Концентрация энергии акустического поля при возбуждении

ÓÄÊ 532.66 : 532.528
Å. Þ. Ðîçèíà
Îäåññêàÿ ãîñóäàðñòâåííàÿ àêàäåìèÿ õîëîäà, ã. Îäåññà
Êîíöåíòðàöèÿ ýíåðãèè àêóñòè÷åñêîãî ïîëÿ ïðè
âîçáóæäåíèè ëîêàëèçîâàííîãî êàâèòàöèîííîãî ïðîöåññà
Èññëåäîâàíî îáðàòíîå âëèÿíèå ëîêàëèçîâàííîãî êàâèòàöèîííîãî ïðîöåññà
íà âîçáóæäàþùåå óëüòðàçâóêîâîå ïîëå. Ïîêàçàíî, ÷òî ïðè âîçáóæäåíèè ñòàöèîíàðíîãî êàâèòàöèîííîãî îáëàêà ïðîèñõîäèò ïåðåðàñïðåäåëåíèå ýíåðãèè óëüòðàçâóêîâîãî ïîëÿ òàê, ÷òî ïëîòíîñòü ýíåðãèè â êàâèòèðóþùåé ñðåäå ìîæåò íà
íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ ïðåâîñõîäèòü ïëîòíîñòü àêóñòè÷åñêîé ýíåðãèè èñõîäíîãî
âîçáóæäàþùåãî ïîëÿ.
Ââåäåíèå
 ñîâðåìåííûõ èññëåäîâàíèÿõ âçàèìîäåéñòâèÿ óëüòðàçâóêîâûõ êîëåáàíèé è äèñïåðñíûõ ñðåä ïðîñëåæèâàåòñÿ äâà îñíîâíûõ íàïðàâëåíèÿ. Ïåðâîå
ñâÿçàíî ñ èçó÷åíèåì óëüòðàçâóêîâûõ ìåòîäîâ ôîðìèðîâàíèÿ äèñïåðñíîé
ôàçû. Ê íåìó îòíîñÿòñÿ èññëåäîâàíèÿ çàêîíîìåðíîñòåé ðàñïûëåíèÿ æèäêîñòåé ïðè ïàäåíèè óëüòðàçâóêîâîãî ïó÷êà íà ãðàíèöó ðàçäåëà æèäêîñòü —
ãàç [1,2]; ïðîöåññîâ óëüòðàçâóêîâîé äåãàçàöèè, òî åñòü âûäåëåíèÿ ðàñòâîðåííîãî â æèäêîñòè ãàçà è ôîðìèðîâàíèÿ â íåé ìèêðîïóçûðüêîâ; äèñïåðãèðîâàíèÿ êðóïíûõ êàïåëü è êðóïíûõ ãàçîâûõ ïóçûðüêîâ, íàõîäÿùèõñÿ â çîíå
óëüòðàçâóêîâîãî îáëó÷åíèÿ [3,4].  ðàáîòàõ âòîðîãî íàïðàâëåíèÿ èññëåäóåòñÿ âëèÿíèå óëüòðàçâóêà íà ñâîéñòâà ñôîðìèðîâàííîé äâóõôàçíîé ñðåäû.
 ÷àñòíîñòè, äîñòàòî÷íî èçó÷åíî âëèÿíèå óëüòðàçâóêà íà êîàãóëÿöèþ àýðîçîëåé [5], óïîðÿäî÷èâàþùåå äåéñòâèå óëüòðàçâóêîâûõ êîëåáàíèé íà ðàñïðåäåëåíèå ìèêðîïóçûðüêîâ â óëüòðàçâóêîâîì ïîëå [6]. Íå ìåíüøèé èíòåðåñ
ïðåäñòàâëÿåò îáðàòíàÿ çàäà÷à î òîì, êàê íàëè÷èå ìåëêîäèñïåðñíûõ âêëþ÷åíèé â ñðåäå âëèÿåò íà ñâîéñòâà âîçáóæäàþùåãî óëüòðàçâóêîâîãî ïîëÿ, îäíàêî ýòè âîïðîñû èçó÷åíû çíà÷èòåëüíî ìåíüøå. Äîñòàòî÷íî õîðîøî èññëåäîâàííûì è òåîðåòè÷åñêè, è ýêñïåðèìåíòàëüíî ìîæíî ñ÷èòàòü ëèøü ýôôåêò
ñíèæåíèÿ ñêîðîñòè çâóêà â æèäêîñòè ñ ïóçûðüêàìè ãàçà [7].
Ñôîðìèðîâàííîå â óëüòðàçâóêîâîì ïîëå ñòàöèîíàðíîå êàâèòàöèîííîå
îáëàêî ÿâëÿåòñÿ àññîöèàöèåé ïåðèîäè÷åñêè âîçíèêàþùèõ ìåëêîäèñïåðñíûõ
ïàðî — ãàçîâûõ âêëþ÷åíèé â æèäêîñòè. Êàê è äëÿ êëàññè÷åñêèõ äèñïåðñíûõ
ñðåä, îñíîâíûå èññëåäîâàíèÿ â êàâèòèðóþùèõ ñðåäàõ ñâÿçàíû ñ âëèÿíèåì
ïàðàìåòðîâ óëüòðàçâóêîâîãî ïîëÿ íà äèíàìèêó îòäåëüíîé êàâèòàöèîííîé
ïîëîñòè èëè íà ýâîëþöèþ êàâèòàöèîííîãî îáëàêà â öåëîì [8]. Íî è îáðàòíîå âëèÿíèå êàâèòàöèîííîãî ïðîöåññà íà âîçáóæäàþùåå óëüòðàçâóêîâîå ïîëå
229
èññëåäîâàíî áîëåå äåòàëüíî.  ÷àñòíîñòè, ïîêàçàíî, ÷òî ïðè ðàñïðîñòðàíåíèè âûñîêî÷àñòîòíîãî óëüòðàçâóêîâîãî ïó÷êà (÷àñòîòû äî 1 Ìãö) ÷åðåç
îáúåì êàâèòèðóþùåé æèäêîñòè, íàáëþäàåòñÿ ÿâëåíèå ñàìîôîêóñèðîâêè
[9,10]. Ïî ðåçóëüòàòàì èññëåäîâàíèé îñîáåííîñòåé êàâèòàöèîííîãî ïðîöåññà, ñòèìóëèðîâàííîãî ïîä ñðåçîì êàïèëëÿðà â íèçêî÷àñòîòíîì óëüòðàçâóêîâîì ïîëå, áûëî âûñêàçàíî ïðåäïîëîæåíèå î òîì, ÷òî êàâèòèðóþùàÿ ñðåäà ìîæåò êîíöåíòðèðîâàòü â ìàëîì îáúåìå ýíåðãèþ óëüòðàçâóêîâîãî ïîëÿ
[11].  äàííîé ðàáîòå ïîñòàâëåíà çàäà÷à — ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîêàçàòü, ÷òî
òàêàÿ êîíöåíòðàöèÿ ýíåðãèè ðåàëüíî èìååò ìåñòî.
