книги из ГПНТБ / Рогов И.А. Физические методы обработки пищевых продуктов

ная, или 5-волна. Характерно отметить, что скорость распро­ странения поперечных волн меньше скорости продольных волн

Lnp ---

— % у Т .

Сп

Ультразвуковые волны распространяются тем прямолиней­ нее, чем меньше длина волны. Эту особенность используют в де­ фектоскопии, фиксируя отраженные от препятствия волны. У края препятствия наблюдается дифракция ультразвуковых волн.Характер прохождения ультразвуковой волны через границу раздела двух сред зависит от свойств этих сред и от угла рас­ пространения волны к поверхности их раздела.

Количество энергии в отраженной ударной волне зависит от свойств сред. Основным свойством, определяющим характер отражения, является волновое сопротивление среды, представ­ ляющее собой произведение скорости звука в данной среде с (см/с) на плотность р (г/см3). Чем меньше разность волнового сопротивления, тем больше энергии передается из одной среды в другую. При нормальном движении волны к границе раздела сред количество энергии Е в отраженной волне без учета потерь определяют по формуле (V—4)

где Ео— энергия падающей волны.

Отношение Е к Е0 — коэффициент отражения. На рис. 219 представлена зависимость коэффициента отражения на границе двух сред от отношения акустических сопротивлений этих сред.

В практике приходится отделять источник ультразвука от облучаемого материала. С этой целью изготовляют различные мембраны. Эффективность пропускания звуковых волн зависит

R

Рис. 219. Зависимость коэффициента отражения R от отношения акустиче­ ских сопоставлений двух сред т.

490

не только от толщины, но и от свойств материала мембраны. Поэтому часто пользуются коэффициентом т, представляющим собой отношение акустических сопротивлений мембраны и ок­ ружающей среды. Совершенно очевидно, что при приближении т к единице пропускание ультразвуковых волн увеличивается:. В табл. 123 приведен коэффициент т для некоторых материалов при условии, что второй средой является вода,

Т а;б л и ц а ,123

При прохождении ультразвуковой волны через границу раз­ дела двух сред под углом 6г возникает преломление волн, при­ чем угол преломления 02 можно найти из соотношения

sinOj с1

(V-6)

sin02 с2

Предельный угол падения находят из условия, что полное внутреннее отражение волны наблюдается, если 02^> 90°,

Для границ раздела жидкость — твердое тело угол падения около 15° является предельным, т. е. если угол падения будет больше 15°, то передачи энергии в другую среду не произойдет.

Распространение ультразвуковых волн в среде сопровожда­ ется потерями на рассеивание [6], которые внешне проявляются в повышении температуры среды (табл. 124).

П р м м е ч а н и е . П р о д у к т ы о б р аб аты вал и у л ь т р а зв у к о м .

491

Как видно из табл. 124 действие ультразвука избирательное (селективное). Неоднородность в строении мышечных волокон ведет к различному поглощению звука отдельными элементами, т. е. наблюдается анизотропия затухания звука. Ультразвуко­

фициента поглощения обнаружены при ультразвуковой обработке ряда органических и био­ логических жидкостей. Считается, что эти отклонения вызыва­ ются объемной вязкостью, являющейся функцией изменения объема в местах сжатия и расширения жидкости. При этом ха­ рактер молекулярного поглощения энергии зависит от продол­ жительности восстановления равновесия молекулярных процес­ сов за один полупериод колебания. Исключение составляет кост­ ная ткань, которая в диапазоне частот 500 кГц — 2 МГц не дает отклонений от классической теории [107]. В этом случае необ­ ходимо учитывать, что приведенные сведения относятся к «чис­ той» костной ткани без надкостницы, коэффициент поглощения которой отличается на целый порядок.

Коэффициент поглощения и глубина проникновения — для

некоторых животных тканей при частоте 1 МГц приведены в табл. 125.

492

1 П ри ч асто те 800 к Г ц .

Коэффициент поглощения зависит от частоты ультразвуково­ го поля (рис. 221), он линейно возрастает с увеличением час­ тоты независимо от вида ткани.

При ультразвуковом облучении суспензий коэффициент погло­ щения линейно возрастает с увеличением концентрации. Кроме того, он зависит от диаметра частиц суспензии (рис. 221, б). Характерно, что наиболее резкое затухание колебаний наблю­ дается в области размерных классов частиц 1—10 мкм. Анизот­ ропия поглощения ультразвука особенно сильно проявляется у тканей, состоящих из чередующихся слоев с различными свойст­ вами (шкура, жировые прослойки и др.). В этом случае характер

493

затухания акустической энергии зависит от направления ультра­ звука — вдоль или поперек слоев.

Для молока частотная зависимость коэффициента поглоще­ ния также носит положительный характер (рис. 222), при этом наблюдается зависимость его от температуры и содержания жира

Для воды формула (V—10) имеет следующий вид:

где / — частота, МГц; 0 — высокочастотное напряжение, кВ.

Ультразвуковые волны создают в среде переменное звуковое давле-

Для расчета параметров ультразвукового поля необходимы сведе­ ния, характеризующие свойства сред (табл. 126).

494

Т а б л и ц а 126

КАВИТАЦИЯ

При определенных условиях в поле ультразвукового излучения возникает кавитация, т. е. разрыв сплошности жидкости, сопровождаемый образованием мельчайших пузырьков, наполненных па­ ром и газами, содержащимися в жидкости.

При захлопывании кавитационных пузырьков возникают ударные волны с большой амплитудой давления. Эти механические усилия яв­ ляются причиной разрушительного действия ультразвука.

