Рис 2.1.Струкхурная схема ультразвукового технологического аппарата.

Если на поверхности рабочего инструмента средняя интенсивность ультразвуковых колебаний составляет 3 ... 10 вт/см, то и в друтих точках обрабатываемого объема интенсивность УЗ колебаний должна быть достаточной для обеспечения кавитащюнньп процессов.

При распространении ультразвуковых ко.яебаний в различньп жидких средах происходят необратимые потери Э11фгии, обусловленные внутренним трением. Для жидких сред (с ч£1Стности, для воды), .характеризуемых в обычных безкавитационных условиях очень низким коэффициентом затухания (коэффициент поглодения ультразвуковьп колебаний в воде, обусловленный всеми действугощими факторами, не превышает 40 м") [ 2 ], Расчет " уменьшения интенсивность ультразвуковых колебаний в жидкостях показьгоает, что интенсивность в воде уменьшиться в 2 раза на расстоянии 90 км от поверхности рабочего инструмента колебательной системы.

По этой причине затуханием ультразвуковых колебаний малой интеисивности. при их распространении вдо.ть акусгической оси рабочего инструмента в обычньп условиях пренебрегают и продольный размер объема акустического аппарата может выбираться без учета фактора затухания УЗ колебаний.

Сле.!ет учитывать, что при распространении УЗ ко.лебаний от излучающей поверхности, в обрабатьтаемой среде возникает распределенное в пространстве поле звуковых давлений. При этом в crpvinype поля, создаваемого гармоническим голучателем различают три области: дальнее ультразвуковое поле; область расстояний, сравнимых с размерами излyшющeй поверхности и длиной волны; область ближнего поля. -

Сравнимость геометрических размеров излучающего рабочего элемента и объема технологического аппарата с длиной УЗ колебаний в среде обуславливает ряд интерференционных явлений в среде.

Ультразвуковое поле в области расстояний, сравнимьп с длиной волны характеризуется рядом максимумов и минимутиов, расположенных иа различных расстояниях от излучающей поверхности. Количество интерференционньп максимумов и минимумов уменьшается с уменьшением диаметра излучающей поверхности. Если диаметр излучающей поверхности становится меньше половины длины волны УЗ колебаний, то неоднородность поля исчезает и излучатель ведет себя как сферический излучатель нулевого порядка.

Ближнее поле излучения также характеризуется рядом максимумов (рис. 2,2.), которые пропадают при диаметре излучающей поверхности, меньшей половины длины волны X.

Из приведенного графика сле;, что, с точки зрения обеспечения равномерности излучения, оптимальный диаметр излучающей поверхности должен определяться из условия 2па/Х = 1.,.3. С учетом того, что длина волны ультразвуковьп колебаний на рабочей частоте технологических аппаратов, равной 22 кГц, соответствует 6,8 см, оптимальный диаметр излучающей поверхности рабочего инструмента ультразвуковой колебательной системы должен быть выбран в пределах от 1 до 3 см.

При выполнении этого условия обеспечивается отсутствие интерференционных максимулюв и минимумов и излучение вдоль поверхности рабочего инструмента является практически равномерным и плавно уменьшается к краям излучающей поверхности.

Отражения от стенок и верхнего уровня жидкости могут быть учтены при малых интенсивностях УЗ колебаний при отсутствии развитой кавитации и мопщьп гидродинамических потоков.

Жидкость с развитой кавитационной областью по своим свойствам (плотности, сжимаемости и др.) существенно отличается от

Рис 2. 2. Зависимость распределения интенсивности колебаний вдоль диаметра а изл>чающей поверхности рабочего элемента: кривая 1 соответствует InaJk =0,5; 2 - InsUk - 2; 3 - 2па/к = 4; 4 - 2%aJX =10

Рассеяние и отражение УЗ волн от изменяющейся в пространстве и времени кавитационной области приводит к усреднению акустического поля, интерференционная картина сглаживается и поле приобретает ярко вьфаженный мелкомасштабный диффузионный характер.

Сле.!ет отметить еще одну особенность а1стических свойств жидкостей с развитой в них кавитацией. Вбледсгвие несимметричного характера колебаний кавнтационного пузьфька в УЗ поле волновое сопротивление жидкости будет характеризоваться сутцесгвенной нелинейностью и это еще более изменит и сгладит интерференционную картину в кавитирующей жидкости.

По мере увеличения интенсивности УЗ колебаний происходит увеличение коэффициента поглощения за счет затрат энергии на УЗ колебаний на образование и поддержание кавитации. Для развитой кавитационной области поглощение увеличивается настолько, что интенсивность УЗ колебаний уменьшается в существенно на расстояниях, равных нескольким диаметрам излучающей поверхности. Отсюда следует, что увеличение продольного размера рабочего объема акустического

аппарата до размеров, превосходящих десять диаметров HSJrnaiOffl

поверхности, нецелесообразно.

Таким образом, из анализа распределения аьустического поля УЗ колебаний в жидкости с развитой кавитацией следует, что диаметр излучающей поверхности рабочего инструмента должен иметь диаметр в пределах от 1 до 3 см, а продольный размер рабочего объема акустического аппарата не должен превышать 10 ... 30 см.

Поскольку рабочий инструмент ультразвуковой колебательной системы вьшолняется обычно в виде диска необходимого диаметра и имеег две противолежапще излучающие поверхности (т.е. одновременно излучает УЗ колебания в сторону дна рабочего объема и свободной поверхности жидкости в объеме) оптиматьньш будет погружение рабочего инструмента в обрабатьшаемую среду на глубину, близкую к половине продольного размера рабочего объема.