1. Îïèñàíèå ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêè
Èññëåäîâàíèÿ ïðîâîäèëèñü íà óñòàíîâêå, ñõåìàòè÷åñêè ïðåäñòàâëåííîé
íà ðèñ.1. Êàïèëëÿð 1 ïîãðóæåí â æèäêîñòü, çàïîëíÿþùóþ óëüòðàçâóêîâóþ
âàííó 2, òàêèì îáðàçîì ÷òîáû åãî íèæíèé ñðåç ðàñïîëàãàëñÿ íà âûñîòå 1012 ìì íàä ïîâåðõíîñòüþ ïëîñêîãî èçëó÷àòåëÿ 3. Íà èçëó÷àòåëü ïîäàåòñÿ
ñèíóñîèäàëüíûé ñèãíàë ñ ãåíåðàòîðà 4 ÷åðåç óñèëèòåëü 5 (â íàøèõ ýêñïåðèìåíòàõ ÷àñòîòà ν = 18,5 êÃö), ïðè ýòîì â æèäêîñòè ñîçäàåòñÿ ñòîÿ÷àÿ âîëíà. Êîìïðåññîð 6 ñëóæèò äëÿ ñîçäàíèÿ â êàïèëëÿðíîé ñèñòåìå ïîâûøåííîãî
ñòàòè÷åñêîãî äàâëåíèÿ P , êîòîðîå ðåãèñòðèðóþò ìàíîìåòðîì 7. Ïðè ïîâûøåíèè äàâëåíèÿ â êàïèëëÿðíîé ñèñòåìå ìåíèñê âûòåñíÿåòñÿ ê åãî ñðåçó. Çà
âðåìÿ ïîðÿäêà ìèëëèñåêóíä ïîä êàíàëîì êàïèëëÿðà âîçíèêàåò êàâèòàöèîííîå îáëàêî, è ôîðìèðóåòñÿ ïîòîê æèäêîñòè â êàïèëëÿðå.
Ðèñ. 1. Ñõåìà ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêè
230
Êàïèëëÿð 1 âïàÿí â ñòåêëÿííóþ òðóáêó 8 ñ èçâåñòíûì âíóòðåííèì äèàìåòðîì, íà êîòîðîé çàêðåïëåíû äâà äèàôðàãìèðîâàííûõ èñòî÷íèêà ñâåòà 9 è 9’.
Åñëè òðóáêà çàïîëíåíà ðàáî÷åé æèäêîñòüþ, îíà ôîêóñèðóåò ñâåò îò èñòî÷íèêîâ íà ôîòîäèîäàõ 10 è 10’. Ïîýòîìó ïðè çàïîëíåíèè òðóáêè ôîòîäèîäû ðåãèñòðèðóþò ìîìåíò ïðîõîæäåíèÿ ìåíèñêà, âûäàâàÿ äâà ïîñëåäîâàòåëüíûõ ñèãíàëà íà ïðåîáðàçîâàòåëü 11. Äâà ñôîðìèðîâàííûõ ïîñëåäîâàòåëüíûõ èìïóëüñà
ïîäàþòñÿ íà âõîä ÷àñòîòîìåðà, èçìåðÿþùåãî èíòåðâàë âðåìåíè ìåæäó èõ ïîñòóïëåíèÿìè. Ýòîò èíòåðâàë âðåìåíè τ õàðàêòåðèçóåò âðåìÿ çàïîëíåíèÿ îáúåìà ∆V èçìåðèòåëüíîé òðóáêè ìåæäó äâóìÿ ýëåìåíòàìè 10 è 10’. Îòíîøåíèå
∆V / τ õàðàêòåðèçóåò îáúåìíûé ðàñõîä æèäêîñòè, ïðîòåêàþùåé ÷åðåç êàïèëëÿð, è ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü ñðåäíþþ ñêîðîñòü ïîòîêà æèäêîñòè â êàïèëëÿðå. Äëÿ òîãî, ÷òîáû ðåãèñòðèðîâàòü ïàðàìåòðû óñòàíîâèâøåãîñÿ ïîòîêà â êàïèëëÿðå, èçìåðèòåëüíàÿ òðóáêà 8 èìååò ðàñøèðåíèå â íèæíåé ÷àñòè. Âðåìÿ
çàïîëíåíèÿ äîáàâî÷íîãî îáúåìà çíà÷èòåëüíî ïðåâûøàåò âðåìÿ ôîðìèðîâàíèÿ ðàçâèòîãî êàâèòàöèîííîãî îáëàêà ïîä êàíàëîì êàïèëëÿðà è âðåìÿ óñòàíîâëåíèÿ ñòàöèîíàðíîãî ïîòîêà æèäêîñòè ÷åðåç êàïèëëÿð. Êðàíû 12 è 13 ïîçâîëÿþò ïðè íåîáõîäèìîñòè îòñåêàòü ìàíîìåòð è êîìïðåññîð ïîñëå ñîçäàíèÿ
óñëîâèé äëÿ ñòèìóëèðîâàíèÿ êàâèòàöèè, è îáåñïå÷èòü íåïðåðûâíûé îòòîê ïîäíèìàþùåéñÿ ïî êàïèëëÿðó æèäêîñòè.
