популярно о природе звука

Ультразвуковая чистка

Необходимо отметить, что до сих пор еще не разработана теория взаимодействия ультразвука с веществом. Совершенно не известно, что же происходит с веществом, подверженным облучению интенсивным ультразвуком. Экспериментирование же без теории напоминает блуждание вслепую. Прекрасной иллюстрацией этому служит простейшее применение ультразвука - ультразвуковая чистка.

На заре развития данного метода (конец 40-х - начало 50-х годов XX века) было сконструировано много устройств, генерирующих в растворе ультразвуковые волны с частотой, лежащей в области 500 кГц. Принцип работы таких устройств заключается в том, что маленькие частички, содержащиеся в растворе, ускоренные ультразвуковыми волнами до высоких скоростей, должны выбивать большие частицы грязи, иными словами, смывать грязь, покрывающую предметы, помещенные в раствор. Многие из таких устройств оказались неработоспособными.

В настоящее время возникла идея использовать в работе подобных устройств эффект кавитации. Как оказалось, этот эффект (к сожалению, еще плохо изученный) играет значительную роль почти во всех случаях, связанных с применением ультразвука высокой интенсивности.

Кавитацией называется образование пузырьков, то есть полостей, заполненных газом, в жидкости. С ней хорошо знакомы специалисты, конструирующие винты быстроходных судов. Для них кавитация создает одни лишь неприятности, так как в результате «схлопывания» пузырьков образуются интенсивные ударные волны, которые быстро разрушают металл винта. Однако для инженеров, занимающихся ультразвуком, кавитация обычно является желательным явлением, и они стараются по возможности ее поддерживать.

Ультразвуковые волны, проходя сквозь жидкость, создают области сжатия и разрежения. В последних возникает «отрицательное давление», иными словами, жидкость как бы стремится разорваться на части. Иногда это и происходит - тогда в жидкости образуются полости различных типов. Чаще всего в полости находится воздух, в результате диффузии проникший в нее из окружающей жидкости, где он был растворен. Если же по каким-либо причинам воздух в жидкости отсутствовал (далее мы еще столкнемся с таким случаем), то полость оказывается заполненной парами жидкости.

Однако во всех этих случаях время жизни пузырька  очень  мало. В  самом деле, только что образовавшаяся полость сразу же начинает испытывать давление со стороны ближайших областей сжатия. Воздух или пар, находящийся внутри полости в свою очередь давит на ее стенки изнутри, в конечном счете это и приводит к схлопыванию. В момент схлопывания давление воздуха или пара внутри пузырька может в несколько тысяч раз превышать атмосферное. Когда такая полость лопается, образуются мощные ударные волны. Наполненный газом пузырек может иметь более продолжительное время жизни. Это обусловлено следующими друг за другом процессами сжатия и расширения, вызванными проходящими ультразвуковыми волнами, причем в результате диффузии размеры пузырьков будут расти, пока находящийся в них воздух не поднимет их на поверхность жидкости. Там они мгновенно лопаются.

Мгновенное образование пузырьков из-за разрывов в толще жидкости и столь же внезапное их последующее схлопывание создают специфическое потрескивание. При интенсивной кавитации такой шум становится очень сильным, и мощные промышленные ультразвуковые установки необходимо делать звуконепроницаемыми, хотя они и работают с «неслышным» звуком! С тех пор как ученые поняли важность кавитации, ее начали интенсивно исследовать. В настоящее время известно, что полости чаще всего образуются вокруг мелких примесей в жидкости - крошечных «ядер» растворенного газа или частичек твердого вещества. Поэтому такие «центры» кавитации создают искусственно, добавляя в жидкость крошечные несмачивающиеся частицы или подвергая ее радиоактивному облучению. Облегчая таким образом возникновение кавитации, мы снижаем потребляемую мощность установки и, следовательно, стоимость всего оборудования. Пока еще не существует теоретически обоснованного метода искусственного введения ядер кавитации в жидкость в больших масштабах. Но понимание роли кавитации во многих применениях мощного ультразвука стимулирует различные теоретические исследования в данной области.

Теперь мы можем вернуться к вопросу об ультразвуковой чистке, одному из наиболее распространенных применений ультразвука. Первый патент на ультразвуковую чистку металлических поверхностей был выдан в 1943 году. Металлические изделия, требующие очистки, погружались в жидкость и облучались ультразвуковыми волнами. В современных ультразвуковых очистителях загрязненные предметы подвешиваются в баке, наполненном соответствующим растворителем, и облучают ультразвуком такой частоты и интенсивности, которые обеспечивают максимум кавитации. Ударные волны, возникающие вследствие кавитации, попадают на поверхность предметов и очень эффективно очищают их. Теперь понятно почему первые ультразвуковые очистители, построенные без учета кавитации, были неудачными. Дело в том, что способность акустических волн создавать кавитацию значительно падает с ростом частоты. А в первых установках, как мы уже говорили, рабочая частота была порядка 500 кГц. Сегодня же большинство ультразвуковых очистителей работает на частотах около 20 кГц и меньше (в области, близкой к звуковым частотам).

В настоящее время с помощью ультразвука очищают множество предметов, начиная от крошечных деталей часов и кончая тяжелыми стальными плитами. Растворитель, размер очистительных баков, частота и мощность ультразвуковых волн - все это меняется в зависимости от поставленной задачи. Естественно, дать исчерпывающий список всех изделий, для очистки которых применяется ультразвук, здесь невозможно. Мы ограничимся лишь упоминанием некоторых из них: детали двигателей самолетов и автомобилей, сложные литые штампы, старинные монеты, фаянсовая посуда, веретена для вытягивания синтетических волокон, иглы для подкожного впрыскивания и другие хирургические инструменты, металлические листы, детали часов (или даже целые часовые механизмы), фрукты и овощи.