X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Ультразвук представляет собой звуковую волну диапазона от 18 кГц до 1 ГГц, который лежит за пределом чувствительности слухового аппарата человека. По своей природе УЗ волна не отличается от волн слышимого диапазона и подчиняется тем же физическим законам [1].

Ультразвук имеет свои особенности, по которым отличается от звуков слышимого диапазона. Сравнительно легко в ультразвуковом диапазоне получить направленное излучение. К тому же он хорошо фокусируется, и в результате этого повышается интенсивность совершаемых колебаний. При распространении в твердых телах, жидкостях и газах ультразвук рождает интересные явления, нашедшие практическое применение во многих областях техники и науки. Ультразвук в последние годы стал играть в научных исследованиях все большую роль. Были успешно проведены экспериментальные и теоретические изыскания в области акустических течений и ультразвуковой кавитации, что позволило ученым разработать технологические процессы, которые протекают при воздействии в жидкой фазе ультразвука. Ультразвук применяется, например, в физике полупроводников и твердого тела. Сегодня формируется отдельное направление химии, получившее название "ультразвуковая химия". Ее применение позволяет ускорить множество химико-технологических гетерогенных процессов. Зародилась также молекулярная акустика — новый раздел акустики, который изучает молекулярное взаимодействие с веществом звуковых волн. Появились новые сферы применения ультразвука: голография, интроскопия, акустоэлектроника, ультразвуковая фазомерия, квантовая акустика. Помимо экспериментальных и теоретических работ в этой области, сегодня было выполнено множество практических. Разработаны специальные и универсальные ультразвуковые станки, установки, которые работают под повышенным статическим давлением и др. Внедрены в производство ультразвуковые автоматические установки, включенные в поточные линии, что позволяет существенно повысить производительность труда [2].

Ультразвуковое воздействие характеризуется наличием упругих колебаний и волн частотой выше 15 – 20 кГц, которые и определяют его специфические особенности в различных средах. Особенности протекания кавитационных процессов в различных средах и их результаты активно изучаются. Важнейшим нелинейным эффектом в ультразвуковом поле является кавитация — возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Движение пузырьков в различных направлениях, их схлопывание, слияние друг с другом и т.д. порождают в жидкости импульсы сжатия (микроударные волны) и микропотоки, что способствует локальному нагреванию среды, возникновению ионизации. В результате указанных эффектов происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел (кавитационная эрозия), жидкость перемешивается, инициируются или ускоряются различные физические и химические процессы. Степень и глубина кавитационных процессов определяются условиями ультразвукового воздействия. Для кавитации характерно понятие порога, под которым понимается интенсивность ультразвука, ниже которой не наблюдаются кавитационные явления. Для воды и водных растворов пороги кавитации возрастают с увеличением частоты ультразвука и уменьшением времени воздействия. Накопление газа в пузырьке, ведущее к увеличению его среднего размера, называется направленной диффузией. Исследованиями установлено, что диффузионный механизм обеспечивает сравнительно медленный рост зародышей, что обеспечивает значительное количество пульсаций пузырьков при высокой частоте ультразвука, причем амплитуда пульсации пузырька для данной определенной частоты ультразвука будет максимальной. Данное явление называют стабильной кавитацией. Кавитационные пузырьки, захлопываясь, порождают в жидкости мощные импульсы давления и ударные волны. Повышение интенсивности ультразвука приводит к нестабильной кавитации: пузырьки очень быстро достигают своих резонансных размеров, затем резко расширяются и захлопываются, в результате чего газ внутри пузырька сжимается и нагревается до очень высоких температур. Высокие температуры вызывают диссоциацию молекул воды на водородные и гидроксильные свободные радикалы, которые рекомбинируют с образованием электронно-возбужденных состояний молекул H2O: переход молекул H2O из электронно-возбужденного состояния вызывает сонолюминесценцию. Свободные радикалы Н и ОН могут вступать в реакции как с растворенными веществами, так и с растворителем, вызывая протекание новых химических реакций. В результате кавитационных процессов внутри жидкости возникают определенные эффекты:

– сильные акустические сигналы на частоте, равной половине частоты ультразвука, вызвавшего кавитацию;

– ускорение протекающих химических реакций либо инициирование новых;

– интенсивные микропотоки и ударные волны, которые ведут к механическим перемешиваниям внутренних слоев жидкости; – разрыв химических связей макромолекул;

– ультразвуковое свечение и различные биологические эффекты. Повышая интенсивность ультразвука до значений возникновения механических воздействий, сопоставимых с прочностью клеточных оболочек, начинается процесс разрушения клеток [3].