Äëÿ êîíòðîëÿ ïàðàìåòðîâ óëüòðàçâóêîâîãî ïîëÿ â æèäêîñòè óñòàíàâëèâàëñÿ ïüåçîùóï 14, ðàçìåð åãî ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà íå ïðåâîñõîäèë
ðàçìåðà îáëàñòè, îõâà÷åííîé êàâèòàöèîííûì ïðîöåññîì. Ñèãíàë ñ ïüåçîùóïà âûâîäèëñÿ íà ìèêðîâîëüòìåòð 15. Ïüåçîùóï çàêðåïëÿëñÿ ñ ïîìîùüþ
äâóõêîîðäèíàòíîé ìèêðîïîäà÷è, ÷òî ïîçâîëÿëî èçìåíÿòü è åãî âûñîòó íàä
ïîâåðõíîñòüþ èçëó÷àòåëÿ, è ðàññòîÿíèå äî îáëàñòè âîçáóæäåíèÿ êàâèòàöèè
ïî ãîðèçîíòàëè ñ òî÷íîñòüþ äî 0,1 ìì.
2. Îñíîâíûå ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû
2.1. Âûáîð ïàðàìåòðîâ äëÿ ñðàâíåíèÿ. Ïîñòàâëåííàÿ öåëü ïðåäïîëàãàåò
ñðàâíèòü ýíåðãåòè÷åñêèå õàðàòåðèñòèêè óëüòðàçâóêîâîãî ïîëÿ, óñòàíîâèâøåãîñÿ â óëüòðàçâóêîâîé âàííå, è êàâèòàöèîííîãî îáëàêà, âîçíèêøåãî ïîä
ñðåçîì êàïèëëÿðà. Ðàñïðîñòðàíåíèå óëüòðàçâóêîâîé âîëíû â ñðåäå õàðàêòåðèçóåòñÿ äâóìÿ ýíåðãåòè÷åñêèìè ïàðàìåòðàìè — èíòåíñèâíîñòüþ èçëó÷åíèÿ
J=
Pm2
Äæ
,
2 ⋅ ρ ⋅ c ì2 ⋅ ñ
(1)
è ïëîòíîñòüþ ýíåðãèè àêóñòè÷åñêîãî ïîëÿ
W =
Pm2
J Äæ
= ,
.
2
c
2⋅ ρ ⋅c
ì3
(2)
231
 îáîèõ ñîîòíîøåíèÿõ Pm — àìïëèòóäà äàâëåíèÿ â çâóêîâîé âîëíå, ρ —
ïëîòíîñòü æèäêîñòè, c — ñêîðîñòü çâóêà â íåé.
 îáùåì ñëó÷àå îáà âûðàæåíèÿ ïðèìåíèìû äëÿ îïèñàíèÿ ïîëÿ áåãóùåé
çâóêîâîé âîëíû. Äëÿ ðåàëèçàöèè áåãóùèõ âîëí â ýêñïåðèìåíòå íà íåêîòîðîì óäàëåíèè îò èçëó÷àòåëÿ ðàñïîëàãàþò ñëîé çâóêîïîãëîùàþùåãî ìàòåðèàëà.  íàøåì ýêñïåðèìåíòå óðîâåíü æèäêîñòè íàä ïîâåðõíîñòüþ èçëó÷àòåëÿ ñòðîãî ôèêñèðîâàí, ïðè÷åì åãî âûñîòà H max ïîäîáðàíà èç òðåáîâàíèé
îïòèìàëüíîé àêóñòè÷åñêîé íàãðóçêè íà èçëó÷àòåëü, òî åñòü H max ≈ 3/4 ·λ.
Ïðè òàêèõ óñëîâèÿõ îò ãðàíèöû ðàçäåëà æèäêîñòü — ãàç ïðîèñõîäèò ïðàêòè÷åñêè ïîëíîå îòðàæåíèå, è íàä èçëó÷àòåëåì ôîðìèðóåòñÿ ñòîÿ÷àÿ âîëíà.
 ñëó÷àå ñòîÿ÷èõ âîëí áåç äîïîëíèòåëüíûõ êîììåíòàðèåâ ìîæíî ïîëüçîâàòüñÿ òîëüêî âûðàæåíèåì (2) äëÿ ïëîòíîñòè ýíåðãèè æèäêîñòè, â êîòîðîé
âîçáóæäåíû óëüòðàçâóêîâûå êîëåáàíèÿ. Âîçíèêíîâåíèå êàâèòàöèè ïîä ñðåçîì êàïèëëÿðà ïðèâîäèò ê ôîðìèðîâàíèþ â êàíàëå ñòàöèîíàðíîãî ïîòîêà
æèäêîñòè. Ýíåðãèÿ, ñîñðåäîòî÷åííàÿ â åäèíèöå îáúåìà æèäêîñòè, äâèæóùåéñÿ ñî ñðåäíåé ñêîðîñòüþ υ , îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòíîøåíèåì
ω=
ρ ⋅υ 2 Äæ
,
.
2
ì3
(3)
Ôîðìèðîâàíèå ïîòîêà æèäêîñòè â êàïèëëÿðå îáóñëîâëåíî ïåðèîäè÷åñêèì íàïðàâëåííûì ñìåùåíèåì êîíãëîìåðàòà êàâèòàöèîííûõ ïîëîñòåé â
êàíàë êàïèëëÿðà [12]. Ïîýòîìó âåëè÷èíà ω íåïîñðåäñòâåííî õàðàêòåðèçóåò ïëîòíîñòü ýíåðãèè â êàâèòèðóþùåé ñðåäå è äîïóñêàåò ñîïîñòàâëåíèå ñ
ïàðàìåòðîì W .
Ñòîÿ÷àÿ âîëíà íå ïåðåíîñèò ýíåðãèþ è ïîíÿòèå èíòåíñèâíîñòè, îïðåäåëÿåìîå âûðàæåíèåì (1), äëÿ íåå â îáùåì ñëó÷àå íåïðèìåíèìî [13, ñ.121].
