Ультразвук. Основы теории распространения ультразвуковых волн

Основные параметры ультразвука

Основными параметрами волны являются длина волны и период. Число циклов совершенных за одну секунду называется частотой и измеряется в Герцах (Гц). Время, требуемое чтобы совершить полный цикл, называется периодом и измеряется в секундах. Взаимосвязь между частотой и периодом волны приведено в формуле:

,

Скорость звука в идеальном упругом материале при заданной температуре и давлении является постоянной. Связь между скоростью ультразвука и длиной волны следующая:

,

В твердых веществах для продольных волн скорость звука [1]

,

Для поперечных волн она определяется по формуле

,

Дисперсия звука — зависимость фазовой скорости монохроматических звуковых волн от их частоты. Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическими свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.

Разновидности ультразвуковых волн

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны [2].

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны [3].

Волна Лэмба — упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Визуализация ультразвуковых волн

Интенсивность и мощность ультразвука

Интенсивность звука (сила звука) — средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны, в единицу времени. Для периодического звука усреднение производится либо за промежуток времени большой по сравнению с периодом, либо за целое число периодов [2]. Интенсивность ультразвука – величина, которая выражает мощность акустического поля в точке [6].

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

,

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова — вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения, понимая под этим удельную мощность излучателя, т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Мощность звука — энергия, передаваемая звуковой волной через рассматриваемую поверхность в единицу времени. Различают мгновенное значение мощности ультразвука и среднее за период или за длительное время. Наибольший интерес представляет среднее значение мощности ультразвука, отнесённое к единице площади, т. н. средняя удельная мощность звука, или интенсивность звука [2].

Затухание ультразвука

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

Рассеяние ультразвука происходит из-за резкого изменения свойств среды – её плотности и модулей упругости — на границе неоднородностей, размеры которых сравнимы с длиной волны. В газах это могут быть, например, жидкие капли, в водной среде — пузырьки воздуха, в твёрдых телах — различные инородные включения или отдельные кристаллиты в поликристаллах и т. п. Особый интерес представляет рассеяние на хаотически распределённых в пространстве неоднородностях.

Поглощение ультразвука может быть обусловлено различными механизмами. Большую роль играет вязкость и теплопроводность среды, взаимодействие волны с различными молекулярными процессами вещества, с тепловыми колебаниями кристаллической решётки и др.

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).

Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле [4]

,

Коэффициент затухания от времени определяется [5]

,

Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае

,

Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике [2].

,

Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:

Нп/м»/>,

Отражение ультразвука от границы раздела сред

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:

,

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом

,

,

Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т.е. Z₁>Z₂, то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ [1].

Коэффициент пропускания энергии τ из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны

,

Интерференция и дифракция ультразвуковых волн

Интерференция звука — неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции — сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука — отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука — расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны λ, степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

,

Излучатели ультразвука

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи. В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях, магнитострикционных преобразователях, электродинамических излучателях, электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса: они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости [2].

Характеристики излучателя ультразвука

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения. В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса, границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f₀ преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

,

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия, представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Звуковое поле излучателя

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля [1].

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

,

Однако поскольку D обычно значительно больше λ, уравнение можно упростить и привести к виду

,

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, второе — с активным воздействием на вещество и третье — с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

Получение информации с помощью ультразвуковых методов. Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них процессов на макро- и микроуровнях. Эти методы основаны главным образом на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих.

Воздействие ультразвука на вещество. Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.

Обработка и передача сигналов. Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электрических сигналов в различных отраслях радиоэлектроники, например в радиолокации, связи, вычислительной технике, и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. В устройствах для управления электрическими сигналами используются следующие особенности ультразвука: малая по сравнению с электромагнитными волнами скорость распространения; малое поглощение в кристаллах и соответственно высокая добротность резонаторов [2].

