|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Ориентирующее действие ультразвука |
 | |
Анимация
Описание
Под действием ультразвука (УЗ) в коллоидных растворах (например, в золях пятиокиси ванадия и окиси железа) наблюдается ориентация анизотропных коллоидных частиц. Вследствие гелеобразного состояния таких растворов эта ориентация может сохраняться долгое время. Данный эффект можно обнаружить при помощи микроскопа или по появлению двойного лучепреломления в поляризованном свете. Суспензию коллоидных частиц несферической формы в УЗ-вом поле можно рассматривать как оптически одноосный кристалл, оптическая ось которого совпадает с направлением распространения УЗ.
В основу теоретического рассмотрения проблемы ориентации несферических частиц в УЗ-вом поле положено уравнение среднего по времени момента вращения Mav для свободного жесткого и очень тонкого диска Рэлея, находящегося в стоячей волне. При выводе формулы было принято, что окружность диска мала по сравнению с длиной волны. Получено выражение для момента вращения диска в пучности колебаний стоячей волны, т.е. при
h = l /4,
где h - расстояние от диска до узла стоячей волны;
l - длина волны:
MavM = -(2/3)r0 r 3U 2 sin2j [m1(1 + (2/5)(kr)2 cos2j] / [m1 + m0(1 + (1/5)(kr)2)], (1)
где r0 - плотность окружающей среды;
r - радиус диска;
U - амплитуда скорости колебаний УЗ-вой волны;
kr = 2pr/l - отношение длины окружности диска к длине УЗ-вой волны;
m1 = r2pr1d1 - масса диска (d1 - толщина диска);
m0 = (8/3)r0 r3 - присоединенная масса;
j - угол между нормалью к диску и направлением колебаний в УЗ-вой волне.
Выражение для момента вращения диска в узле стоячей волны имеет вид:
MavN = (2/45)r0r 3U 2sin4j [(Q1 / (Q1 + Q0))(kr)2], (2)
где Q1 = (1/4)·m1r2 - момент инерции диска в вакууме;
Q0 = (2/5)·m0r2 - гидродинамический момент инерции.
Из формул (1) и (2) следует, что MN / MM » (1/15)(kr)2. При частоте УЗ 3 МГц, что для воды соответствует l = 0.5 мм, и при r = 10·m получим (kr)2 » 1/100 и MN / MM » 0.0006.
Таким образом, в общем случае следует учитывать ориентационные явления в пучностях колебаний.
Теоретические выводы были проверены на примере суспензии алюминия в ксилоле (диаметр частиц 20 микрон, толщина 1.5 микрон); обнаружено хорошее совпадение теории с экспериментом. Чувствительность явления подтверждает тот факт, что ориентация алюминиевых частиц в ксилоле при комнатной температуре имеет место уже при значении амплитуды скорости U = 5 10-7 м/c, то есть при очень малой интенсивности УЗ (при этих значениях U, однако, время ориентации велико).
При значении U = 7·10-3 м/с время ориентации равно 0.5 с. Зависимость относительного увеличения числа ориентированных частиц в телесном угле 5° от величины b, пропорциональной интенсивности УЗ, показана на рис. 1.
Ориентирование частиц суспензии в УЗ-вом поле
Рис. 1
Обозначения:
DNr / N - относительное увеличение числа ориентированных частиц;
b - показатель, пропорциональный интенсивности УЗ.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Явление ориентации частиц в УЗ-вом поле может быть применено для визуализации звуковых изображений. В устройстве Польмана (Pohlman R.) использована суспензия мельчайших частиц алюминия в ксилоле (см. раздел “сущность” настоящего описания). Этой суспензией наполнена плоская кювета, одна сторона которой сделана из звукопроницаемой медной фольги, а другая представляет собой плоскую стеклянную пластину, рис. 3.
Принцип действия ультразвуковой ячейки для получения изображения
Рис. 3
1 - ультразвук;
2 - диффузно-отраженный свет;
3 - зеркально отраженный свет;
4 - источник света.
При падении УЗ-вой волны на кювету алюминиевые частицы ориентируются в местах волнового возмущения параллельно фронту волны. При освещении суспензии через стеклянное окно ориентированные частицы дают зеркальное отражение света.
Реализации эффекта
Техническая реализация эффекта
Наблюдение ориентации коллоидных частиц ультразвуком может быть осуществлено при помощи установки изображенной схематически на рис. 2.
Блок-схема установки для изучения ориентирующего действия ультразвука на коллоидные частицы
Рис. 2
Обозначения:
1 - генератор;
2 - излучатель УЗ;
3 - ванна с коллоидным раствором;
4 - микроскоп;
5 - частотомер;
6 - калиброванный датчик интенсивности колебаний;
7 - таймер, синхронизированный с генератором;
8 - источник света;
9 - блок усиления;
10 - осциллограф.
Наблюдая в микроскопе процесс ориентации частиц при включении ультразвука, можно качественно исследовать зависимости степени ориентации от амплитуды и частоты ультразвука и сравнить их с приведенными выше в разделе “сущность”.
Литература
1. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: Изд. иностр. лит., 1957.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