Îäíàêî âîçíèêíîâåíèå êàâèòàöèîííîãî îáëàêà ïîä ñðåçîì êàïèëëÿðà, ïîãðóæåííîãî â æèäêîñòü, ïðèíöèïèàëüíî èçìåíÿåò ñèòóàöèþ.  êàïèëëÿðå ôîðìèðóåòñÿ ñòàöèîíàðíûé ïîòîê æèäêîñòè, ïðè÷åì æèäêîñòü ìîæåò
óäàëÿòüñÿ çà ïðåäåëû óëüòðàçâóêîâîé âàííû ñ ïîñòîÿííîé ñêîðîñòüþ υ
íåîãðàíè÷åííî äîëãîå âðåìÿ (åñëè îðãàíèçîâàí ïðèòîê æèäêîñòè â âàííó
è îáåñïå÷èâàåòñÿ ïîñòîÿíñòâî àêóñòè÷åñêîé íàãðóçêè íà èçëó÷àòåëü). Òî
åñòü êàïèëëÿð âûðåçàåò êàíàë, ïî êîòîðîìó ñôîðìèðîâàííûé ïîòîê æèäêîñòè óíîñèò ýíåðãèþ àêóñòè÷åñêîãî ïîëÿ, ïîäâåäåííóþ ê ñðåçó êàïèëëÿðà îò èçëó÷àòåëÿ. Ïîýòîìó ìîæíî ãîâîðèòü î áàëàíñå àêóñòè÷åñêîé ýíåðãèè, ïîäâåäåííîé ê ñðåçó êàïèëëÿðà, ãäå âîçáóæäåíî êàâèòàöèîííîå îáëàêî, è ýíåðãèè, óíåñåííîé ïîòîêîì æèäêîñòè ïî êàïèëëÿðó. Ñ òàêîé òî÷êè
çðåíèÿ èñïîëüçîâàíèå äëÿ äàëüíåéøåãî àíàëèçà ôóíäàìåíòàëüíîãî ïîíÿòèÿ èíòåíñèâíîñòè J , îïðåäåëÿåìîãî ñîîòíîøåíèåì (1), ÿâëÿåòñÿ ïðàâîìåðíûì.
Ñîïîñòàâèìàÿ õàðàêòåðèñòèêà çâóêîêàïèëëÿðíîãî ïîòîêà ìîæåò áûòü
232
âûáðàíà ñëåäóþùèì îáðàçîì. Ïðè âîçáóæäåíèè êàâèòàöèè æèäêîñòü â êàïèëëÿðå äâèæåòñÿ ïîä äåéñòâèåì ðàçíîñòè çâóêîêàïèëëÿðíîãî äàâëåíèÿ Pçê
è ñòàòè÷åñêîãî ïðîòèâîäàâëåíèÿ P , êîòîðîå ìîæíî ðåãóëèðîâàòü êîìïðåññîðîì. Èíà÷å ãîâîðÿ, ïîòîê æèäêîñòè ñîâåðøàåò ðàáîòó ïðîòèâ âíåøíåé
2
, ïðè ýòîì ìîùíîñòü, ðàçâèâàåìàÿ ïîòîêîì, îïðåäåëÿåòñÿ ïðîñèëû P ⋅ π Rêàï
2
èçâåäåíèåì υ ⋅ Ð ⋅ π Rêàï
. Òàêèì îáðàçîì, âåëè÷èíà
J s = P ⋅υ , Äæ
ì2 ⋅ ñ
(4)
ÿâëÿåòñÿ ýíåðãåòè÷åñêîé õàðàêòåðèñòèêîé ïîòîêà è îïðåäåëÿåò ýíåðãèþ, ïåðåíîñèìóþ ïîòîêîì ÷åðåç åäèíèöó ñå÷åíèÿ êàïèëëÿðà çà åäèíèöó âðåìåíè.
Êàê âèäíî, ýòà âåëè÷èíà èìååò òó æå ðàçìåðíîñòü, ÷òî è J , è ñîïîñòàâëåíèå
ýòèõ âåëè÷èí äàñò ïðåäñòàâëåíèå î ïðåîáðàçîâàíèè ïëîòíîñòè ïîòîêà ýíåðãèè, ïîäâåäåííîé îò èçëó÷àòåëÿ, â ïëîòíîñòü ïîòîêà ãèäðîäèíàìè÷åñêîé
ýíåðãèè, ïåðåíîñèìîé æèäêîñòüþ â êàïèëëÿðå.
2.2. Îñîáåííîñòè óëüòðàçâóêîâîãî ïîëÿ ïðè âîçáóæäåíèè ëîêàëèçîâàííîãî êàâèòàöèîííîãî ïðîöåññà. Èç ñîîòíîøåíèé (1-2) âèäíî, ÷òî îñíîâíîé èçìåðÿåìîé õàðàêòåðèñòèêîé óëüòðàçâóêîâîãî ïîëÿ ÿâëÿåòñÿ àìïëèòóäà çâóêîâîãî äàâëåíèÿ Pm . Ñíèìàëè ðàñïðåäåëåíèå ýòîãî ïàðàìåòðà ïî ãëóáèíå
æèäêîñòè â îòñóòñòâèå êàïèëëÿðà âäîëü ëèíèè åãî çàêðåïëåíèÿ, êðèâàÿ èìååò õàðàêòåðíûé äëÿ ñòîÿ÷åé âîëíû âèä (ìàêñèìóì Pm ðåãèñòðèðóåòñÿ íà
ïîâåðõíîñòè èçëó÷àòåëÿ) è ïîýòîìó íå ïðèâåäåíà.
