Физическая сущность ультразвуковой обработки

Ультразвуковой метод обработки является методом механического воздействия на материал. Ультразвуковым он называется так как частота ударов соответствует диапазону неслышимых звуков, f составляет от 16 до 10⁵ кГц.

Передача энергии осуществляется механическими колебаниями, которые могут распространяться только в упругой среде в отличие от электромагнитных колебаний. Длина звуковой волны λ = υ / f, где υ - скорость распространения волны; f - частота волны. При распространении звуковой волны в упругой среде материальные частицы совершают упругие колебания около своих положений равновесия с колебательной скоростью (y). Сгущение и разряжение среды в продольной волне характеризуется избыточным, так называемым звуковым давлением (p). Для плоской звуковой волны взаимосвязь между давлением и колебанием определяется акустическим законом Ома: p/y = γυ = R _a, где: γ - плотность среды, г/м³; υ - скорость распространения волны; R _a - акустическое сопротивление.

Скорость распространения звуковой волны зависит от плотности среды, в которой движется волна: υ = S/γ, здесь S - модуль продольной упругости (модуль Юнга). Из формулы следует, что скорость звуковой волны тем больше, чем жестче и легче материал среды.

Преимущества ультразвуковой обработки: возможность получения акустической энергии различными техническими приемами; широта диапазона технологического применения ультразвука от размерной обработки до получения неразъемных соединений (сварка, пайка и т.д.); простоту эксплуатации и автоматизации промышленных установок.

Недостатки ультразвуковой обработки: повышенная стоимость акустической энергии; необходимость изготовления специальных установок и аппаратов для генерации ультразвуковых колебаний, их передачи и распределения.

Ультразвуковые колебания сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть использованы как базовые для разработки различных процессов.

Кавитация - нарушение сплошности жидкости, возникающее при давлении ниже некоторого критического значения. При этом происходит процесс образования полостей и пузырьков в ультразвуковом поле во время фазы растяжения, имеющейся в переменном звуковом давлении. Эти полости и пузырьки аннигилируют (схлопываются) во время фазы сжатия. В зоне схлопывания кавитационного пузырька возникают большие местные мгновенные давления, достигающие значений 10⁷-10⁸ Н/м².

Поглощение ультразвуковых колебаний веществом - необратимый процесс, в котором часть энергии превращается в тепловую энергию, другая же часть расходуется на изменение структуры вещества. Поглощение возникает вследствие взаимного трения частиц, зависит от свойств вещества и пропорционально квадрату частоты. Поверхностное трение возникает вследствие движения частиц у граничной поверхности, разделяющей различные среды.

Разделение молекул и частиц различной массы в негомогенных суспензиях в звуковом поле зависит от состава суспензий и частоты поля.

Коагуляция образование из мелкодиспергированных частиц (дыма, пыли) значительно более крупных частиц. Движение частиц при наличии между ними сил притяжения приводит к соударению, а затем к их объединению и укрупнению.

Дегазация жидкостей или расплавов с помощью ультразвуковых колебаний происходит вследствие вытеснения газовых пузырьков, которые приходят в движение, объединяются в пузырьки больших размеров и всплывают.

Диспергирование является эффектом, противоположным коагуляции, и заключается в мелком дроблении вещества и перемешивании его с другими.