Ультразвуковая технология

Ультразвуковой метод обработки относится к электрофизическому воздействию на материал. Частота воздействий соответствует диапазону неслышимых человеческим ухом звуков (частота 16–105 кГц). При распространении в материальной среде ультразвуковая волна переносит определенную энергию, которая может непосредственно использоваться в технологических процессах или же преобразовываться в другие виды энергии (тепловую, химическую, механическую).

обработка ультразвуком

В качестве источников ультразвуковых колебаний используют аэродинамические, механические, гидродинамические, электромагнитные, электродинамические, магнитострикционные и пьезоэлектрические излучатели.

Основным элементом излучателя является электроакустический преобразователь (магнитострикционный или пьезоэлектрический). Он соединен с согласующим устройством, осуществляющим передачу акустической энергии от преобразователя в обрабатываемую среду, а также создающим размеры излучающей поверхности и интенсивность ультразвукового поля.

В качестве согласующих устройств используют, как правило, волноводные концентраторы акустические – расширяющиеся (для жидкостей) или сужающиеся (для твердых веществ), резонансные (настроены на определенную частоту) или нерезонансные пластины.

Согласующее устройство, кроме того, может одновременно выполнять функции режущего или какого-либо другого инструмента (например, при сверлении, сварке, пайке). Иногда применяют преобразователи, работающие без согласующего устройства (например, кольцевые преобразователи, встроенные в трубопровод).

применение ультразвука

Ультразвуковая обработка твердых веществ используется в основном для сварки металлов, пластмасс и синтетических тканей, при резании металлов, стекла, керамики, алмаза и т.п. (например, при сверлении, точении, гравировании), а также при обработке металлов давлением (волочении, штамповке, прессовании и др.).

Резание на ультразвуковых станках обеспечивает высокую точность, позволяет получать не только прямые круглые отверстия, но и вырезы сложных сечений, криволинейные каналы. Ультразвук, подведенный к инструменту обычного металлорежущего станка (например, сверлу, резцу), интенсифицирует обработку и улучшает дробление стружки.

При обработке металлов давлением ультразвуковые колебания улучшают условия деформирования и снижают необходимые усилия. При ультразвуковом поверхностном упрочнении повышаются микротвердость и износостойкость, снижается шероховатость поверхности. Во всех этих процессах ультразвук обычно подводят с помощью волноводного концентратора к рабочим органам машин (например, к сверлу, валкам прокатного стана, штампу пресса, фильере).

Ультразвуковая обработка в жидкостях (жидкостей) основана главным образом на возникновении кавитации. При определенных условиях распространения ультразвуковых колебаний в жидкой среде происходят чередующиеся сжатия и растяжения с частотой проходящих колебаний. В момент растяжения в капельной жидкости образуются полости, заполненные газом, паром или их смесью (так называемые кавитационные пузырьки). В момент сжатия пузырьки захлопываются, в результате чего возникают ударные волны с большой амплитудой давления. Эти механические усилия и являются причиной разрушительного действия ультразвука. Местные ударные давления при этом часто превышают 980 мПа.

эффект кавитации

Некоторые эффекты кавитации (гидравлические удары при захлопывании пузырьков и микропотоки, возникающие в жидкости около пузырьков) используются при пайке и лужении, диспергировании, очистке деталей и т.д. Другие эффекты (разогрев паров внутри пузырька и их ионизация) используются для инициирования и ускорения химических реакций. Иногда для интенсификации ультразвуковой обработки процесс ведут при повышенном давлении.

При пайке и лужении металлов (алюминия, титана, молибдена) ультразвук разрушает окисные пленки на поверхности деталей и облегчает течение процесса. С использованием ультразвука можно лудить, а затем паять керамику, стекло и другие неметаллические материалы. Ультразвук подводят волноводным концентратором к припою, помещенному в ванну или нанесенному на поверхность детали.

Целесообразно использование ультразвука для очистки деталей и сборочных единиц сложной формы от загрязнений в машиностроении. Качество звуковой очистки несравнимо с другими способами. Например, при очистке деталей с помощью органических растворителей на поверхности остается 80% загрязнений, при вибрационной – 25%, а при ультразвуковой – 0,5%.

Хорошие результаты дает использование ультразвука для мойки фруктов, отмывания частиц крахмала с картофеля перед жаркой, сушкой.

Разработана ускоренная технология производства виноградного сока, согласно которой удаление избытка винного камня проводится с применением ультразвуковой обработки. Сок после такой обработки хорошо фильтруется и становится кристально прозрачным.

чистка лица ультразвком

Очистка осуществляется в ваннах со встроенными электроакустическими излучателями. В рабочую жидкость добавляют поверхностно-активные вещества. Для снятия заусенцев с деталей в жидкость вводят абразивные частицы, ускоряющие обработку.

Дегазацию (освобождение от газов) жидкостей осуществляют при малой (обычно ниже порога кавитации) интенсивности ультразвука. Мелкие газовые пузырьки, взвешенные в жидкости, сближаются друг с другом, слипаются и всплывают на поверхность. Дегазации подвергают расплавы оптических стекол, жидкие алюминиевые сплавы и другие жидкости. Ультразвуковую обработку используют при обогащении (флотации) руд – газовые пузырьки оседают на поверхностях частичек минералов и всплывают вместе с ними.

