книги из ГПНТБ / Кардашев, Г. А. Тепломассообменные акустические процессы и аппараты

ГЛАВА IX

ИМПУЛЬСНЫЕ и с т о ч н и к и

Большинство рассмотренных преобразователей представ­ ляют собой резонансные системы, которые обеспечивают значительную выходную мощность только в режиме ре­ зонанса. Однако при большой интенсивности излучения в жидкости начинается кавитация, а в газах искажается форма волны; при этом узкополосные излучения преоб­ разуются в широкополосные.

Экспериментальные исследования и теоретический ана­ лиз, проведенные на кафедре физики МИХМа, показали, что для ускорения многих процессов (в том числе, раство­ рения, эмульгирования, диффузии, сушки) в акустически сложных условиях, например, на границе раздела фаз, при сложном составе обрабатываемого материала наиболее эффективно не узкополосное, а широкополосное воздей­ ствие. Показано также, что спектральное распределение гидроакустического излучения зависит от характера и молекулярно-кинетического механизма того или иного процесса. В связи с этим основная задача интенсификации физико-химических процессов с помощью акустического воздействия сводится к выбору или созданию излучателя со спектральной -характеристикой, соответствующей пара­ метрам процесса. Решение этой задачи является новым направлением прикладной акустики. Основу физической теории широкополосных гидроакустических излучателей составляют преобразования Фурье и принцип суперпо­ зиции, на основании которых можно условно подразде­ лить все излучатели на периодические и апериодические.

ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ

Совокупность резонансных элементов, настроенных на разные частоты собственных колебаний, можно рас­ сматривать как периодический широкополосный излуча­ тель. Например, наборы одновременно возбуждаемых: различных резонансных стержней или пластин в гидро­ динамическом свистке, различных щелей в сиренах,

гребных винтов с различным числом оборотов и геоме­ трическими размерами, электродинамических излучате­ лей, магнитострикциоиных или пьезоэлектрических эле­ ментов — представляют собой системы, способные излу­ чать упругие волны одновременно на многих частотах. Таким свойством обладают также другие аэро- и гидро­ механические системы, которые имеют множество резо­ нансных элементов в конструкции или в которых осуще­

/ 4 = h p i

і=I

Умножив это выражение на удельную акустическую проводимость среды, получим суммарную эффективную интенсивность звука

Выражения (90) и (91) справедливы для всех излуча­ телей, составленных из некогерентных резонаторов.

162

Идея синтеза широко­ полосных акустических колебаний осуществлена в конструкции пористого излучателя х. Излучатель (рис. 86) представляет со­ бой капиллярнопористое тело из материала (напри­ мер, феррит, титанат ба­ рия), способного изменять свои геометрические раз­ меры под внешним воздей­ ствием. От распределения капилляров и пор по гео­ метрическим размерам за­ висит спектральный состав или спектральная харак­ теристика излучения.Мож­ но считать, что пористый излучатель составлен из отдельных резонаторов Гельмгольца,заполненных жидкостью и определен­ ным образом связанных между собой. Подобную систему можно рассчитать методом электроакустичес­ ких аналогий (см. гл. I). Такие излучатели можно

Рис. 87. Спектры кавитацион­ ного шума в воде при. различных частотах возбуждения:

ж — при Ѵр = 3300 кгц

возбуждать от широкополосных генераторов электри­

Широкополосное излучение возникает в среде при работе излучателей на одной фиксированной частоте с большой интенсивностью благодаря искажению формы волны конечной амплитуды, а также вследствие кавита­ ции. Любой узкополосный источник при кавитации ста­ новится широкополосным; это видно из рассмотрения спектрограмм (рис. 87) кавитационного шума, сопровож­ дающего интенсивное узкополосное излучение [23, 40, 42].

Кроме периодических движений тел, причиной возник­ новения акустических волн в среде может быть вихреобразование при обтекании тел потоком. Например, при вращении винтов в воздухе и воде создается звук, соот­ ветствующий периодическому движению лопастей (звук вращения), а также вихревой звук или шум сложного спектрального состава, возникающий при обтекании ло­ пастей потоком. Кроме того, в жидкостях шум порож­ дается также турбулентностью потока и гидродинамиче­ ской кавитацией [40].

Колебания пластин в гидродинамических устройствах также образуют спектр частот, в котором максимум излу­ чения приходится на частоту колебаний пластины. Как указывалось, в динамических сиренах частотный состав излучения зависит от формы отверстий; последняя опре­ деляет модуляцию потока воздуха, что обеспечивает большие возможности по созданию излучения заданного спектрального состава. Сирены довольно часто исполь­ зуют [5 ] для получения широкополосных акустических колебаний большой интенсивности в газах.

