть весьма)з(одьй(ой даже стать сравнимой со скорбсх~~ з ука в жидкости). Вследствие нот и устойчивости формы пузырьки его захлопывание может происходить несимметричным образом, приводя к образованию кумулятивнд)х струй жидкости, радиус к-рых по йбрд)зку величины характеризуется мйкиммаггьним радиусом пудырька, а скорость близка к скорости захлопывания.
Несимметричность гпроцесса захлопывания может также приводить к распаду пузырька на множество мелких пузырьков, к-рые становятся новыми зародышами К. Степень развития К., характер ео протекания и воздействия могут изменяться при варьировании газосодержания в жидкости, гидрастатич.
давления и т. д., что открывает воаможность управления кавитационныии явлениями. Так, если наряду со энакопеременным звуковым давлениеи в жидкости создать избыточное гидростатич. давление, то можно увеличить интенсивность нек-рых навигационных эффектов (см. Каиитибииккяз зриеил), что и используется в установках УЗ-вой технологии Кавитационные аффекты. В кавитациониой области возникают мощные гидродииамич. воэиущения в виде сильных импульсов сжатия (микро- ударных волн) и микропотоков, порождаемых пульсирующими пузырьками.
Кроме того, эахлопмвание пузырьков сопровождается сильным локальным разогревом вещества, а так- КАВИТАЦИЯ же выделением гава, содержащего атомарную и ионизованную компоненты. В результате этого вещество в кавитацианной области подвергается интенсинным воздействннм, Это проявлнется в разрушении поверхностей твердых тел, находящихся в области К., — в навигационной эрозии. Даже достаточно прочные вещества, такие,как сталь, кварц, разрушаютсн под действием захлопывающихся пузырьков. Зтим пользуются в УЗ-вой технологии для разрухпеиия и диснврзировиния твердых тел. В установках УЗ-вой очистки поверхностей деталей кавитацнонная эрозия обусловливает удаление загрязнений, жестко связанных с поверхностью, типа окалины и т.
п. Для удаления т. н. мнгкнх загрязнений типа жировых пленок основную роль играют микропотоки и пульсирующие пузырьки. Этот же эффект испольауется при интенсификации электролитич. процессов в УЗ-вои поле (см. Воздействие ультризвуки на злвктрахимичвскив процессы). Иэмоняя условия протекания К., можно усиливать или ослаблять различные кавитаг7ьхонные эффекты. Так, с ростом частоты звука увеличивается роль микропотоков и уменьшается кзвитацяонная эрозия. С увеличением гидростатич. давления, напротив, возрастает амплитуда давления в импульсе сжатия.
В установках УЗ-вой очистки первый ив этих режимов применяется в случае обработки мелких хрупких деталей, напр. элементов микроэлектроники, второй — в случае удаления окалины и даже заусенцев с металлич. деталей. Кавитацпонную эрозию используют для оценки интенсивности К.по разрушению тонкой алюминиевой фольги, помещаемой в кавитационную область.
Воздействием на вещество в зоне К, пользуются для получения мелкодисперснмх эмульсий несмешивающихся жидкостей (см. Эмульвиравинив), для возбуждения и ускорения химических реакций (см. Химическое действие ультрезвуке), для уничтожения вредных микроорганивмов, экстрагирования из животных и растительных клеток ферментов и т. д.
К. может сопровождаться химич. и электрич. эффектами, нриэодящими, в частности, к коррозии вещества и электрохимич. явлениям; с другой стороны, имеются данные о влиянихл электрич. тока и магнитного полн на процесс возникновения и развития К, Возникновение К. уменьшает волкавов сопротивление жидкости и, следовательно, сопротивление акустич. нагрузки на УЗ-вой излучателгч что Рне. З. Занкснкасть отношения залпового сопротивления каентнрующей жнлкаатн рс к водноьаку сопротивлению рс чнсзой жнвкости ат напряжения Гг кя излучателе. о и ч в гд ЗЗ ! =7гднрц Ю Юз Частота !, нГЕ Рнс.
З. Спектр кавнгепианнаго шуке, змзеанного волной частоты 17з кгц. ограничивает интенсивность излучения (рис. 4). Образоваяпе К. к криогенных жидкостях на центрах ионизации используется для визуализации треков частиц высоких энергий в УЗ-вых пуаырьковых каиерах. Ахустическое излучение навигации. Прьх захлопывании пузырька возникают сильные вовмущения прилегающих слоев жидкости, распро- р страняющи ее я в виде звуковых волн конечной амплитуды, а при достаточно резком захлопывании даже в виде е слабых удар- рнс, в танке нкпуль- Иых вояк.
Энер- са давления, нздучзеГня излучаемой мого нрн ззхлооивяволиз ! И раст ет н н пУзыРька. с увеличением скорости захлопывания и выражается через энергию пульсации полости Е ф-лой: И' ж 2Еи!с. Максимальное давление в волне сжатия на расстоянии г от пузырька равно: р= — Р „„Втш)г, а характерная длительность импульса сжатия З вЂ” Вш.,н )и (рнс. 5).
каАГуляцин Если степень развития К. такова, что в случайные моменты времени возникает и захлопывается множество пувырьков, та вызванное ими акустич. излучение проявляется в виде сильного шума со сплошным спектром в полосе от нескольких сотен Гц до сотен и тысяч кГц. На фоне сплошного спектра навигационного шума обычно наблюдаются отдельные дискретные субгармонич. компоненты, отражающие частотный спектр поля, вывывающего К. (рис.
6). Их присутствие является характерным признаком К. и используется при экспернмегпальной регистрации ее возникнопения. Лит.: Кар н $ ел ьд м., Упругость и нрочнасть жипкосгсй, М. — Л,, 1951, гл. 5; П е р н и к А. Д., Проблемы кавитзции, 2 изя., Л., 1966; К н з п п Р., Дейки Дж., Хзммит Ф., Нвзитациз, пер. с англ., М., 1974; Б е р г м ан Д., Ультразвук и сга прийенсние в науке и технике, пер. с нем., М., 1956; Мощйыс ультразвуковые поля, М., 1968 (Физика и технике моп1иого ультраззукз, кн. 2); Л е в к а з с к и й Ю. Л., Структура кззнтзциакных течений, Л., 1978. К. А. Наугзльки КОАГУЯЯЦИЯ а к у с т и ч ее к а я — процесс сближении и укрупнения взвешенных в газе или жидкости мелких твердых частиц, жидких капелек и газовых пузырьков пад действием акустич, колебаний звуковых и УЗ-вых частот.
При К. уменыпается дисперсность (оценвлваемая по общей поверхности частиц, отнесенной к единице объема) и число частиц дисперсной системы; в результате коагулнцип происходит осаждение взвешенных в газе (аэрозоли) или жидкости (гпдрозоли) твердых частиц и капелек. Малый размер частиц аэрозоля является причиной их большой подвижности: частицы уч)жтвуют в броуновском движении, увлекаются конвективными и гидродинамич, течениями. При наложении звукового полн возникают дополнительные силы, способствующие Кл взвешенная в газе частица вовлекается в колебательное движение, на неб действует довлвкив звукавага ивлучвкил, вывывая ее дрейф, Оиа уВленается акустическими течениями и т. д.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
