Новейшие решения в УЗ-технике для очистки деталей. Теоретические основы.

В современном технически развитом мире, существует большое множество различного промышленного оборудования. В этой статье мы опишем, чем ультразвуковое оборудование для очистки деталей, предлагаемое ООО «Технический центр «Виндэк» стоит на несколько шагов впереди аналогичной по назначению техники.
Инженеры и технологи, рассматривающие возможность применения ультразвукового оборудования у себя на производстве для достижения требуемого результата, должны обладать не элементарными знаниями физики (акустики) работы оборудования, а обязаны более глубоко разбираться в технически характеризующих особенностях их выбора. Ведь правильно выбранная технология, а именно правильно выбранное оборудование для воплощения поставленной задачи, является залогом технически грамотного и экономически выгодного решения на производстве в целом. К большому сожалению знания, которые были получены в технических ВУЗах 30-10 лет назад, и даже знания, получаемые современными студентами, не позволяют без специального изучения дисциплины полностью разобраться в технических особенностях промышленного ультразвука.
ООО «Технический центр «Виндэк», как и Правительство РФ держащее курс на создание мощного конкурентно способного Государства с развитой экономикой, ставит перед собой цели направленные на укрепления технико-экономического потенциала предприятий РФ. Задачи, стоящие перед нашей компанией, с учетом специфики, ориентированы на обновление технической базы промышленного оборудования предприятий РФ и стран ближнего зарубежья. Установка нового оборудования часто не решает полностью задачу, так как требуется грамотная и своевременная техническая и технологическая поддержка высококвалифицированными специалистами в той или иной области применения оборудования. Поэтому мы считаем своей обязанностью, описать ключевые положения, необходимые для правильного технически грамотного применения ультразвукового промышленного оборудования, а при совместной работе давать полные консультации.

Для этого мы сконцентрируем Ваше внимание на некоторых ключевых понятиях.

1) Ультразвуковая волна.
Ультразвук— колебания и волны в упругих средах с частотой превышающей верхнюю границу слышимого звука (18000 Гц). По своей природе ультразвуковые волны не отличаются от звуковых, а так же инфразвуковых волн имеющих частоту ниже нижней границы слышимого звука. Акустические волны способны распространяться в средах, состоящих из упругого вещества. Упругость обеспечивает возвращение в исходное положение частиц среды, смещенных под воздействием каких-либо внешних сил.
В акустической волне происходит перенос энергии без переноса вещества.
Ультразвуковая волна распространяясь в воде, подчиняется законам геометрической оптики.

2) Ультразвуковое поле.

Пространство, заполненное веществом, в котором распространятся акустическая волна, называется акустическим полем.
Акустическое поле характеризуется переменным звуковым давлением в каждой точке и интенсивностью распространения волны.

p=ρc Aω=νm

амплитуда- А
акустическое сопротивление – ρc (характеризует рассеяние энергии волны в акустическом поле)
циклическая частота колебаний – ω
переменное акустическое давление – P
амплитуда колебательной скорости частиц — νm
Решением ряда задач, связанных с практическим применением ультразвука, без знания характеристик акустического поля, т.е. распределения в пространстве звукового давления или интенсивности — невозможно.

I= p2/2ρc

Распределение интенсивности ультразвука в поперечном к оси сечении неоднородно и зависит от расстояния до излучателя. Следует отметить, что распределение интенсивности в плоскостях, перпендикулярных к направлению распределения ультразвуковых волн, будет меняться в зависимости от расстояния до излучателя, однако характер этого распределения сохранится, по крайней мере, на расстояниях, сравнимых с диаметром излучающей поверхности (см. рисунок).
Хочется добавить, что далеко не все разработчики ультразвукового оборудования учитывают особенности распределения интенсивностей в поле и это может быть одной из причин не эффективности оборудования в той или иной технологической задаче.

3) Интенсивность ультразвукового излучения.
«I»-величина, численно равная энергии W, переносимой волной в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную распространению волны.