АПЕРИОДИЧЕСКИЕ ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ИСТОЧНИКИ

Взрывные, электроразрядные, ударные, тепловые и другие импульсные излучатели относятся к апериодиче­ ским широкополосным источникам. Работа апериодиче­ ских излучателей может быть описана с помощью линей­ ных дифференциальных уравнений гиперболического типа, а также метода Фурье. Используя пару преобразований Фурье для давления, можно записать уравнения

•СО

со

164

из которых по теореме энергий получается интегральное

Разделив обе части этого выражения на удельное

Левая часть уравнения представляет собой энергию звукового импульса, отнесенную к единице площади, а правая — энергию, приходящуюся на единичный диа-

Рис. 88. Акусти­ ческие характерис­ тики подводных взрывов:

а — импульсы дав­ ления; б — спектры импульсов

пазон частот и на единицу площади. Спектральный анализ различных импульсов давления [47] показывает: чем меньше передний фронт импульса, тем больше спектраль­ ный уровень на высоких частотах (рис. 88). Для боль­ шинства импульсов длительностью т высокочастотную границу спектра или граничную частоту определяют величиной порядка 1/т, а .спектральную функцию ампли­ туд рассчитывают по интегралу Фурье

+ Т / 2

S(v)= f р(т)ехр(— /сот)dx. -iß

Исследования, проведенные с таким типом апериоди­ ческого излучателя, как электрический разряд в жидкости, показали, что он позволяет создать в среде импульсы давления с крутым передним фронтом длительностью от долей до сотен микросекунд [44].

Открытие, исследование и разнообразные применения электрических разрядов связаны с работами многих иссле­

165

дователей: от Ван-Марума (1786 г.) до Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко, Г. И. Покровского и К. П. Станю­ ковича, Ф. Фрюнгеля [61], Л. А. Юткина [69], И. А. Ро­ гова, К. А. Наугольных и Н. А. Роя [44], авторов данной книги и многих других.

В электрогидроакустическом источнике первая стадия электрического разряда — пробой жидкости или электрон­ ный удар — приводит к тому, что жидкость выходит из равновесного состояния и в ней возникают упругие силы, стремящиеся восстановить это равновесие. Энергия упругих сил освобождается в процессе колебаний, кото­ рые распространяются в виде волн. Весь дальнейший процесс аналогичен явлениям, происходящим при под­ водных взрывах [44, 47, 61 ].

Сначала непосредственно вблизи от канала искры амплитуда первичного возмущения жидкости очень ве­ лика; поэтому возникает ударная волна которая значи­ тельно отличается от обычных звуковых волн. Ударная волна характеризуется разрывным возрастанием давления до большого значения перед фронтом, который продви­ гается со скоростью, превышающей обычную скорость звука.

Давление в ударной волне, возникающей при электри­ ческом разряде, очень быстро падает за ударным фрон­ том. По истечении времени, за которое фронт ударной волны распространяется на расстояние порядка 10 ра­ диусов первоначального канала, ударная волна вырож­ дается и становится возмущением, практически не зави­ сящим от характера движения воды и газов в разрядной области. В следующие моменты времени давление в газо­ вой полости (пузыре) все еще остается большим, и при­ легающие к ней слои жидкости отбрасываются от полости с очень большой скоростью, достигающей 90% скорости звука. Вследствие инерции жидкости это движение про­ должается и после того, как давление в пузыре газа ста­ новится пренебрежимо малым. При расширении газового пузыря давление в нем падает и в конце концов становится намного меньше нормального гидростатического давле­ ния в окружающей жидкости. Далее избыток внешнего давления останавливает расширение пузыря; это проис­ ходит не раньше момента, когда радиус пузыря R 0 ста­ нет в несколько десятков раз больше начального радиуса канала разряда. После этого начинается сжатие, опять, вследствие инерции жидкости, пузырь или сильно сжи-

166

мается, или совсем захлопывается, и на его месте обра­ зуется область сильного сжатия газа или жидкости.

Затем начинается второй цикл упругих колебаний. Жидкость отбрасывается из области высокого давления, где снова расширяется; при этом может образоваться газовый пузырь.