Ультразвуковая обработка оказывает благоприятное влияние на процесс кристаллизации расплавов металлов при литье, что существенно улучшает структуру слитка и его механические свойства.Для образования эмульсий обычно применяют ультразвуковые аппараты в виде свистков или сирен.

Промышленное значение ультразвука может быть использовано для приготовления водно-жировых эмульсий любых концентраций и различной консистенции. Такие эмульсии имеют более высокую устойчивость, при добавлении в тесто значительно улучшают качество хлебобулочных изделий.

Приготовление суспензий в основном ведут в аппаратах с магнитострикционными преобразователями, работающими при повышенном давлении.

Образование аэрозолей происходит при ультразвуковой обработке жидкости в тонком слое с помощью волноводного концентратора, представляющего собой распылительную насадку. Ультразвук можно использовать для получения аэрозолей (например, при получении горячего дыма для копчения продуктов на основе коптильной жидкости).

При ультразвуковой обработке хорошо деполимеризуются в растворах высокомолекулярные соединения. Это свойство используется, например, при синтезе различных блок- и привитых сополимеров, для получения из природных полимеров ценных низкомолекулярных веществ.

Ультразвуковые колебания применяются для ускорения процесса полимеризации при изготовлении искусственного каучука, ускорения растворения твердых веществ в жидкости. Так, продолжительность растворения вискозы в процессе изготовления химических волокон при применении ультразвука сокращается с 7 до 3 ч.

Ультразвуковая обработка ускоряет многие массообменные процессы (растворение, экстрагирование, пропитку пористых тел и т.п.), ход которых ограничивается скоростью диффузии.

Действие высоких температур внутри кавитационных пузырьков, уменьшение толщины пограничного слоя и его турбулизация интенсифицируют также протекающие совместно химические и массообменные процессы. С помощью ультразвука можно ускорить диффузионные процессы. Например, при посоле сельди обработка ультразвуком значительно ускоряет процесс проникновения соли, повышается проницаемость оболочек клеток фруктов и овощей, что облегчает процесс извлечения сока.

посол сельди

Ультразвук используется для ускорения экстракционных процессов. Получение рыбьего жира из рыбьей печени при обработке ультразвуком происходит без значительного повышения температуры, что позволяет сохранить в готовом продукте все биологически активные вещества.

Ультразвуковая обработка в газах (газов) вызывает коагуляцию аэрозолей и пыли (укрупнение и осаждение взвешенных в газах мелких частиц) и применяется, например, в акустическом пылеуловителе.

При возбуждении ультразвука в нагретом газе (сушильном агенте) интенсифицируется сушка пористых тел – ускоряется испарение со свободной поверхности жидкости, в капиллярах возникают акустические течения и т.п. Ультразвуковая сушка обычно применяется совместно с другими видами сушки (например, инфракрасной, высокочастотной), в качестве источников ультразвука используют сирены.

С помощью ультразвука процесс сушки можно вести при более низких температурах, что способствует сохранению пищевой ценности высушиваемого продукта. Наиболее благоприятно акустическая сушка протекает при механическом перемещении частичек материала, особенно при сушке в кипящем слое или при непрерывном перемешивании. Сушка в кипящем слое обеспечивает большую интенсивность процесса, высокий коэффициент заполнения объема, при этом более полно используется звуковая норма.

сушка в кипящем слое

Расширяется область практического использования ультразвуковой обработки, (например, в пищевой промышленности для осветления вин и ликеров, в фармацевтической – для стерилизации и приготовления различных препаратов и т.д.).

С помощью ультразвуковой фильтрации можно разделять жидкие неоднородные системы. Подаваемая в ультразвуковой фильтр суспензия подвергается воздействию ультразвука. Под действием звуковых волн твердые частицы суспензии коагулируют и в виде осадка собираются в нижней части аппарата. Жидкая фаза вытекает через штуцер в верхней части аппарата.

Установлено положительное влияние ультразвука на вкусовые качества шоколада: он отличается нежностью, бархатистостью и более тонким букетом. Под действием ультразвука вязкость шоколадной массы снижается на 7–10%.

Эффективно применение ультразвуковых гомогенизаторов. Так, под действием ультразвуковых колебаний в объеме эмульсии (вода и молочные жировые шарики) образуются кавитационные пузырьки. При их схлопывании возникают ударные волны, интенсивно измельчающие жировые шарики. Ультразвуковая гомогенизация обладает рядом преимуществ, и главное из них – возможность управлять процессом, регулируя частоту и амплитуду колебаний. Кроме того, с помощью ультразвука стерилизуют молоко при комнатной температуре. При этом полезные вещества молока, разрушающиеся при нагревании, в нем сохранятся.

УЗ гомогенизатор

С помощью ультразвука можно получать и мелкодисперсные суспензии. Разрушение твердых частиц происходит в две стадии: сначала при соударениях в частицах возникают микротрещины, а затем кавитационные ударные волны расширяют и углубляют трещины, раскалывая частицу.

Ультразвуковые гомогенизаторы также необходимы при производстве плодовых соков и пюре, для извлечения растительных компонентов без использования органических растворителей, при изготовлении антибиотиков с повышенной антибактериальной активностью.

ЧИТАЙТЕ ДАЛЕЕ: