WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

- общая акустическая энергия, вводимая в жидкость объемом V и затраченная: на создание кавитации (); образование мик­ропотоков (); нагревание жидкости (); образование фонтана и распыление жидкости (); химико-акустическая энергия (образо­вания свободных радикалов) (); создание ударных волн (); возникновение шума (); возбуждение сонолюминесценции (); возбуждение хемилюминесценции ().

- суммарная энергия сонолюминесцентного и вторичного, хемилюминесцентного, свечения, которое наблюдается визуально и может регистрироваться фотоэлектронными приборами.

Приведены, сформулированные в НИЦЭБ РАН, требования к датчикам экологической сигнализации (ДЭС) - функциональным и стоимостным аналогам пожарной и охранной сигнализации, определившие выбор уз аппаратуры.

Во второй главе рассмотрены процессы, протекающие в малом объеме проточной водной пробы, при обоснованных и выбранных в главе 1 условиях формирования МПК-зоны, возбуждающей в водной среде с комплексами растворенных веществ доступное регистрации суммарное СЛ-свечение, (рис.2). Дано математическое описание акустического поля “точечного” источника нчУЗ-воздействия (ТИУЗ) (рис.3) – осциллирующей в водной среде мембраны малого диаметра. Выведена формула модуля звукового давления на оси симметрии x:,

где a – радиус ТИУЗ; S = Sр.м = Sр.т = – площадь ТИУЗ; - смещение ТИУЗ; - коэффициент затухания звука в водной среде; = 2, где = 22 кГц - рабочая частота; - плотность; k = /c = 2/ c =92,7 м-1 - волновое число.

Показано, что с увеличением = Ар max будет расти мощность нчУЗ-воздействия и увеличиваться протяженность факела акустического поля, в котором может наблюдаться СЛ-свечение.

“Нормальные условия” формирования акустического поля “точечного” источника нчУЗ-воздействия предполагают выполнение условий: Жвых ; Жвых, а объем сформированной ТИУЗ МПК-зоны V(x,y,z,t) ~ F( Wак, n ; Ар max n).

Рис.3. Формирование в замкнутом водном объеме V(a,b,c) микрофрактальной МПК-зоны ТИУЗ с чисто продольными колебаниями по оси его симметрии х:

A – амплитуда колебаний однополуволнового резонансного УЗХИ;

Аmax - амплитуды колебаний рабочего торца концентратора однополуволнового УЗХИ – (ТИУЗ);

2Аmax – измеряемый размах амплитуды колебаний;

Жвых – выходной диаметр рабочего торца концентратора;

kI – зона “интенсивной кавитации”;

kII – зона “мощного гидродинамического потока кавитационных пузырьков”;

– максимальный диаметр раскрыва зоны “мощного гидродинамического потока кавитационных пузырьков”;

kIII – зона мощного турбулентного перемешивания водной пробы, практически совпадающая с объемом водной пробы V(a,b,c)

Расчетные графики, представленные на рис.4, позволяют, при заданном и заданном уровне мощности нчУЗ-воздействия (n), определить max протяженность факела (max протяженность МПК-зоны - L МПК-зоны n ), где может достоверно наблюдаться суммарное СЛ-свечение. Структура МПК-зоны, оригинальное фотографическое изображение процесса ее формирования, зафиксированное автором, представлена на рис.5.

Совокупность физико-химических и люминесцентных процессов, сопровождающих кавитацию в акустическом поле ТИУЗ, обобщена и систематизирована автором в динамике развития кавитационного процесса, (рис.6).

Рис. 4. Расчетные значения модуля звукового давления на оси симметрии (ось x) “точечного” источника нчУЗ-воздействия на разных уровнях мощности (- порог кавитации), при амплитуде колебаний рабочего торца ТИУ (однополуволнового УЗХИ,= 22 кГц) - = Ар max = 15; 36; 70 мкм: при = Ар max = 15 . 10-6 м, n = 1; при = Ар max = 36 . 10-6 м, n = 4; при = Ар max = 70 . 10-6 м, n = 9.