Ðèñ.2. Âëèÿíèå íàïðÿæåíèÿ íà èçó÷àòåëå íà àìïëèòóäó çâóêîâîãî äàâëåíèÿ íà
óðîâíå ñðåçà êàïèëëÿðà â îòñóòñòâèå êàâèòàöèè (1), ïðè âîçáóæäåíèè êàâèòàöèè (2) , âáëèçè ïîâåðõíîñòè èçëó÷àòåëÿ (3)
233
Êðèâàÿ çàâèñèìîñòè àìïëèòóäû çâóêîâîãî äàâëåíèÿ Pm îò íàïðÿæåíèÿ
U , ïîäâîäèìîãî ê èçëó÷àòåëþ, èìååò ñìûñë ãðàäóèðîâî÷íîé êðèâîé è õà-
ðàêòåðèçóåò âëèÿíèå êàâèòèðóþùåé ñðåäû íà âîçáóæäàþùåå åå óëüòðàçâóêîâîå ïîëå. Íà ðèñ.2 ïðèâåäåíà êðèâàÿ çàâèñèìîñòè Pm (U ) (êðèâàÿ 1), ïîëó÷åííàÿ ïðè ðàñïîëîæåíèè ïðèåìíîãî ýëåìåíòà íà ðàññòîÿíèè 1 ìì îò
áîêîâîé ïîâåðõíîñòè êàïèëëÿðà íà óðîâíå åãî ñðåçà.  îòñóòñòâèå êàâèòàöèîííîãî îáëàêà ïîä ñðåçîì êàïèëëÿðà, ïîêàçàíèÿ ïüåçîùóïà óâåëè÷èâàþòñÿ ëèíåéíî ïðè óâåëè÷åíèè U . Åñëè æå ïîä êàíàëîì êàïèëëÿðà âîçáóæäàåòñÿ êàâèòàöèîííîå îáëàêî, òî óâåëè÷åíèå Pm ïðîèñõîäèò âíà÷àëå ïî ëèíåéíîìó çàêîíó, çàòåì, äîñòèãíóâ ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ, íåçíà÷èòåëüíî
ñïàäàåò; â íåêîòîðîì èíòåðâàëå íàïðÿæåíèé àìïëèòóäà Pm îñòàåòñÿ ïðàêòè÷åñêè ïîñòîÿííîé, çàòåì íà÷èíàåòñÿ ñíîâà ðîñò âåëè÷èíû Pm (êðèâàÿ 2).
Ñëåäóåò ïîä÷åðêíóòü, ÷òî ëèíåéíîñòü çàâèñèìîñòè Pm (U ) ñîõðàíÿåòñÿ è ïðè
íàïðÿæåíèÿõ, ïðåâîñõîäÿùèõ ïîðîã âîçáóæäåíèÿ êàâèòàöèè ïîä ñðåçîì êà*
, åñëè ðàçìåðû âîçáóæäåííîãî êàâèòàöèîííîãî îáëàêà íåçíàïèëëÿðà U èçë
÷èòåëüíî ïðåâîñõîäÿò âíóòðåííèé äèàìåòð êàïèëëÿðà.
2.3. Ñêîðîñòü ïîòîêà æèäêîñòè â êàïèëëÿðå. Îñíîâíûì èçìåðÿåìûì ïàðàìåòðîì äëÿ îïðåäåëåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê çâóêîêàïèëëÿðíîãî
ïîòîêà ÿâëÿåòñÿ åãî ñêîðîñòü. Èçìåðåíèÿ ñêîðîñòè ïîòîêà ïðîâîäèëèñü äëÿ
êàïèëëÿðîâ ñ ðàçëè÷íûìè âíóòðåííèìè äàìåòðàìè (0,34; 0,50; 0,70 ìì) ïî ñëåäóþùåé ìåòîäèêå. Çàäàâàëè îïðåäåëåííîå çíà÷åíèå àìïëèòóäû çâóêîâîãî
äàâëåíèÿ Pm , êîìïðåññîðîì ïîâûøàëè ñòàòè÷åñêîå äàâëåíèå â êàïèëëÿðå P
è ñòèìóëèðîâàëè êàâèòàöèþ ïîä åãî ñðåçîì. Ïðè ýòèõ ôèêñèðîâàííûõ ïàðàìåòðàõ îïðåäåëÿëè ñêîðîñòü ïðîòåêàíèÿ æèäêîñòè ÷åðåç êàïèëëÿð υ . Òàêèì
ïóòåì äëÿ êàæäîãî äèàìåòðà áûëè ïîëó÷åíû ñåìåéñòâà êðèâûõ υ ( P ) ïðè ðàçëè÷íûõ àìïëèòóäàõ Pm . Äëÿ êàïèëëÿðîâ äèàìåòðîì 0,5 ìì áûëî ïîêàçàíî,
÷òî çàâèñèìîñòü υ ( P ) ìîæåò èìåòü àíîìàëüíûé íàðàñòàþùèé ó÷àñòîê, íà
êîòîðîì óâåëè÷åíèå ïðîòèâîäàâëåíèÿ â êàïèëëÿðå P ïðèâîäèò íå ê òðèâèàëüíîìó óáûâàíèþ ñêîðîñòè, à ê åå ñóùåñòâåííîìó óâåëè÷åíèþ [12]. Ýòà îñîáåííîñòü íàáëþäàåòñÿ ïðè ìàëûõ àìïëèòóäàõ Pm , êîãäà êàâèòàöèîííûé ïðîöåññ ïîä ñðåçîì êàïèëëÿðà ñóùåñòâóåò íå ñòàöèîíàðíî, à ïåðèîäè÷åñêè çàòóõàåò. Ïîâûøåíèå ïðîòèâîäàâëåíèÿ â êàïèëëÿðå ñòàáèëèçèðóåò êàâèòàöèîííîå îáëàêî, ÷òî ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ ðåçóëüòèðóþùåé ñêîðîñòè ïîòîêà.
Àíàëîãè÷íàÿ àíîìàëèÿ ïðè ìàëûõ Pm íàáëþäàëàñü äëÿ âñåõ èñïîëüçîâàííûõ
êàïèëëÿðîâ. Ïîýòîìó äëÿ îáñóæäåíèÿ áûëè âûáðàíû êðèâûå υ ( P ) , ñîîòâåòñòâóþùèå óñëîâèÿì ñòàáèëèçèðîâàííîãî êàâèòàöèîííîãî ïðîöåññà, ïðèâåäåííûå íà ðèñ.3. Êàê âèäíî, àíîìàëüíûé ó÷àñòîê íà âñåõ êðèâûõ ïðàêòè÷åñêè
âûðîæäåí, íî íàáëþäàåòñÿ ñóùåñòâåííîå îòêëîíåíèå îò ëèíåéíîñòè ïðè ìà234
ëûõ ïðîòèâîäàâëåíèÿõ. Çàìåòèì, ÷òî çàâèñèìîñòè υ ( P ) äëÿ âñåõ èññëåäîâàííûõ êàïèëëÿðîâ íå ÿâëÿþòñÿ ñòðîãî ëèíåéíûìè âî âñåì äèàïàçîíå ïðîòèâîäàâëåíèé, íåñìîòðÿ íà ñòàöèîíàðíîñòü êàâèòàöèîííîãî ïðîöåññà. Òî åñòü äàæå
ïðè òàêèõ óñëîâèÿõ èìååòñÿ âëèÿíèå ïðîòèâîäàâëåíèÿ íà ïàðàìåòðû êàâèòàöèîííîãî îáëàêà è, ñîîòâåòñòâåííî, íà âåëè÷èíó Pçê .