Выбор необходимого многофункционального УЗ технологического аппарата определяется потребителями исходя из необходи\юсти решения ряда конкрстньпх задач в определенных условиях и наличия вполне определенных возможностей. Поэтому перейдем к обоснойанию необходимого ряда многофункциональньпх УЗ технологических аппаратов, способных удовлетворить потребности современных пользователей.

Начнем это обоснование с классификации возможных потребителей, т.е. с распределения УЗ технологических аппаратов по возможным областям применения.

1. Индивщальный потребитель, использующий многофункциональный УЗ аппарат в домашних условиях для приготовления настоев, экстрактов, растворения лекарственных и пищевых веществ т .п.. Такому потребителю необходим простой, удобный в эксптуатации малогабаритный аппарат низкой стоимости, способный обеспечить обработку различных жидких веществ в стандартных бытовых емкостях (стакан, чашка, стеклянная баночка) объемом от 50 до 200 мл. Обработка веществ осуществляется при непосредственном наблюдении за происходящими процессами и потребитель поддерживает оптимальный режим воздействия путем ручной регулировки.

2. Индивидуальный потребитель, использующий многофуныщональный УЗ технологический аппарат в домашнем Хозяйстве для приготовления лекарственных препаратов и продуктов питания на нескольких человек (семья), обработки семян перед посадкой, •ятия накипи с домашней посуды, вьшолнения отверстий в хрупких

жидкости в обычных условиях. Распределение кавитационных зародышей и пузьфьков в жидкости случайно и имеет место их размножение вокруг захлопывающегося пузьфька. На границах раздела кавитационная область - жидкость происходит рассеяние и отражение УЗ волн.

твердых материалах типа стекла, керамических плиток, мойки ювелирных изделий и выполнения других рассматриваемьп далее операции. Потребности такого пользователя могут быть удовлетворены УЗ технологическим аппаратом с рабочим объемом для одновременной обработки от 100 до 300 мл веществ. Этот аппарат также должен характеризоваться высокой, эффективностью реализуемых процессов и низкой стоимостью.

Создание и введение в состав такого УЗ аппарата специального технологического объема емкостью до 300 мл нецелесообразно из-за удорожания аппарата и наличия большого числа пригодных бытовых емкостей (стаканов, банок и т.п.), имеющих необходимый объем. В таком аппарате желательно применение таймера, позволяющего устанавливать необходимое время реализуемого процесса и выключать аппарат после завершения его эксплуатации. Применение таймера позволяет использовать многофункциональный УЗ аппарат без постоянного визуального наблюдения за его функционированием, в том числе, исключается подстройка аппарата в процессе работы. Происходящие при этом изменения температуры колебательной системы, обрабатываемого вещества, изменения физических свойств веществ, а также многие другие факторы приводят к отклонению режимов работы УЗ аппарата от оптимальньп. В связи с этим, УЗ аппарат должен иметь систему автоматической стабилизации режима воздействия на оптимальном уровне.

3. Малое предприятие, мелкосерийное аптечное производство, лабораторные исследования, индивидуальный потребитель в домашнем и сельском хозяйстве нунедаются в УЗ многофункщюнальном технологическом аппарате, способном реализовать не только перечисленные вьппе, но и многие другие функции, в специализированном технологическом объеме емкостью от 300 до 1000 мл. Этот аппарат должен характеризоваться высокой надежностью и обеспечивать длительную эксплуатацию. Для удобства эксплуатации аппарат должен комплектоваться встроенным таймером,

устанавливающим необходимое время проводимых технологических процессов.

Применяемый в этом случае аппарат должен обеспечивать автоматическое поддержание оптимальных режимов работы, а в случае использования его для обработки как жидких так и твердых материалов иметь сменные рабочие инструменты для осуществления различ1х операций.

4. Потребности мелкосерийных производств, фермерских хозяйств и т.п.. могут быть удовлетворены УЗ аппаратом обеспечивающим одиовременнуто обрабоп жидких сред объемом от 500 до 3000 мл. В этом случае аппарат должен обеспечивать высокую ффективность всех рассматриваемых далее технологических процессов при иепрерьгоной эксплуатации в течение рабочего дня.

Приведенная классификация требований потребителей УЗ технологий является одновременно классификацией необходимьп современному потребителю многофункциональных УЗ аппаратов.

Дальнейшее расширение областей использования УЗ многофункциональных аппаратов (например, для крупных, серийных производств) требует значительного увеличения мощностных характеристик, усложнения схемных решений. Применение многофункциональных аппаратов в этих случаях становится не вьнодным.

Если потребитель в крупном серийном производстве использует УЗ технологический аппарат для реализации конкретной технологической задачи (т.е. ускорения конкретного технологического процесса), то его потребности должны удовлетворяться применением специализированного аппарата. Специализация аппаратов позволяет, с одной стороны, обеспечить- максимальную эффективность конкретного реализуемого процесса, устранить нежелательные побочные явления, а с другой стороны, устранить необходимые в многофункциональном аппарате перестраиваемые внутренние и внешние элементы, устранить универсальность колебательных систем и рабочих инструментов. Кроме того, специализации УЗ аппаратов позволяет значительно упростить их конструкцию и снизить стоимость.

Индивидуальный потребитель и малые производства не могут позволить использования нескольких специализированньп аппаратов для решения различных задач и поэтому их потребности должны быть удовлетворены утшверсальными аппаратами, способными реализовать большое число технологических операций.

Поскольку все перечисленные выше УЗ аппараты предназначены для реатизации одних и тех же функций (процессов) в различных объемах и различньп условиях, то очевидно, что они должны обеспечивать одинаковую эффективность реализуемых с помощью ультразвука процессов.

Для обеспечения одинаковой эффективности те.хнологических процессов в различных объемах необходимо обеспечить приблизительно Рвную объемную плотность энергии ультразвуковых колебаний.