Способ акустической обработки объекта

 

Изобретение относится к способам акустической обработки различных объектов, основанным на воздействии на них акустическими колебаниями через жидкую среду, и может быть использовано во многих отраслях науки и техники, например в металлургии, в машиностроении, в химической промышленности, в медицине. В способе акустической обработки объекта путем воздействия на него акустическими колебаниями через жидкую среду в режиме, обеспечивающем возникновение акустической кавитации, акустическую кавитацию вызывают одновременным воздействием совокупности акустических колебаний, имеющих различные частоты. Одновременно с воздействием на объект совокупностью акустических колебаний, вызывающих кавитацию, осуществляют воздействие колебаниями по меньшей мере на одной частоте, обеспечивающей возникновение в жидкой среде некавитационных эффектов. Изобретение обеспечивает повышение эффективности акустической обработки объекта.

Изобретение относится к способам акустической обработки различных объектов, основанным на воздействии на них акустическими колебаниями через жидкую среду, и может быть использовано во многих отраслях науки и техники, например, в металлургии, в машиностроении, в химической промышленности, в медицине.

Распространяющиеся в жидкой среде акустические волны могут вызвать целый ряд эффектов, таких как радиационное давление звуковой волны, акустические течения, акустическая кавитация. При этом определяющую роль в процессе воздействия на обрабатываемый объект играет акустическая кавитация. Благодаря концентрации механической энергии в очень малых объемах газопаровой полости, кавитация приводит к образованию ударных волн, локальному (в объеме кавитационного пузырька) повышению температуры до нескольких тысяч градусов Кельвина и, как следствие, к инициированию физико-химических реакций взаимодействия в системе твердое тело - жидкость, к появлению мелкомасштабных (порядка радиуса пузырька) потоков, к увеличению скорости перемещения жидкости в капиллярах и порах и к возникновению других явлений.

Указанные эффекты обуславливают применение акустической кавитации в целом ряде технологических процессов: металлизация поверхностей твердого тела, очистка поверхности объекта от заусенцев, загрязнений, пленки окислов, диспергирование, эмульгирование, стерилизация объектов, стирка белья и прочее.

Параметры акустического воздействия на жидкую среду (частота акустических колебаний, звуковое давление, длительность обработки), обеспечивающие требуемую в конкретном способе обработки интенсивность и степень развитости кавитации, выбирают с учетом цели обработки, вида объекта и природы жидкой среды.

Так, например, известен способ ультразвуковой (УЗ) очистки изделий [а.с. СССР 1674989, В 08 В 3/12, публ. 1991 г.].

Согласно способу в моющей жидкости создают УЗ-поле, вызывающее акустическую кавитацию, и этим полем прерывисто воздействуют на размещенное в жидкости вне зоны развитой кавитации очищаемое изделие, в частности, загрязненное консистентной смазкой. Прерывистое воздействие обеспечивается путем возвратно-поступательного перемещения излучателя над изделием.

Известен способ стирки белья [патент РФ 2047676, D 06 F 7/04, публ. 1995 г. ], включающий воздействие на объект звуковыми волнами через жидкую среду, при этом обработку осуществляют в режиме низкочастотной кавитации на одной частоте из диапазона 50-60 Гц.

В качестве прототипа авторами выбран способ ультразвуковой очистки изделий [а.с. СССР 636049, В 08 В 3/12, публ. 1978 г.].

Согласно данному способу на очищаемое изделие воздействуют акустическими колебаниями через жидкую среду в режиме, обеспечивающем возникновение акустической кавитации. При этом в жидкости создают спектр кавитационных зон путем введения нескольких, по меньшей мере двух разных по частоте упругих колебаний. За счет этого изделие любой конфигурации, в том числе имеющее глухие карманы и отверстия, обрабатывается одинаково хорошо.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности акустической обработки объекта.

Сущность изобретения заключается в том, что способ акустической обработки объекта осуществляют путем воздействия на него акустическими колебаниями через жидкую среду в режиме, обеспечивающем возникновение акустической кавитации, причем акустическую кавитацию вызывают одновременным воздействием совокупности акустических колебаний, имеющих различные частоты. Согласно изобретению одновременно с воздействием на объект совокупности акустических колебаний, вызывающих кавитацию, осуществляют воздействие колебаниями по меньшей мере на одной частоте, обеспечивающей возникновение в жидкой среде некавитационных эффектов.

Одновременное воздействие на обрабатываемый объект несколькими акустическими колебаниями с различными частотами одного порядка, выбранными из диапазона частот, обеспечивающих возникновение кавитационных процессов (применительно к конкретному способу обработки), приводит к значительной интенсификации явлений, вызываемых акустической кавитацией. Кавитация в жидкости возникает, если отрицательное звуковое давление превышает кавитационную прочность жидкой среды на частоте акустического воздействия. При этом в случае воздействия на жидкую среду моночастотными акустическими колебаниями только часть кавитационных зародышей определенного размера дорастет до резонансного для данной моночастоты размера с последующим схлопыванием образовавшихся кавитационных пузырьков. Поскольку в реальной жидкости присутствуют зародыши кавитации в широком диапазоне размеров, то при широкополосном частотном акустическом воздействии увеличивается вероятность "отклика" большего количества зародышей кавитации на растягивающее звуковое давление, которое приведет к их росту и последующему схлопыванию кавитационных пузырьков. Увеличение количества одновременно схлопывающихся в единице объема кавитационных пузырьков приводит к повышению кавитационной активности жидкости. При этом сильнее проявляются вызываемые кавитацией явления, используемые при акустическом воздействии на объект.