I=W/St (Вт/м2)

В зависимости от условий задачи и режима воздействия ультразвук бывает либо максимальный в облучаемом объеме (Space Pear – SP), либо усредненный по пространству(Space Average-SA) интенсивностью.
Интенсивностью, усредненной по пространству «Isa», называют величину, измеряемую отношением всей энергии переносимой за единицу времени через площадку, перпендикулярную распространению волны, по всей поверхности этой площадки.
Очевидно, что на разных участках площадки интенсивность ультразвука может быть не одинаковой. В центре плоских пьезокерамических излучателей интенсивность значительно выше, чем на краях излучателя, и в 3-4 раза выше, чем усредненная по пространству Isa. Как правило, многими Отечественными производителями ультразвукового промышленного оборудования при употреблении I берется за значение Isa – это является умышленным завышением характеристики оборудования.

4) Затухание ультразвука.

Распределяясь в среде, ультразвуковые волны затухают, и их интенсивность, а следовательно, и амплитуда колебания частиц среды уменьшается с увеличением расстояния от источника. Затухание обусловлено поглощением звука средой, т.е. переходом звуковой энергии в другие виды энергии (тепловую и т.д.), рассеянием звука на неоднородностях среды, в результате чего уменьшается поток энергии в первоначальном направлении распространения волны, а так же расхождением звукового луча по мере удаления от источника.

 A=A0e-αx I=I0 e-2αx

А и I –амплитуда и интенсивность на удалении от источника X
A0 и I0 – амплитуда и интенсивность вблизи источника
е- число Непера (е=2,72)
α-коэффициент поглощения
В жидкостях коэффициент поглощения α= 2ηf2/3ρc3
η- вязкость жидкости
5) Отражение ультразвука.
Ультразвуковые волны, как и любые другие волны, при падении на границу раздела двух сред с разными акустическими свойствами частично отражаются, а частично преломляются и переходят в другую среду. Доля энергии волн, перешедшей из одной среды в другую, зависит от соотношения между акустическими сопротивлениями этих сред.
 r=Iотр/Iпад =(I- ρ1c1/ρ2c2) / (I ρ1c1/ρ2c2) – формула Рэлея

r — коэффициент отражения акустических волн
ρ1c1 и ρ2c2 – акустическое сопротивление 1 и 2 сред

Из формулы Рэлея следует, что чем больше различаются между собой акустические сопротивления, тем меньше доля энергии, переносимой волной через границу раздела.
Интенсивность ультразвуковой волны, перешедшей из воды в воздух, составляет всего 0,1% интенсивности волны, падающей на поверхность воды, а 99,9% отразиться от границы вода-воздух.
Если ультразвуковая волна отражается от поверхности, перпендикулярной к направлению её распространения, то падающая и отраженные волны накладываются друг на друга. В случаях, когда между излучателем и отражающей поверхностью укладывается целое число полуволн, в среде возникает так называемая стоячая волна.

6) Акустические течения — регулярные течения среды в звуковом поле большой интенсивности.

7) Ультразвуковая кавитация – возникновение в жидкости, облучаемой ультразвуком, пульсирующих и захлопывающихся пузырьков, возникающих из-за наличия в жидкостях микропузырьков газа, пылинок гидрофобных частиц и т.д. , заполненных паром, газом или их смесью.
Кавитационные пузырьки в распространяющейся в жидкости ультразвуковой волне возникают и расширяются во время полупериодов разряжения и сжимаются после перехода в область повышенного давления. В результате этого происходит захлопывание пузырька, вследствие чего в жидкости порождаются мощные импульсные давления и ударные волны.
Кавитация в жидкости сопровождается различными явлениями:
• характерным шумом.
• ускорением одних химических реакций и инициированием других.
• интенсивными микропотоками и ударными волнами, способными перемешивать слои жидкости и разрушать поверхности граничащих с кавитирующей жидкостью твердых тел.
• ультразвуковым свечением.
Вследствие концентрирования энергии в очень малых объемах ультразвук может вызвать такие явления, как разрыв химических связей макромолекул, эрозию поверхностей твердых тел.

 Захлопывание кавитационого пузырька.

 Кавитационный пузырек.

 Акустические течения, зоны возникновения кавитационных пузырьков.

Порогом кавитации называется интенсивность ультразвука, ниже которой не наблюдается кавитационные явления. Для водных растворов пороги кавитации возрастают с увеличением частоты ультразвука и уменьшением времени воздействия. Так же порог кавитации повышается при уменьшении объема жидкости, так как чем меньше объем, тем меньше в нем зародышей кавитации.