ЛИТЕРАТУРА
1. Котюк А. Ф., Лимберман А. А., Ула-новский М. В. Задачи совершенствования отечественной системы обеспечения единства измерений величин и параметров, характеризующих лазерное излучение // Лазер-информ. — 2004. — № 15—16. — С. 4—11.
2. Рыкалин Н. Н., Углов А. А., Зуев И. В, Кокора А. Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник. — М.: Машиностроение, 1985. — 496 с.
3. Олейник А. С. Методы контроля инфракрасного излучения: Монография. — Саратов: СГТУ, 2014. — 164 с.
4. Олейник А. С., Федоров А. В. Регистрация лазерного излучения пленочными реверсивными средами на основе диоксида ванадия // Российские нанотехнологии. — 2011. — Т. 6, № 5—6. — С. 120—129.
5. Пат. 2397458 РФ МПК GO и 5/20. Тепловой приемник излучения / А. С. Олейник, А. В. Федоров // Бюл. — 2010. — № 23.
6. Положительное решение о выдаче патента на полезную модель по заявке № 2014151950 МПК GO и 5/20 от 29.04.2015. Многоэлементный тепловой приемник на основе пленки УОх / А. С. Олейник, Р. Н. Са-лихов.
7. Пат. 2518250 РФ МПК GO и 5/20. Тепловой приемник / А. С. Олей-ник, Е. А. Журавлев // Бюл. — 2014.
8. Марков М. Н. Приемники инфракрасного излучения. — М.: Наука, 1968. — 168 с.
УДК 53.082.73.681.533.3/.4
КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КАВИТАЦИОННОЙ АКТИВНОСТИ В ЖИДКИХ СРЕДАХ
CONTROL PARAMETERS OF ULTRASONIC OSCILLATORY SYSTEM FOR STUDY OF CAVITATION ACTIVITY IN LIQUID MEDIA
1) Хмелев Владимир Николаевич
д-р техн. наук, профессор, директор по научной деятельности Е-mail: vnh@bti.secna.ru
1) Барсуков Роман Владиславович
канд. техн. наук, доцент Е-mail: roman@bti.secna.ru
2) Ильченко Евгений Владимирович
аспирант
Е-mail: iev@bti.secna.ru
2) Попова Наталья Сергеевна
магистрант
Е-mail: nsp.bsk@gmail.com
2) Генне Дмитрий Владимирович
инженер
Е-mail: gdv@bti.secna.ru
1) ООО "Центр ультразвуковых технологий", г. Бийск
2) Бийский технологический институт (филиал), Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова
Аннотация: Приведены результаты экспериментальных исследований, позволивших установить зависимости между электрическими параметрами пьезоэлектрических колебательных систем и мощностью кавитационного шума, возникающего при ультразвуковой обработке жидких технологических сред. Ключевые слова: ультразвук, электронный генератор, нагрузка, контроль.
Khmelev Vladimir N.
D. Sc. (Tech.), Professor, Research Director Е-mail: vnh@bti.secna.ru
Barsukov Roman V.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor Е-mail: roman@bti.secna.ru
2) Ilchenko Evgeny V.
Postgraduate Е-mail: iev@bti.secna.ru
2) Popova Natal'a S.
Master Student
Е-mail: nsp.bsk@gmail.com
2) Genne Dmitry V.
Engineer
Е-mail: gdv@bti.secna.ru
OOO "Center of ultrasonic technology", Biysk city
2) Biysk Technological Institute (branch) of the AltSTU
Abstract: The article presents the results of experimental studies allowed to establish the relationship between the electrical parameters of the piezoelectric vibration systems and the power of cavitation noise produced by ultrasonic treatment of liquid technological media.
Keywords: ultrasound, electronic generator, cavitation6, load, monitoring.
ВВЕДЕНИЕ
Реализация большинства ультразвуковых (УЗ) технологических процессов в жидких средах возможна благодаря явлению кавитации. При этом различают несколько режимов УЗ воздействия на жидкие технологические среды.
Докавитационный режим реализуется при интенсивнос-тях УЗ-воздействия ниже порога зарождения кавитации, и для него характерно отсутствие в жидкой среде кавитационных пузырьков.
Режим зарождения кавитации реализуется при превышении интенсивности УЗ-воз-действия некоторого порогового значения (для каждой среды величина порога различна). Для такого режима характерно зарождение небольшого количества кавитационных пузырьков, которые в процессе роста не достигают своего максимального размера (эффективность кавитации невысокая).
Режим развитой кавитации реализуется при больших ин-тенсивностях УЗ-воздействия (10...20 Вт/см ). Для такого режима характерны высокие концентрации зарождающихся ка-витационных пузырьков, а также высокая эффективность кавитации.
Зарождение и развитие кавитации в жидкой среде изменяет ее акустические свойства. В режиме развитой кавитации акустическое сопротивление ка-витирующей среды в области излучателя приближается к акустическому сопротивлению газовых сред. Очевидно, что такое сильное изменение волнового сопротивления среды вблизи
излучателя изменяет его механические и электромеханические параметры. Далее представлены результаты исследований влияния кавитационной активности на параметры ультразвуковых колебательных систем.