Таким образом, благодаря возможности управлять кавитационной активностью жидкой среды, предлагаемый способ позволяет повысить эффективность акустической обработки объекта.

Дополнительное воздействие на объект акустическими колебаниями, частота (или частоты) которых выбраны так, чтобы в жидкой среде возникали некавитационные эффекты, расширяет технологические возможности способа. Кавитационные явления в таком случае дополняются эффектами другой природы, которые вызываются распространением в жидкой среде и необратимым взаимодействием с ней акустических волн. При этом такие эффекты возникают без применения специальных технологических операций (например, перемешивание, нагрев и прочее). Указанная частота (или частоты) акустических колебаний может значительно (на порядок или на несколько порядков) отличаться от частотного спектра совокупности акустических колебаний, вызывающих акустическую кавитацию.

Так, например, дополнительно воздействующие на объект низкочастотные колебания вызывают появление в жидкости поперечных вязких волн и обусловленных ими акустических течений (макропотоков), которые способствуют интенсификации тепломассообменных процессов в жидкости. Возникающие макропотоки в том числе приводят к более равномерному распределению в жидкости зародышей кавитации, то есть к повышению кавитационной активности. Эти эффекты играют существенную роль в повышении эффективности обработки объекта в целом ряде процессов.

Дополнительное воздействие на объект акустическими колебаниями с частотой (или частотами), значительно превышающей частоты, на которых возникает акустическая кавитация, также приводит к появлению акустических течений (макропотоков), обусловленных возросшим (в связи с более высокой частотой) поглощением жидкой средой импульса продольной акустической волны. При этом скоростью и конфигурацией этих течений можно управлять независимо от выбранного режима кавитации путем выбора частоты и направления распространения высокочастотной акустической волны.

Таким образом, для эффективной обработки объекта целесообразным является использование в частотном спектре акустических колебаний совокупности близких по величине частот, выбранных с целью обеспечения требуемой для конкретного процесса кавитационной активности жидкости, а также дополнительное использование по меньшей мере одной частоты, значительно отличающейся от указанной совокупности частот и выбранной с целью передачи требуемых для рассматриваемого процесса количества движения и энергии акустической волны в жидкую среду.

Возможность реализации предлагаемого способа показана в примерах.

Пример 1 Осуществляли акустическую обработку алюминиевого расплава с целью получения алюминиевого слитка.

В расплав, находящийся в кристаллизаторе, вводили ультразвуковые колебания от магнитострикционного преобразователя малой добротности. При этом обеспечивалось воздействие совокупностью акустических колебаний, частоты которых лежат в диапазоне (19,5-20,5) кГц. Амплитуда колебательных смещений на указанных частотах на поверхности преобразователя составляла величину 20 мкм.

Кроме того, преобразователь осциллировал на частоте 50 Гц с амплитудой колебательного смещения 1 мм.

Время воздействия акустическими колебаниями в указанных двух диапазонах частот составило 10 мин.

Высокочастотные ультразвуковые колебания, создавая в центральной части кристаллизатора кавитацию, способствуют образованию мелкозернистой структуры слитка. При этом в кавитационной области происходит сильное поглощение энергии и, как следствие, дополнительное нагревание расплава, что обуславливает возникновение большого градиента температур в направлении от охлаждаемых стенок кристаллизатора к центральной части расплава. Наложение дополнительных низкочастотных акустических колебаний приводит к образованию акустических течений (макропотоков), за счет которых ликвидируются имеющиеся температурные градиенты.

В результате указанной обработки расплава получен слиток с мелкозернистой однородной по объему структурой.

Пример 2 Осуществляли металлизацию плоских дисков из пьезокерамики цирконата-титаната свинца. Металлизируемые детали размещали на нагреваемом столе станка для ультразвуковой металлизации установки УЗУНП-1. Помещали на плоскую поверхность дисков расплав эвтектики олово-цинк. В расплав вводили совокупность акустических колебаний с частотами в диапазоне (18-22) кГц от низкодобротного УЗ-преобразователя. Время воздействия УЗ-колебаний составило 3 с. После прекращения УЗ-воздействия металлизированные диски охлаждали. Затем определяли адгезионную прочность образованного соединения пьезокерамики с металлом. Адгезионная прочность в среднем составила 22 МПа, что является весьма высоким показателем, превышающим адгезионную прочность, достигаемую известными способами металлизации пьезокерамики.

Формула изобретения

Способ акустической обработки объекта путем воздействия на него акустическими колебаниями через жидкую среду в режиме, обеспечивающем возникновение акустической кавитации, причем акустическую кавитацию вызывают одновременным воздействием совокупности акустических колебаний, имеющих различные частоты, при этом одновременно с воздействием на объект совокупностью акустических колебаний, вызывающих кавитацию, осуществляют воздействие колебаниями по меньшей мере на одной частоте, обеспечивающей возникновение в жидкой среде некавитационных эффектов.