Физика ультразвука
Ультразвуковая кавитация.
В гидродинамике кавитацией называют образование в жидкости под действием достаточно больших разрывающих напряжений пустот, которые в следующее мгновение снова быстро смыкаются. Кавитация возникает, например, при быстром вращении гребных винтов, в турбинах, при вытекании жидкости из сопла и так далее. Импульсы давления, возникающие при смыкании кавитационных пустот, приводят к разрушению материала.
Релей рассчитал силы, возникающие при смыкании сферического газового пузырька в жидкости. Если радиус газового пузырька уменьшается от начального значения R0 до значения R в жидкости с гидростатическим давлением p0, то скорость υ встречного движения частиц жидкости обратно пропорциональна радиусу R уменьшающегося пузырька. Таким образом, при R→0 υ→∞. Если это быстрое движение внезапно прекратится вследствие полного смыкания полости, то сконцентрированная в ничтожном объёме кинетическая энергия освободится и перейдёт частично в тепловую энергию и частично в энергию сжатия. При этом из центра сомкнувшейся полости распространится сферическая ударная волна. Согласно Релею, на расстоянии r=1,587R от центра пузырька в жидкости возникает максимальное давление
Для R=1/20 R0 и p0=1 атм получаем р=1260 атм. Это давление возникает в непосредственной близости от поверхности пузырька, но на самой поверхности оно равно нулю. Если газовый пузырёк уменьшается от исходного радиуса R0 до радиуса R, то при этом создаётся давление
где β - сжимаемость жидкости. Для воды (β =50x10-6 атм-1) при p0=1 атм и R0/R=20 получаем р=10300 атм. Время, в течение которого полностью смыкается газовый пузырёк радиуса R0 в жидкости с плотностью ρ при гидростатическом давлении p0, равно
где p0 выражено в дин/см2. При нормальном давлении для смыкания газового пузырька диаметром 0,1 мм в воде требуется время 5 мксек. Если учесть, что при частоте ультразвука f (например, 35 кГц) такие кавитационные процессы происходят f раз (35'000) в секунду, то становится понятным сильное разрушающее действие ультразвука.
Мёллер и Шох экспериментально исследовали импульсы давления, возникающие в процессе кавитации, а Нолтинг и Неппирас, приняв некоторые упрощающие условия, вывели следующее дифференциальное уравнение, которому подчиняется кавитационное колебание газового пузырька:
где R0 - начальное значение радиуса пузырька в момент времени t=0, ρ - плотность и σ - поверхностное натяжение жидкости с гидростатическим давлением p0, P - амплитуда звуковой волны с частотой f. Решение этого уравнения позволяет предсказать частотные зависимости и характер установления кавитационных колебаний, а следовательно, и возникающих волн сжатия вблизи от полости. В другой работе этих же авторов обсуждаются граничные условия, при которых ещё возникает кавитация при изменении p0, P, R0 и f.
Возникает вопрос, каким образом в жидкости могут образоваться пустоты или, другими словами, какое разрежение или разрывающее напряжение может обусловить появление кавитационных пустот? Следует различать два случая:
- жидкость содержит растворенные газы и
- газы полностью удалены.
Если в первом случае увеличить объём сосуда, полностью заполненного жидкостью, то вследствие возникающего разрежения жидкость будет перенасыщена газом, который и выделится в виде маленьких пузырьков. Это явление можно назвать "псевдокавитацией" в отличие от "истинной кавитации", которая может иметь место лишь в полностью обезгаженной жидкости.
Истинная кавитация происходит иначе. Рассмотрим порядок величины внутренних сил сцепления, которые должны быть преодолены при разрыве жидкости. Из нормального значения сжимаемости жидкости порядка 10-4 атм-1 можно заключить, что величина внутренних сил эквивалентна ~104 атм. Было проделано много опытов по определению напряжения растяжения, необходимого для разрыва полностью обезгаженной жидкости. Экспериментально найденные значения характеризуются большим разбросом и равны от 100 до нескольких атмосфер. Поэтому Винсент принимает, что в жидкости имеются определённые местные нарушения однородности (зародыши) в виде ничтожно малых пузырьков, содержащих газ под высоким давлением, и что разрыв жидкости происходит чисто случайно в местах нахождения зародышей. Условия механического равновесия газового пузырька радиусом R, находящегося в жидкости с поверхностным натяжением и гидростатическим давлением p0‚ определяются соотношением
где p-давление газа в пузырьке. Если принять для p наивысшее из найденных Винсентом значений 7,8, то из вышеприведённого соотношения получим для радиуса пузырька R=2σ/(p-p0) величину порядка 10-5 см. Такие "зародышевые" пузырьки, которые приводят к возникновению кавитации даже при весьма малых интенсивностях ультразвука, обладают ничтожной подъёмной силой и поэтому лишь с большим трудом могут быть удалены из жидкости. Последнего удаётся достигнуть лишь при помощи продолжительного кипячения жидкости или многократного интенсивного облучения её ультразвуком при пониженном давлении. Харви с сотрудниками нашли другой способ удаления зародышевых пузырьков. Они повышали давление до 1000 атм и выше, благодаря чему зародышевые пузырьки растворялись. Такую, лишённую зародышевых пузырьков воду можно нагревать до 200°С без образования пузырей пара и подвергать интенсивному ультразвуковому облучению без возникновения кавитации.
На эти важные для процесса ультразвуковой кавитации микроскопические пузырьки указывает также Блейк. Кроме пузырьков, причиной возникновения кавитации в жидкостях при переменных звуковых давлениях, более низких, чем теоретически необходимые, могут явиться мельчайшие твёрдые частицы (пыль), особенно гидрофобные.
Наконец, возникновение кавитационных пустот в фазе отрицательного давления звуковой волны можно объяснить тем, что в жидкости вследствие броуновского движения имеют место сильные флюктуации внутренней структуры, то есть всегда есть области пространства с молекулами низкой энергии и области пространства с быстро движущимися молекулами высокой энергии. Именно в последних областях, которые называют областями с повышенной микротемпературой, добавочное разрывающее напряжение, создаваемое звуковой волной, может обеспечить значение энергии, необходимое для разрыва жидкости.
Амплитудная модуляция
Модуляция (от латинского modulatio - мерность, размеренность) - изменение во времени по заданному закону параметров, характеризующих какой-либо стационарный физический процесс. Большое практическое значение имеет модуляция электро-магнитных колебаний радио- и оптических диапазонов, а также акустических волн. Изменяемый в процессе модуляции параметр колебаний (амплитуда, частота, фаза) определяет название модуляции (соответственно, амплитудная, частотная, фазовая); возможна и смешанная модуляция (например, амплитудно-фазовая). Модулированный сигнал представляет собой результат наложения колебаний модулирующего сигнала на колебания несущей частоты (переносчик информации), как правило имеющих вид гармонических колебаний. Пример амплитудной модуляции изображён на рисунке 1.