495

Рэлей, идеализируя картину развития кавитационного пузырька (считая, что жидкость несжимаема, в ней отсутствуют газы, а ее вязко­ стью можно пренебречь), показал, что максимальное давление в жидкости на расстоянии г = 1,587 R от центра пузырька будет

Кавитационные полости образуются при определенной интенсивно­ сти звука, так, минимальная интенсивность звука, при котором возника­ ет кавитация в водопроводной воде, составляет 0,16—2 Вт/см3 при часто­ те 15 кГц, что является кавитационным порогом [6, 44].

Большое влияние на возникновение и течение кавитации оказывает вязкость жидкостей. С увеличением вязкости условия возникновения ка­ витации затрудняются.

Значительную роль в возникновении и развитии кавитации играют зародышевые центры, представляющие собой микропузырьки газов и па­ ров, а также мельчайшие взвеси неоднородных включений в жидкости. Кроме того, появлению зародышей способствует воздействие на жидкость космических лучей, нейтронов и др.

Наличие таких зародышей уменьшает прочность жидкости, значи­ тельно снижая необходимое усилие разрыва сплошности. Так, известно, что предельно чистые жидкости, из которых, кроме того, эвакуирован газ, не подвержены кавитации.

Наиболее интенсивно кавитация развивается на границе раздела сред с различными удельными акустическими сопротивлениями. Так, граница раздела между водой и воздухом вследствие очень большой разницы в волновых сопротивлениях представляет собой практически непреодоли­ мую преграду для ультразвука. При этом волны отражаются в противо­ фазе, что приводит к возникновению растягивающих усилий, которые

ивызывают интенсивную кавитацию.

Сувеличением температуры жидкости уменьшается необходимый порог звукового давления, достаточного для возникновения кавитации.

Однако эта зависимость не носит линейного характера [39], что связано с уменьшением вязкости.

Соотношение между вязкостью т; жидкости и давлением рс имеет следующий вид:

Прочность жидкости на разрыв зависит только от гидростатического давления р0 столба жидкости, если вязкость будет приближаться к зна­ чению 0,00013 Па-с. Следовательно, амплитуда давления ра, при кото­ рой начинается образование кавитации, понижается при уменьшении вязкости, так как

496

Продолжительность захлопывания пустого пузырька t (с) можно оп­ ределить по уравнению

в зависимости от продолжительности его существования. Из рис. 223 видно, что в начальный момент под действием приложенных сил пузырек плавно увеличивает­ ся, а затем резко захлопывается.

Большинство кавитационных полостей захло­ пывается в течение одного полупериода ультра­ звуковой волны, это дает возможность сравни­ тельно легко определить продолжительность их «жизни». Розенбергу и его сотрудникам удалось установить, что в жидкостях содержатся кавита­ ционные пузырьки, существующие сотни перио-

Расчетным путем доказано, что в условиях резонанса возникающие давления могут превышать гидростатическое в 150 000 раз. Поскольку захлопывание пузырька происходит в минимальное время, процесс сжа­ тия следует считать адиабатическим, что должно привести к резкому скачку температуры в газовой фазе пузырька. С достаточной степенью точности температуру в газовой полости можно вычислить из уравнения

cv

При определенных условиях локальная температура при сжатии пу­ зырька может достигать 2000° К.-

Возникновение и развитие кавитации сопровождаются электрически­ ми процессами в кавитационном пузырьке.

Согласно теории Я. И. Френкеля [88], кавитационная полость в мо­ мент своего возникновения имеет чечевнцеобразную форму, которая в дальнейшем переходит в шарообразную. По Френкелю, в начальный момент противоположные стенки полости обладают разноименными за­ рядами, что приводит к образованию электрического поля, аналогичного полю конденсатора. При этом напряженность поля

Е = , ■ (V—19)

497

Напряженность поля может достигать 400—600 В/см. Если учесть, ■что в этот момент расстояние между стенками полости невелико, а давле­ ние паров мало, то может возникнуть электрический пробой, что приведет к излучению в ультрафиолетовой части спектра. По-видимому, это явля­ ется одной из важнейших причин химического действия ультразвука. Явление электрического пробоя сопровождается свечением (люминесцен­ цией) жидкости.

ИСТОЧНИКИ УЛЬТРАЗВУКА

В качестве источников ультразвуковых колеба­ ний используют аэродинамические, механические, гидродинами­ ческие, электромагнитные, электродинамические, магнитострикционные и пьезоэлектрические излучатели. Выбор источника

са. На рис. 224 приведены примерные диапазоны частот различ­ ных источников ультразвука. Как видно из графика, минималь­ ными частотами обладают механические, электромагнитные и электродинамические преобразователи. Наибольшую частоту удается достичь при использовании пьезоэлектрических источ­ ников (> 106 Гц).

498

Для работы в газовых средах распространение получили аэродинамические преобразователи (рис. 225). Принцип работы такого преобразователя следующий: сжатый воздух, поступаю­ щий через ниппель, попадает в сопло с резонатором, которые помещены в камеру вторичного резонатора, расположенную в центре экспоненциального рупора. В камере вторичного резона­

да политронами, основывается на разделении струи жидкости на ряд плоских струй, получающих дополнительное ускорение. В результате такого разложения основной струи возникают пе­ риодические импульсы давления. Рабочая часть аппарата (см. рис. 226) представляет собой концентрические чередующиеся неподвижный St и подвижный R роторы с щелями. Как видно из приведенной схемы, рассечение струи и ее ускорение приво­ дит к образованию импульсов давления. Частота импульсов за­ висит от числа подвижных роторов и неподвижных статоров, количества щелей и числа оборотов и может достигать килогерц. Практически политроны создают частоты порядка 100—2000 кГц.

Генератор предназначен для непосредственной установки в реакторе. Эти устройства можно применять также и для обра­ ботки жидкостей газами, при этом процесс проходит чрезвычай­ но интенсивно при большой поверхности контакта между фаза­

499