Ультразвуковой капиллярный эффект и акустическая кавитация

Упругие колебания частотой от 20 Гц до 20 кГц называют звуком, звук воспринимается человеческим ухом. Ультразвуком называют колебания в диапазоне от 20 кГц до 100 кГц, его человек не слышит, но некоторые животные его воспринимают. Акустические колебания выше 100 кГц называют гиперзвуком.

В неразрушающем контроле широко и эффективно используют ультразвуковые колебания частотой примерно 0,5 - 5 Мгц в приборах ультразвуковой дефектоскопии, структуроскопии, толщинометрии. Интенсивность этих колебаний небольшая и они не оказывают влияния на среду, в которой распространяются. Их роль состоит в том, чтобы дать информацию об объекте, в котором они распространяются. Информационными параметрами являются скорость и амплитуда отраженного сигнала.

При распространении ультразвуковых колебаний так называемых промышленных частот (18 - 100 кГц) большой интенсивности в жидкостях возникают вторичные акустические явления: кавитация, акустические течения, радиационное давление и т.д. Эти явления изменяют гидромеханику и свойства жидкости, в которой распространяются колебания и могут вызывать при определенных условиях проявление таких специфических явлений, как ультразвуковой капиллярный эффект, звуколюминесценция и других.

В капиллярной дефектоскопии наиболее успешно используются ультразвуковые колебания промышленных частот на операциях подготовки изделия к контролю, очистке, обезжиривании. При этом наиболее важную роль играет кавитация. Кавитация - явление образования разрывов жидкости, заполненных парогазовой смесью. Парогазовые кавитационные пузырьки захлопываются с огромной скоростью, доходящей до 10 - 100 мс^-1, и разрушают пленки всевозможных загрязнений. При этом происходит ультразвуковое эмульгирование жиров, масел и других загрязнений и удаление их с поверхности объекта контроля с помощью акустических течений. Незахлопывающиеся кавитационные пузырьки колеблются, чем помогают отрыву пленки загрязнений от поверхности контролируемой детали и в конечном итоге удалению загрязнений. Особенно эффективна ультразвуковая очистка для изделий сложной формы.

Наибольшее достоинство ультразвуковой очистки состоит в том, что такие экологически-, пожаро- и взрывоопасные вещества как бензин, ацетон, спирты можно заменить на воду и водные растворы. Суть в том, что кавитационная активность воды гораздо выше, чем у ацетона, спирта, бензина, поэтому соответственно выше очищающая способность воды и водных растворов. Происходящие при этом ультразвуковые диспергирование и эмульгиро­вание только ускоряют очистку.

При необходимости для подготовки поверхности к контролю можно применять ультразвуковое травление.

Ультразвуковой капиллярный эффект - явление увеличения глубины и скорости проникновения жидкости в капилляры под действием ультразвука (по сравнению с глубиной и скоростью, обусловленных только капиллярными силами).

Открытие ультразвукового капиллярного эффекта принадлежит белорусскому ученому академику Г.Е.Коновалову. В государственном реестре открытий СССР оно зарегистрировано под № 109 с приоритетом от 6 мая 1962 г. Наблюдать ультразвуковой капиллярный эффект проще всего на опыте, схема которого представлена на рис. 2.7. Если капилляр погрузить в воду, то под действием капиллярных сил жидкость поднимется на высоту Н₀.Если в жидкость на дно ванны поместить источник ультразвука, то высота подъема будет в десятки и сотни раз превосходить величину Н₀ и может достигать 10-15 м. Опытами и теоретически доказано, что в основе эффекта лежит явление кавитации. Поэтому, чтобы создать условия для проявления ультразвукового капиллярного эффекта, надо вызвать развитую кавитацию. Для этого надо в технологическом процессе соблюдать оптимальные условия для кавитации и проявления ультразвукового капиллярного эффекта (температура жидкости, ее вязкость, поверхностное натяжение, упругость пара и др. свойства).

Рис. 2.7. Ультразвуковой капиллярный эффект (явление увеличения скорости и высоты подъема жидкости в капилляре Н_узк под действием ультразвука): Н_о - высота подъема от капиллярных сил; Н_узк - высота подъема, вызванная действием ультразвука; R - радиус капилляра; - коэффициент поверхностного натяжения; θ - краевой угол смачивания.