Рис.5. Структура МПК-зоны в водной среде у колеблющегося рабочего торца однополуволнового УЗХИ – ТИУЗ (;= 22 кГц; Ар=(15 – 70) мкм; Жвых = 2 мм): I - зона “интенсивной кавитации”,сопровождающейся СЛ-свечением; II - зона “мощного гидродинамического потока кавитационных пузырьков”, где наблюдается и регистрируется суммарное СЛ-свечение; I и II - МПК-зона; III – зона турбулентного перемешивания объема водной пробы

Рис. 6. Основные физико-химические процессы, сопровождающие кавитацию, в акустическом поле, формируемом в водной среде с РВ “точечным” источником нчУЗ-воздействия (однополуволновым УЗХИ с Жвых = 2 мм; = 22 кГц) на разных уровнях его энергети-ческого насыщения

Введены понятия фрактальности МПК-зоны и микрофракталов – самоподобных областей с разным энергетическим насыщением, формирующихся в водной среде на разных уровнях мощности нчУЗ-воздействия (n). Представлена математическая модель, описывающая методику вычисления пространственной структуры микрофракталов - объема МПК-зоны на разных уровнях ее энергетического насыщения, где: V(a,b,c) >> VМПК-зоны,n(x,y,z), и формула для его вычисления по доступным измерению параметрам:

VМПК-зоны,n(x,y,z) =+

где L МПК-зоны, n - максимальная протяженность микрофрактала – максимальная длина МПК-зоны на n-ном (n = 1, 2, …. 8, 9) уровне ее энергетического насыщения; Rn = ЖМПК-зоны,n max / 2 - радиус максимального раскрыва МПК-зоны на n-ном уровне ее энергетического насыщения.

Глава третья посвящена построению аппаратуры, обеспечивающей формирование в водной среде микрофрактальной МПК-зоны, стабильно возбуждающей суммарное СЛ-свечение водной среды на разных уровнях мощности нчУЗ-воздействия, исходя из условий, рассмотренных в главе 2. Рассмотрены предложенные автором принципы построения и метод расчета ультразвуковой колебательной системы (УЗКС), генерирующей чисто продольные колебания по оси симметрии стержневой резонансной системы переменного сечения - “точечного” источника нчУЗ-воздействия (ТИУЗ), рис. 7, а).

Рис.7. Схема построения однополуволнового резонансного акустического преобразователь (на основе пьезокерамики) с концентратором амплитуд колебаний сложной формы, (а); эпюра амплитуд колебаний относительно его узловой плоскости О – О, (б) и эквивалентная схема (в) для его расчета: So – эфф. значение площади входного торца концентратора; Sc - эфф. значение площади сечения концентратора в месте сопряжения его входного (экспоненциального, крутого) и выходного (конического) участков; S - заданное значение площади рабочего (выходного) торца концентратора, где амплитуда колебаний достигает своего максимального значения; l – расстояние между свободным торцом нерабочей частотопонижающей накладки и плоскостью симметрии С - С активного элемента; l /4 – длина четвертьволнового участка между свободным торцом нерабочей частотопонижающей накладки и узловой плоскостью О-О преобразователя; l /2 – резонансная длина однополуволнового преобразователя с концентратором сложной формы; l * - расстояние от входного торца концентратора до места сопряжения его входного и выходного участков (определяет крутизну экспоненциального участка концентратора – величину коэффициента усиления).

Для преобразователя из n участков имеется 2(n – 1) условий стыковки и два граничных условия, т.е. 2n условий, которые можно представить в виде однородной системы из 2n алгебраических уравнений вида:

A (klk) C = 0,

(3.1)

где A (klk) – матрица коэффициентов размером 2n х 2n; C = (C1, C2, ……, C2n) – вектор-столбец неизвестных коэффициентов.

Нетривиальное решение системы (3.1) находится из условия:

det A (klk) = 0

(3.2)

При небольшом количестве участков n возможно аналитическое решение определителя det A (lk) = 0, однако даже в этом случае нахождение корней системы полученных трансцендентных уравнений возможно лишь с использованием специальных компьютерных программ (Квашнин,1999).

