Фокусирование звуковых и ультрозвуковых волн - Каневский И.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Во всех случаях, когда изменяются параметры при постоянной мощности, необходимо обеспечить постоянство давления в центре фокального пятна, тогда каїк коэффициент усиления давления может быть переменной величиной. Наиболее эффективный способ увеличения производительности состоит в уменьшении угла раскрытия волнового фронта. При облучении сильно поглощающих сред іможет возникнуть необходимость для повышения производительности увеличивать длину волны и уменьшать фокусное расстояние.
Такие же результаты получаются для цилиндрических волновых фронтов.
Сравним теперь производительности равновеликих сферического и цилиндрического излучателей одинаковой мощности, работающих в оптимальном режиме (оптимальны параметры концентрации давления) и облучающих одинаковые среды. Для этого выразим производительность обоих излучателей через площадь излучающей поверхности S, которую фиксируем. Тогда для цилиндрического излучателя
а для осесимметричного излучателя
п 16,1 ./«'2?/C<c>\ ....
причем ? = IfA,. На рис. 7.2 приведены зависимости WA2Sb-1 (сплошные линии) и Tl0S-4* (прерывистые) от 1! / (р} при различных углах раскрытия волновых фронтов ат и 9т, равных 30° и 60°, и при коэффициентах поглощения ? = 0,2; 0,02 и 0,002. Из рисунка следует, что при малых коэффициентах усиления, тогда /fpK)<3t производительность цилиндрических излучателей возрастает быстрее, чем осесимметричных. При этом рост производительности тем больший, чем меньше коэффи-
§7 21 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ 223
циент поглощения. При больших коэффициентах усиления, когда ХрХ)> 3, производительность осесимметричных излучателей с ростом /СрН) падает медленнее, чем цилиндрических. Если К{р)>109 то производительность осесимметричных излучателей выше, чем цилиндрических, при
Рис. 7.2.
всех рассмотренных значениях ?. С увеличением ©т величина П(к) для цилиндрических излучателей падает сильнее, чем для осесимметричных. Цилиндрические концентраторы ультразвука целесообразно применять для облучения .сред с «малыми ^ и рк> когда Kp мало — порядка нескольких единиц. При больших «j и рм /когда необходимы высокие/Ср*\ надо применять осесимметрич-ные концентраторы ультразвука.
7.2.3« Производительность плоских фронтов. Мы установили, ЧТО ДЛЯ увеличения ПрОИЗТЮДИТеЛЬНОСТИ (МОЖНО уменьшать угол раскрытия .волнового фронта а>т, причем при отсутствии диссипации энергии © среде П(*)-*-оо цри ©m->ioo. Это означает, «что при идеальных условиях максимальная производительность достигается при использовании излучателей, создающих плос-
224
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФРОНТОВ [П 7
кие волновые фронты. Производительность таких излучателей определяется при помощи формулы (6), в которой величяша
=-(2T)-1In(Z18SQ 1J. (13)
Из выражений (6)"и (15) полу^и'м
Hn = W1SPTQ)-1In(ASQ !). (1G)
Из условия dUjdS = 0 определим значение S, при котором Пп максимально:
S = Q(eIK)-{^ 0,37QZ1T1. (17)
Из (5) и (16) видно, чго при этом Z0 = CZ1, г е производительноеіь плоскою in Iy1MKViH максимальна, когда интенсивность у ею поверхносіп в е раз выше критической. Вводя в формулу (J5) параметр (7), представим ее в виде
2тПп = -5с1пХ. (18)
Производительность "плоского излучателя обращается в нуль вследствие обращения їв нуль критического объема VK = SxK, причем при х==0 величина S = 0, а при % = 1 веллчина хк = 0. Первый случай іне реализуется на практике, так как соответствует отсутствию излучателя. Второй /случай возникает, когда Z0 не превосходит критическое значение. Из (17) следует, что производительность максимальна при %т = е~1 « 0,37, причем при изменении % почти в 4 раза (от 0,16 до 0,62) функция 2тПи уменьшается не более чем на 20%. Следовательно, небольшие изменения интенсивности вблизи оптимальной величины незначительно сказываются на производительности плоского излучателя.
Подставив в (18) % = е-"1, получим максимальную производительность плоского излучателя.
П„гаах= (2т*)-1 « 0,19г1, (19)
которая зависит толыко от т и обратно пропорциональна этой величине. Толщина слоя вещества, в котором протекает технологический процесс при оптимальных условиях, равна хк — 2т"1, а критический объем жидкости Vuuaz = S(2t)-K
$ 7.21 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ 225
7.2.4. Индекс производительности. Для определения эффективности воздействия ультразвука на различные технологические процессы и рационального выбора параметров ультразвуковых излучателей ©ыше были определены производительности плоских и фокусирующих излучателей. Однако величина производительности не полностью характеризует свойства технологических излучателей, так как не позволяет ответить на вопрос, является ли достигнутая эффективность излучателя максимально возможной. Для ответа на этот вопрос целесообразно ввести новую величину — индекс произвол дительности, которая представляет отношение производительности излучателя к максимально возможной производительности при заданных значениях акустической мощности Q и площади излучающей поверхности Se
Как было показано выше, производительность фокусирующих излучателей возрастает по мере уменьшения угла раскрытия волнового фронта и достигает максимальной величины, когда излучающая поверхность становится плоской. Следовательно, для технологических целей наиболее целесообразно приманять плоские ультразвуковые излучатели. Однако это не всегда /представляется возможным. Во-первых, в ряде технологических процессов требуются такие большие интенсивности, которые практически недостижимы при использовании плоских излучателей. Вонвторых, у последних максимальная интенсивность развивается непосредственно на поверхности излучателя, что может вызвать быстрый износ излучателя вследствие кавитационной эрозии. В-третьих, ори воздействии ультразвука на технологические процессы, протекающие в агрессивных средах, при повышенных давлениях, при высоких температурах и в других подобных случаях возникает .необходимость удалить электроакустический преобразователь (пьезоэле-мент или магнитостриктор) от технологического объема. В зависимости от технологического процесса бывает нужно удовлетворить одному или одновременно двум или трем этим требованиям. Тогда целесообразно использовать ультразвуковые фокусирующие излучатели, позволяющие увеличить интенсивность © технологическом объеме, получить максимальную интенсивность вдали от излучающей поверхности и удалить электро-