Èç êðèâûõ ðèñ.3 âèäíî, ÷òî íàèáîëüøàÿ èçìåðåííàÿ ñêîðîñòü ïîòîêà
ñîñòàâëÿåò 2,8 ì/c, è íàáëþäàåòñÿ äëÿ êàïèëëÿðà ñ âíóòðåííèì äèàìåòðîì
0,5 ìì (êðèâàÿ 2); õàðàêòåðíî, ÷òî êàê óâåëè÷åíèå, òàê è óìåíüøåíèå äèàìåòðà êàïèëëÿðà ïðèâîäÿò ê óáûâàíèþ ñêîðîñòè: êðèâûå υ ( P ) äëÿ ñîîòâåòñòâóþùèõ êàïèëëÿðîâ ðàñïîëàãàþòñÿ íèæå.
Ðèñ. 3. Âëèÿíèå ïðîòèâîäàâëåíèÿ íà ñêîðîñòü ïîòîêà æèäêîñòè â êàïèëëÿðàõ ñ
âíóòðåííèìè äèàìåòðàìè 0,70 ìì (1); 0,50 ìì (2), 0,34 ìì (3)
2.4.Ñîïîñòàâëåíèå ìîùíîñòè ïîòîêà æèäêîñòè â êàïèëëÿðå è ýíåðãåòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê óëüòðàçâóêîâîãî ïîëÿ. Ïî äàííûì ðèñ.3 ðàññ÷èòàíû
çíà÷åíèÿ ìîùíîñòè ïîòîêà, ïðèõîäÿùåéñÿ íà åäèíèöó ñå÷åíèÿ êàïèëëÿðà
J s = P ⋅υ , äëÿ êàïèëëÿðîâ ðàçíûõ äèàìåòðîâ è ðåçóëüòàòû ïðåäñòàâëåíû â
òàáëèöå. Îáðàòèì âíèìàíèå, ÷òî äëÿ âñåõ êàïèëëÿðîâ ïðè óâåëè÷åíèè ïðîòèâîäàâëåíèÿ ïî÷òè íà ïîðÿäîê ñêîðîñòü óáûâàåò â íåñêîëüêî ðàç, íî ìîùíîñòü ïîòîêà ïðè ýòîì èçìåíÿåòñÿ ìàëî èëè âîçðàñòàåò. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî
ñêîðîñòü è ìîùíîñòü ÿâëÿþòñÿ íåçàâèñèìûìè õàðàêòåðèñòèêàìè çâóêîêàïèëëÿðíîãî ïîòîêà æèäêîñòè.
235
d êàï ,ìì
0,34
0,50
0,70
P,
104 Ïà
0,4
1,6
2,5
3,2
0,5
1,0
1,5
1,6
2,0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
υ , ì/ñ
J s ,Âò/ì2
1,25
1,0
0,6
0,4
2,5
2,0
1,5
1,2
0,8
2,0
1,7
1,5
1,0
0,5
0,5·104
1,6·104
1,5·104
1,36·104
1,25·104
2,00·104
2,25·104
1,92·104
1,60·104
0,8·104
1,36·104
1,8·104
1,6·104
1,0·104
ω
, Äæ/ì3
0,78·103
0,5·103
0,18·103
0,08·103
3,15·103
1,62·103
1,11·103
0,72·103
0,32·103
2·103
1,44·103
1,11·103
0,5·103
0,12·103
Êðèâûå υ ( P ) (ðèñ.3) è çíà÷åíèÿ υ , ïðåäñòàâëåííûå â òàáëèöå, ïîëó÷åíû ïðè íàïðÿæåíèè íà èçëó÷àòåëå, ñîîòâåòñòâóþùåì àìïëèòóäå çâóêîâîãî
äàâëåíèÿ Pm = 4·104 Ïà. Êàê óêàçûâàëîñü, âûáîð àìïëèòóäû Pm îáóñëîâëåí òåì, ÷òî ïðè òàêèõ óñëîâèÿõ êàâèòàöèîííîå îáëàêî ïîä ñðåçîì êàïèëëÿðà ñóùåñòâóåò ñòàöèîíàðíî, è íà çàâèñèìîñòè υ ( P ) âûðîæäåí àíîìàëüíûé íàðàñòàþùèé ó÷àñòîê. Âû÷èñëåíèÿ J ïî ôîðìóëå (1) ïðè óêàçàííîé
àìïëèòóäå Pm äëÿ âîäû ñ ïëîòíîñòüþ ρ =103 êã/ì3, ñêîðîñòü çâóêà â êîòîðîé ñ=1,5·103 ì/ñ, äàåò çíà÷åíèå J =0,53·10 3 Âò/ì2. Ñðàâíåíèå ñ ðåçóëüòàòàìè, ïðåäñòàâëåííûìè â òàáëèöå, ïîêàçûâàåò, ÷òî äëÿ âñåõ èñïîëüçîâàííûõ
êàïèëëÿðîâ ìîùíîñòü ïîòîêà J s = P ⋅υ áîëåå ÷åì íà ïîðÿäîê ïðåâûøàåò
èíòåíñèâíîñòü J çâóêîâîãî ïîëÿ, îáåñïå÷èâàþùåãî ôîðìèðîâàíèå ýòîãî
ïîòîêà. Ïîñêîëüêó ôîðìèðîâàíèþ ïîòîêà ïðåäøåñòâóåò ðàçâèòèå êàâèòàöèè ó ñðåçà êàïèëëÿðà, ñëåäóåò âûâîä, ÷òî èìåííî â êàâèòèðóþùåé ñðåäå
ïðîèñõîäèò êîíöåíòðàöèÿ ýíåðãèè óëüòðàçâóêîâîãî ïîëÿ. Íàïðàâëåííîå
ñìåùåíèå îáëàêà â êàíàë êàïèëëÿðà îáåñïå÷èâàåò ïðåîáðàçîâàíèå ñêîíöåíòðèðîâàííîé ýíåðãèè àêóñòè÷åñêîãî ïîëÿ â ýíåðãèþ íàïðàâëåííîãî ïîòîêà æèäêîñòè.