Практический раздел работы можно условно разбить на две части. В первой части приводятся результаты экспериментальных исследований электрических параметров пьезоэлектрических ультразвуковых колебательных систем (УЗ КС). Во второй части устанавливаются зависимости между электрическими параметрами пьезоэлектрических колебательных систем и мощностью кавита-ционного шума, возникающего при ультразвуковой обработке жидких технологических сред.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
При проведении исследований в качестве технологических сред использовались:
— водный раствор №С1 (диапазон концентраций 0...25 % с шагом 2,5 %);
— водный раствор сахарозы (диапазон концентраций 0...40 % с шагом 5 %);
— водный раствор глицерина (диапазон концентраций 0...35 % с шагом 5 %). В качестве источника УЗ-воздействия использовался аппарат "Волна" модели УЗТА-0,4/22-ОМ [1], электрическая схема которого была дополнена контрольными точками для проведения измерений.
В основу проводимых измерений был положен анализ физической модели (эквивалентной электрической схемы), разработанной в работах [2—4] по определению ЛХС-параметров в технологической среде (рис. 1). На рисунке обозначения эквивалентны: Х0 — колеблющейся массе, обусловленной собственными свойствами (инерционностью) УЗ колебательной системы; С0 — упругости материала, из которого изготовлена УЗКС; В — сопротивлению механических потерь; — сопротивлению излучения колебательной системы; — колеблющейся массе обрабатываемой жидкой фазы, присоединенной к излучающей поверхности. Элемент Вэкв (на схеме не обозначен) является суммой элементов
Рис. 1. Эквивалентная электрическая схема замещения УЗ КС с преобразователем пьезоэлектрического типа
26
Эепвогв & Эувгетв • № 7.2015
а о
т «
7000 : ^
6000
5000
4000 .:
3000
2000
1000
140
0 % 2,5 % 7,5 % 12,5 % 17,5 % 22,5 % 25,0 % - Воздух
190
Ц, В
Рис. 2. Зависимость активного элемента -Йэкв механической ветви УЗКС от напряжения питания УЗКС для различных концентраций раствора №0!
0
Ro и Rн. Емкость Cн обусловлена наличием у обрабатываемой среды упругих свойств; C — электрическая (статическая) емкость пьезопреобразователя.
Методика определения RLC-элементов эквивалентной электрической схемы замещения УЗКС подробно описана в работе [1].
Результаты экспериментальных исследований были получены при кавитационной обработке водного раствора №С1 различных концентраций. Для раствора каждой концентрации измерения проводились на различных уровнях напряжения питания УЗКС. На рис. 2 представлены зависимости сопротивления элемента Rэкв от напряжения питания УЗКС U при различных концентрациях раствора №С1. Зависимости значений элементов Сн и Lн не имеют характерных особенностей и перспектив применения и в данной статье не рассматриваются.
Из зависимостей рис. 2 следует, что возникающая в среде кавитация приводит к уменьшению активного сопротивления УЗКС при увеличении напряжения ее питания. Далее, по мере увеличения напряжения сопротивление элемента Rэкв (для всех концентраций раствора) стремится к одному значению. Это обусловлено развитием кавитации в жидкой среде и достижением при определенной интенсивности УЗ-воздействия режима развитой кавитации (насыщения жидкой среды парогазовыми пузырьками), для которого характерно сопротивление нагрузки Rэкв, близкое к сопротивлению газовой среды.
Еще одной особенностью представленных зависимостей является различие уровней напряжения питания УЗКС, при которых сопротивление Rэкв начинает падать, что обусловлено зависимостью кавитационной прочности раствора от его концентрации. По мере увеличения концентрации раствора его кави-тационная прочность растет.
Аналогичные измерения были проведены в ходе исследования растворов сахарозы и глицерина. Полученные для различных концентраций указанных растворов зависимости сопротивления Rэкв от напряжения питания УЗКС показаны на рис. 3. Эти кривые иллюстрируют убывающий характер Rэкв, как и для раствора N0, что связано с развитием в жидких
средах явления кавитации по мере увеличения напряжения питания УЗКС.
Контроль кавитационной активности в ходе проведения экспериментов осуществлялся путем измерения уровня звукового давления, создаваемого ка-витационным шумом. Подобный метод описан в [5], он положен в основу принципа действия ряда кавитометров [6]. Измерения проводились с помощью шумомера-анализатора спектра "АССИСТЕНТ 8Ш30" в звуковом диапазоне на различных уровнях напряжения питания УЗКС путем измерения уровня звукового давления в воздушной среде.
Микрофон при этом располагался на расстоянии 0,3 м от УЗКС. Время экспозиции вы-
биралось из условия стабилизации показаний прибора и в среднем составляло 60 с. Измерения звукового давления для
каждого уровня напряжения питания УЗКС осуществлялись после выхода УЗ-генератора на стабильный режим работы.
Были получены значения эквивалентных уровней звукового давления кавитационного шума в третьоктавных частотных полосах со средними геометрическими частотами от 25 Гц до 20 кГц при работе ультразвукового генератора на дискретных уровнях возбуждающего напряжения от 120 до 190 В. Эскиз экспериментальной установки показан на рис. 4.
На рис. 5 представлены спектры шума для минимального и максимального напряжений питания УЗКС.
Анализ полученных спектрограмм показывает, что при дискретном увеличении напряжения питания УЗКС
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.