По мере рассеяния энергии колебания быстро затухают, несколько раз повторяя процесс расширения и сжатия со все убывающей амплитудой. Период таких колебаний по порядку величины в тысячи раз больше длительности импульса давления, возникающего в некоторой точке водной среды при прохождении фронта ударной волны. При каждом сжатии в водную среду посылается новая волна давления — так называемые вторичные импульсы, которые во много раз слабее первичной ударной волны. Поскольку вторичные импульсы по длительности во много раз больше первого, то они могут обладать энергией, хотя и меньшей, но сравнимой по величине с энергией первого импульса.

Из полной работы, совершаемой газом при первона­ чальном расширении полости, около 40—50% преобра­ зуется в кинетическую энергию колебаний газового пу­ зыря и окружающей воды. Часть этой энергии превра­ щается в тепло, а часть излучается в виде звуковой энер­ гии вторичных импульсов. Остающиеся 60—50% началь­ ной энергии на новой стадии процесса превращаются в энергию ударной волны и внутреннюю энергию. Дисси­ пативные процессы, происходящие во фронте ударной волны, особенно интенсивны на ранних стадиях процесса, когда ударная волна пройдет расстояние порядка 10— 20 R q. После этого рассеяние энергии идет значительно медленнее, но пренебречь им нельзя.

Зависимость давления на фронте ударной волны от крутизны фронта импульса энергии при электрическом разряде в жидкости определена А. С. Зингерманом. При расчете экспоненциальная форма импульса была за­ менена косоугольной и использована формула С. И. Драбкиной. Экспериментальное изучение явления захлопы­ вания сферической полости, образованной искрой в воде, было проведено Р. Мелленом. Максимальный радиус полости по Меллену может быть оценен из выражения

167

где Э — полная энергия газа в полости; Рсо— постоянное давление «на бесконечности» (внутри

полости давление равно нулю).

Захлопывание полости вызывает волну давления, ко­ торая распространяется в виде звукового импульса. Акустическая энергия этого импульса обычно мала, • но в некоторых симметричных системах может быть сравнима с полной энергией.

Поле давлений, возникающее при электрическом раз­ ряде в жидкости, было исследовано Т. В. Баженовой и Р. И. Солоухиным. Приближенно зависимость макси­ мального давления на фронте ударной волны от электри­

гУ 1,15 1п7 — 0,5

здесь г — расстояние от искрового канала до фронта ударной волны;

г = г/г0 (где г0 — радиус канала).

Э \ 1/3

r0 = ß

Ро<о )

где ß — безразмерная постоянная; Э — выделяющаяся энергия;

ро— плотность среды и скорость звука в полости. Энергию . положительной фазы волны давления на заданном расстоянии от искрового промежутка из гидро­

динамических соображений определяют выражением

9(r) = j ; \ p 2dT-,

делены Н. А. Роем, Д. П. Фроловым. Так как импульсы давления в большинстве случаев имеют экспоненциальную форму вида р = ртехр (—ал) [где а — коэффициент

168

затухания волны], то в соответствии с уравнением (92) находим, что акустический спектр электрического разряда

в жидкости является широкополосным гидроакустическим источником. .

Процесс формирования разряда связан как с электри­ ческими параметрами разрядной цепи, так и с геометрией и электрическими свойствами рабочего разрядника. Ра­ бочий разрядник является самой ответственной, но и наи­ более ненадежной частью искрового гидроакустического аппарата. Поэтому были предприняты попытки заменить электроды разрядника самой жидкостью. К подобным «безэлектродным» излучателям относятся прерыватели Венельта и Байлитиса—Фрюнгеля [61].- Работа этих излучателей основана на пробое проводящей жидкости в отверстиях в диэлектрике, помещенном между двумя электродами (например, в диске с отверстиями). Пробой жидкости в отверстии сопровождается ее мгновенным испарением, повышением температуры образовавшегося газа и повышением давления до высоких значений. Это, в свою очередь, приводит к излучению импульса давления в жидкость. Максимальная мощность подоб­ ного излучателя 30 квт при разряде конденсатора ем­ костью 0,2 мкф и напряжении 6—8 кв при времени раз­ ряда 10—1000 мксек.

Рассматривая импульсные источники звука в воздухе, В. Вебер [5] предложил, а затем показал эксперимен­ тально, что электрическая искра, удар пули и другие аналогичные воздействия эквивалентны внезапному рез­ кому повышению температуры в некотором сферическом объеме воздуха. Возникающее при этом избыточное дав­ ление спадает по "экспоненциальному закону

где с — скорость звука; г — радиус сферы;

рт— избыточное давление в начальный момент.

169