Äëÿ ïëîòíîñòè ýíåðãèè W óëüòðàçâóêîâîãî ïîëÿ ïðè çíà÷åíèè Pm = 4·104
Ïà ïîëó÷åíà âåëè÷èíà 0,7 Äæ/ì3, è åå ñðàâíåíèå ñ ïëîòíîñòüþ ýíåðãèè ω â
ñôîðìèðîâàâøåìñÿ ïîòîêå äàåò ïðåäñòàâëåíèå î ñòåïåíè êîíöåíòðàöèè ýíåðãèè â êàâèòèðóþùåé ñðåäå. Êàê âèäíî èç òàáëèöû ïëîòíîñòü ýíåðãèè â êàâèòèðóþùåé ñðåäå íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ ïðåâîñõîäèò ïëîòíîñòü ýíåðãèè â
âîçáóæäàþùåì óëüòðàçâóêîâîì ïîëå.
236
3. Îáñóæäåíèå ðåçóëüòàòîâ
Ñëåäóåò ïîä÷åðêíóòü, ÷òî óáûâàíèå àìïëèòóäû Pm â îáúåìå óëüòðàçâóêîâîé âàííû ïðè âîçáóæäåíèè â íåé êàâèòàöèîííîãî ïðîöåññà â ëèòåðàòóðå îïèñàíî è ðàññìàòðèâàåòñÿ êàê ðåçóëüòàò ñíèæåíèÿ àêóñòè÷åñêîé íàãðóçêè íà
èçëó÷àòåëü, âñëåäñòâèå ÷åãî ïðîèñõîäèò ðàññòðîéêà êîëåáàòåëüíîé ñèñòåìû è
óìåíüøàåòñÿ àêóñòè÷åñêàÿ ìîùíîñòü, îòäàâàåìàÿ èçëó÷àòåëåì â îáúåì æèäêîñòè [14].  íàøèõ ýêñïåðèìåíòàõ óáûâàíèå àìïëèòóäû Pm íàáëþäàåòñÿ òîëüêî â îòíîñèòåëüíî ìàëîì îáúåìå æèäêîñòè, íåïîñðåäñòâåííî ïðèëåãàþùåì ê
îáëàñòè âîçáóæäåíèÿ êàâèòàöèè. Ïðè óäàëåíèè ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà
ùóïà íà ðàññòîÿíèå 5 ìì è áîëåå îò êàâèòàöèîííîãî îáëàêà õàðàêòåðíîãî
óáûâàíèÿ àìïëèòóäû çâóêîâîãî äàâëåíèÿ Pm íå íàáëþäàåòñÿ. Çàìåòèì òàêæå, ÷òî è âáëèçè ïîâåðõíîñòè èçëó÷àòåëÿ íå ïðîèñõîäèò óáûâàíèÿ Pm ïðè
âîçáóæäåíèè ïîä êàïèëëÿðîì êàâèòàöèîííîãî îáëàêà (ñì.ðèñ.2, êðèâàÿ 3). Òî
åñòü â íàøèõ ýêñïåðèìåíòàõ ðàññòðîéêè àêóñòè÷åñêîé ñèñòåìû íå íàáëþäàåòñÿ. Ïîýòîìó ìîæíî ñäåëàòü âûâîä, ÷òî âîçáóæäåíèå ëîêàëèçîâàííîãî êàâèòàöèîííîãî ïðîöåññà ïðèâîäèò ê ñòàöèîíàðíîìó ïåðåðàñïðåäåëåíèþ ýíåðãèè â
æèäêîñòè, ïðè êîòîðîì ïîâûøàåòñÿ åå ïëîòíîñòü â êàâèòèðóþùåé ñðåäå è
ñíèæàåòñÿ â ïðèëåãàþùèõ ñëîÿõ íåâîçáóæäåííîé æèäêîñòè.
Ðèñ.4. Ñõåìà êîíöåíòðàöèè è ïðåîáðàçîâàíèè
ýíåðãèè óëüòðàçâóêîâîãî ïîëÿ ó ñðåçà êàïèëëÿðà
Íà ðèñ.4. ïðåäñòàâëåíà ïðåäïîëàãàåìàÿ ñõåìà ïðîöåññîâ, ïðîòåêàþùèõ
ó ñðåçà êàïèëëÿðà. Íà äîñòàòî÷íîì óäàëåíèè îò êàïèëëÿðà (ïî ãîðèçîíòàëè) ïîòîê ýíåðãèè îò èçëó÷àòåëÿ 3 îêàçûâàåòñÿ íåèñêàæåííûì, è ïüåçîùóï
14 ðåãèñòðèðóåò ðàñïðåäåëåíèå àìïëèòóäû â îáúåìå âàííû, ñîîòâåòñòâóþ237
ùåå ñôîðìèðîâàâøåéñÿ ñòîÿ÷åé âîëíå. Êàâèòàöèîííîå îáëàêî, âîçáóæäåííîå ïîä êàíàëîì êàïèëëÿðà, âåäåò ñåáÿ êàê àáñîëþòíî ïîãëîùàþùàÿ ñðåäà.
Àêóñòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ïîãëîùàåòñÿ âñåé ïîâåðõíîñòüþ êàâèòàöèîííîãî îáëàêà, òàê êàê ïîëîñòè çàðîæäàþòñÿ âî âíåøíåì åãî ñëîå.  ðåçóëüòàòå êîíöåíòðàöèè ïîëîñòåé ïîä êàíàëîì êàïèëëÿðà ïðîèñõîäèò êîíöåíòðàöèÿ àêóñòè÷åñêîé ýíåðãèè, íàïðàâëÿåòñÿ îíà â êàíàë êàïèëëÿðà, ñå÷åíèå êîòîðîãî,
ïî êðàéíåé ìåðå, íà ïîðÿäîê ìåíüøå âíåøíåé ïîâåðõíîñòè êàâèòàöèîííîãî
îáëàêà. Ïðè ýòîì ïðîèñõîäèò ïðîïîðöèîíàëüíîå âîçðàñòàíèå ïëîòíîñòè
ïîòîêà ýíåðãèè â êàíàëå êàïèëëÿðà.