Чтобы решить задачу нахождения собственных значений для выбранных элементов УЗКС и УЗКС в целом, удобно воспользоваться при выполнении условий стыковки (3.1) и граничных условий (3.2) системой соотношений, предложенных в диссертационной работе (Кривцова, 1995):

Sc = S0 l / N l/4 ; l* = l/4 /N Ф; S0 / S1 = S0 / Sn . N = Ф,

(3.3)

где S0 - эффективное значение площади поперечного сечения входного торца концентратора, задаваемое диаметром выбранных пьезоэлементов; Sc - эффективное значение площади поперечного сечения концентратора в месте сопряжения его входного (экспоненциального, крутого: >k) и выходного (конического) участков; Sn - эффективное значение площади поперечного сечения акустического преобразователя в месте сопряжения последующих полуволновых участков; n - количество полуволновых участков, n = 1, 2, …, n; Sр.т - заданное значение площади рабочего торца концентратора, где амплитуда колебаний достигает максимального значения (Aр.т max); l - расстояние между свободным торцем нерабочей частотопонижающей накладки (н) до плоскости симметрии С - С активного элемента (пакета пьезоэлементов ланжевеновского типа); l/4 - длина четвертьволнового участка между свободным торцем нерабочей частотопонижающей накладки (н) и узловой плоскостью 0 – 0 акустического преобразователя; l* - расстояние от входного торца концентратора до места сопряжения его входного и выходного участков; N - действительное число, принадлежащее гармоническому ряду Фибоначчи, (1 1 2 3 5 8 13 21…); Ф - коэффициент “Золотая пропорция”, Ф = 1,618…., (Васютинский,1990).

Исходя из этих соотношений автором была построена, рассчитана и, под его научным руководством изготовлена серия одно- и двухполуволновых УЗ-инструментов (Жвых = 1,0; 1,5; 2,0; 5,0 мм), защищенных поддерживаемыми в силе патентами РФ, (Кривцова,1995;1997). УЗХИ - однополуволновый резонансный акустический преобразователь с концентратором сложной формы (= 22 кГц; Жвых = 2,0 мм; lк = 110 мм), выбран как “точечный” источник нчУЗ-воздействия (ТИУЗ), способный сформировать в водной среде МПК-зону разного энергетического насыщения, в пределах диапазона амплитуд колебаний рабочего торца его концентратора (15 – 70) мкм.

Рассмотрены принципы построения УЗ аппаратуры, обеспечивающей стабильное возбуждение СЛ-свечения водной среды в МПК-зоне, приведены характеристики источника питания - УЗ генератора. Основные узлы аппарата, разработанного под научным руководством автора, представлены, на рис. 8. Расчетные и измеряемые значения акустических параметров ТИУЗ и энергетических характеристик МПК-зоны сведены в таблицу 1.

а)

1 - разъем для подключения кабеля;

2 - защитный корпус;

3 - концентратор;

4 - рабочий торец концентратора УЗХИ, собственно, “точечный” источник нчУЗ-воздействия

б)

Рис. 8. Основные узлы аппарата ультразвукового УЗХ-100-Нч–01 “СУЗА”:

а) - УЗ генератор в настольном исполнении (лицевая панель) – источник питания ТИУЗ;

б) - УЗ инструмент: однополуволновый УЗХИ, в герметичном защитном корпусе – ТИУЗ

Акустические параметры ТИУЗ и энергетические характеристики, создаваемой в водном среде однополуволновым УЗХИ МПК-зоны в диапазоне мощности (Рэл) аппарата “СУЗА”

Таблица 1

№ п/п

Рабочая (резонансная) частота, кГц

Амплитуда

колебаний

рабочего торца УЗХИ, мкм

Потребляемая электрическая мощность, Рэл, ВА

КПД УЗХИ,, %

Мощность акустическая, выделяемая в нагрузку, Рак, Вт

Объем зоны нчУЗ-воздействия V, см3

Объемная плотность акустической энергии, Wак, Дж/см3

1

22,00±1,65

выкл

-

-

-

22,67

-

2

15

10

75

7,5

0,33

3

22

14

74

10,4

0,46

4

29

18

72

13,0

0,57

5

36

22

70

15,4

0,68

6

43

26

68

17,7

0,78

7

50

30

65

19,5

0,86

8

57

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»