Зачастую возникновение сильных механических явлений основывается на возникновении в жидкости, при превышении порога кавитации, газовых пузырьков стабильного и нестабильного характера. Пороговая интенсивность ультразвука, вызывающего гибель клеток, определяется как частотой ультразвука, так и типом клеток. Установлено, что частота обратно пропорциональна размеру пузырька, таким образом, низкие частоты ультразвука генерируют большее количество кавитационных пузырьков, что повышает давление в зоне кавитации. Ультразвуковые волны при распространении в жидкости образуют участки с высоким и низким давлением, которые, в свою очередь, обусловливают формирование в среде зон высоких сжатий и зон разрежений. Возможности кавитационного воздействия широко используются в различных процессах пищевых технологий, в частности: эмульгирование (за счет высокой скорости сдвига микропотоков); фильтрация (нарушение пограничного слоя); изменение вязкости; экструзия (механические вибрации, снижение трения); ферментная и микробная инактивация (высокая скорость сдвига, прямое кавитационное повреждение мембраны микробной клетки); ферментация (ускорение ферментных процессов); ускорение процессов теплопередачи и др.

В качестве примеров эффективного использования ультразвуковой кавитации в пищевых производствах, отметим, технологию переработки сельскохозяйственного сырья, разработанную Российской академией естественных наук ООО «Астор-С». Введение в технологию ультразвуковой обработки способствует сокращению использования химических пищевых добавок, что делает продукцию безопасной для потребителя, кроме того увеличивается выход мясной продукции. По результатам исследований вода, применяемая в пищевых производствах, подвергнутая воздействию ультразвуковой кавитации, ускоряет внутренние физические, химические и биохимические процессы, возникающие при переработке сельскохозяйственной продукции, что, в итоге, ускоряет получение готового продукта. Внешнее проявление кавитации заключается в приобретении водой свойств кипятка без повышения температуры. Вода становится мощным растворителем и способна активнее взаимодействовать с белками и другими компонентами сырья, обеспечивая усиление их гидратации, но, оставаясь холодной, вода не вызывает разрушения и изменения натуральных свойств продукта, что очень важно для пищевой промышленности. Работы многих авторов свидетельствуют, что воздействие кавитации на водные растворы в основном сводится к процессу расщепления молекул воды и веществ, находящихся в растворе в кавитационных пузырьках. При этом ультразвук изменяет физико-химические свойства водных растворов, независимо от природы веществ: увеличение рН, электропроводности, повышение количества свободных ионов и активных радикалов, структуризация и активация молекул[4].

В качестве источников ультразвука широкое применение нашли электроакустические преобразователи, поскольку электрическая энергия наиболее универсальна в использовании, удобна в распределении, управлении, измерении и преобразовании в другие виды. Электроакустические преобразователи в зависимости от физической природы используемого эффекта преобразования подразделяются на классы: электродинамические, электростатические, пьезоэлектрические, электромагнитные, магнитострикционные. В ультразвуковой технологии преимущественно используют магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи, так как они позволяют достаточно эффективно преобразовывать и излучать в нагрузку большую плотность энергии.

Применение ультразвукового воздействия позволяет значительно интенсифицировать процессы очистки деталей и поверхностей технологического оборудования от различного рода загрязнителей, повысить качество технологических процессов увлажнения воздуха, перемешивания эмульсий и суспензий, в том числе и несмешивающихся в обычных условиях.

Все перечисленные преимущества ультразвукового воздействия подтверждают перспективы использования УЗ-технологий в агропромышленном производстве и могут быть приняты в качестве «отправной точки» при разработки новых энергосберегающих технологий и оборудования.

Литература

М.М. Беззубцева, В.С. Волков. Инжиниринг электротехнологий переработки и хранения сельскохозяйственной продукции: практикум для обучающихся по направлению 35.04.06 «Агроинженерия», профиль «Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем». – СПб: СПбГАУ, 2017. – 214 с.

Абрамов, О. В. Воздействие мощного ультразвука на жидкие и твердые металлы: монография. / О.В. Абрамов. - М.: Наука, 2000. - 312 c.

Агранат, Б.А. Основы физики и техники ультразвука / Б.А. Агранат. - М.: Книга по Требованию, 2012. - 352 c.

Акопян, В. Б. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами: монография. / В.Б. Акопян, Ю.А. Ершов. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. - 224 c.

Код для цитирования: Скопировать