Ëèòåðàòóðà
1. Charuau J., Tierce P., Birocheau M.. The ultrasonic Generation of droplets
for the production of submicron size particles// Journ. Of Aerozol Science. . —
1994. — V.25, Supplement 1. — P.232-234.
2. Ýêíàäèîñÿíö Î.Ê. Ïîëó÷åíèå àýðîçîëåé// Ôèçè÷åñêèå îñíîâû óëüòðàçâóêîâîé òåõíîëîãèè. — Ïîä ðåä. Ë.Ä.Ðîçåíáåðãà. — Ì.: Íàóêà, 1970. —
Ñ.337-394.
3. Danilov S.D. , Mironov M.A. Breakup of a droplet in a hight-intensity sound
field// J.Acoust.Soc.Amer. — 1992. — V.92, ¹5. — P.2747-2755
4. Êàïóñòèíà Î.À. Äåãàçàöèÿ æèäêîñòåé// Ôèçè÷åñêèå îñíîâû óëüòðàçâóêîâîé òåõíîëîãèè. — Ïîä ðåä. Ë.Ä.Ðîçåíáåðãà. — Ì.: Íàóêà, 1970. —
Ñ.253-337.
5. Äàíèëîâ Ñ.Ä., Ìèðîíîâ Ì.À. Êîëëåêòèâíîå âçàèìîäåéñòâèå âçâåñè ÷àñòèö â çâóêîâîì ïîëå// Àêóñò.æóðí. — 1992. — Ò.38, ¹3. — Ñ.456-462.
6. Whitworth G., Coacley W.T., Particle column formation in a stationary
ultrasonic field// J.Acoust.Soc.Amer. — 1992. — V.91, ¹1. — P.79-85.
7. Íàêîðÿêîâ Â.Å., Ïîêóñàåâ Á.Ã., Øðåéáåð È.Ð. Ðàñïðîñòðàíåíèå âîëí â
ãàçî- è ïàðîæèäêîñòíûõ ñðåäàõ. — Íîâîñèáèðñê, èç-âî ÈÒÔ ÀÍ ÑÑÑÐ.
— 1983. — 237 ñ.
8. Neppiras E.A. Acoustic cavitation// Physics Reports. — A review Section of
Physics Letters. — 1980. — V.61, No 3. — P.160-251.
9. Ciuty P., Iernetty G., Sagoo M.S. Optical visualisation of non-linear acoustic
propagation in cavitating liquids// Ultrasonics. — 1980. — V.18, ¹5. — P.111114.
10. Iernetti G., Ciuti P., Sagoo M.S. Different Stages of Acoustic Self-focusing
During Cavitation// Acustica. — 1980. — Vol.46, ¹2. — P.228-229
11. Ðîçèí Þ.Ï.,.Ðîçèíà Å.Þ. Âëèÿíèå ñòðóêòóðû è ôîðìû êàâèòàöèîííîãî
îáëàêà íà ïðîòåêàíèå ôèçèêî-õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ// Æóðí.ôèç.õèì. —
1986. — Ò.60, ¹ 7. — ñ.1730-1738.
12. Ðîçèí Þ.Ï., Ðîçèíà Å.Þ. Î íàïðàâëåííîì ñìåùåíèè êàâèòàöèîííûõ
ïîëîñòåé â êàíàë êàïèëëÿðà// ³ñíèê Îäåñüêîãî äåðæ. óí³â. — 2000. —
Ò.5, âèï.3. — Ñ.32-38.
238
13. Èñàêîâè÷ Ì.À. Îáùàÿ àêóñòèêà.Ì.:Íàóêà. — 1973. — 495
14. Ñèðîòþê Ì.Ã. Ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå êàâèòàöèîííîé îáëàñòè// Ìîùíûå óëüòðàçâóêîâûå ïîëÿ, ïîä ðåä. Ë.Ä.Ðîçåíáåðãà. — Ì.:Íàóêà, 1968. — Ñ.167-219.
15. Ðîçèíà Å.Þ. Äâèæåíèå æèäêîñòè â êàïèëëÿðå ïðè ðàçëè÷íûõ ðåæèìàõ
óëüòðàçâóêîâîãî âîçäåéñòâèÿ// Àêóñòè÷íèé â³ñíèê. — 2001. — Ò.4, ¹2.
— Ñ.64-72.
Å. Þ. Ðîç³íà
Êîíöåíòðàö³ÿ åíåð㳿 àêóñòè÷íîãî ïîëÿ ëîêàëüíî çáóäæåíèì
êàâ³òàö³éíèì ïðîöåñîì
ÀÍÎÒÀÖ²ß
Äîñë³äæåíî çâîðîòí³é âïëèâ êàâ³òàö³éíîãî ïðîöåñó, ùî çáóäæåíèé ï³ä
êàíàëîì êàï³ëÿðà, íà óëüòðàçâóêîâå ïîëå. Ïîêàçàíî, ùî ôîðìóâàííÿ ñòàö³îíàðíî¿ êàâ³òàö³éíî¿ õìàðè çóìîâëþº ïåðåðîçïîä³ë åíåð㳿 óëüòðàçâóêîâîãî
ïîëÿ.  ðåçóëüòàò³ òàêîãî ïåðåðîçïîä³ëó ãóñòèíà åíåð㳿 ó êàâ³òóþ÷îìó ñåðåäîâèù³ ìîæå íà äåê³ëüêà ïîðÿäê³â ïåðåâèùóâàòè ãóñòèíó àêóñòè÷íî¿ åíåð㳿
ïîëÿ, ÿêå ñïðè÷èíÿº çáóäæåííþ êàâ³òàö³¿.
Rosina E. Yu.
The concentration of energy by the stationary local cavitation
SUMMARY
The influence of the cavitation excitation of liquid on the parameters of the ultrasonic
field around the capillary cut has been experimentally investigated. It has been shown,
that forming of the stable assemble of cavities under the capillary cannel caused the
distortion of the uniform distribution of the ultrasonic energy in liquid. Due to the
redistribution the density of acoustical energy in the cavitating liquid may be three
order more than this parameter in the unexcited media.
239