Источник

ЭЛЕКТР О ТЕХНОЛОГИЯ

электронный учебно-методический комплекс

Лекция 8

Природа ультразвука. По своей физической природе ультразвук (УЗ), так же как и слышимый звук, представляет собой упругие колебания и волны, т.е. чередующиеся во времени процессы механического сжатия и разрежения, распространяющиеся в твердой, жидкой и газообразной средах.

Основные параметры ультразвука. Частицы среды, в которой распространяется УЗ, периодически колеблются около положения равновесия. Приближенно можно считать, что колебания частиц совершаются во времени по синусоидальному закону с амплитудой смещения А.

Сгущения и разрежения, которые образуются в среде при прохождении в ней упругой волны, добавочно изменяют давление по отношению к среднему (статическому). Эта добавочная переменная часть давления называется звуковым давлением. Его амплитуда, Па:

При распространении ультразвуковой волны в среде происходит перенос энергии. Энергию волны, проходящую в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную распространению волны, называют интенсивностью ультразвука, Вт/м 2 :

,

(8.3)

Основные эффекты ультразвука. Эффекты, которые может вызвать УЗ в среде, делятся на первичные и вторичные.

Первичные эффекты имеют механическую природу. К этим эффектам относятся уже упоминавшиеся ранее звуковое давление, поглощение УЗ, а также кавитация и другие явления.

Кавитация состоит в том, что в жидкости в фазе разрежения образуются разрывы или полости, которые захлопываются в фазе сжатия, вызывая мгновенные пики давления, достигающие десятков мегапаскалей.

Вторичные эффекты УЗ являются следствием первичных и имеют различную природу. Выделяют четыре группы вторичных эффектов.

1. Механические эффекты. К ним относят ультразвуковую коагуляцию (сближение и последующее слипание взвешенных в газе или жидкости мелких частиц), дегазацию (уменьшение содержания газа в жидкости), диспергирование (тонкое измельчение твердых или жидких веществ в какой-либо среде) и другие явления.

На рисунке 8.1 показана наиболее распространенная схема генерирования УЗ. Рассмотрим отдельные элементы этой схемы.

Принципиальные электрические схемы УЗГ сходны со схемами высокочастотных установок для диэлектрического нагрева.

Основные технические данные некоторых УЗГ

Магнитострикционные преобразователи. Если стержень из ферромагнитного материала поместить в направленное вдоль него магнитное поле, то длина стержня изменится, причем в зависимости от материала стержень может как укоротиться, так и удлиниться. Это явление называется прямым магнитострикционным эффектом. Существует и обратный магни-тострикционный эффект: изменение намагниченности ферромагнетика при его деформации. Прямой магнитострикционный эффект используется в излучателях УЗ, а обратный-в приемниках УЗ.

На рисунке 8.2 показана схема двухстержневого магнитострикционного преобразователя, широко применяющегося в ультразвуковой технологической аппаратуре. По обмотке преобразователя пропускают переменный ток с частотой, равной частоте УЗ. Этот ток создает в сердечнике переменное магнитное поле. Под действием периодического намагничивания стержни сердечника периодически изменяют свою длину, и колеблющиеся торцы сердечника возбуждают в окружающей среде ультразвуковую волну.

Для изготовления сердечников преобразователей наиболее широко применяют никель и пермендюр (сплав, содержащий 49 % железа, 49 % кобальта и 2 % ванадия), обладающие высокой магнитострикцией.

Магнитострикционные преобразователи работают при сравнительно небольших частотах (до 100. 200 кГц), так как с увеличением частоты растут потери на гистерезис и вихревые токи.

Основные преимущества магнитострикционных преобразователей: более высокая механическая прочность и надежность; значительные относительные деформации, за счет чего можно получить сравнительно большие акустические мощности; устойчивость к коррозии.

В качестве пьезоэлектрических материалов используют кристаллы кварца, сегнетовой соли, а также искусственно получаемую пьезокерамику: титанат бария и цирконат-титанат свинца.

Пьезоэлектрические преобразователи применяют в основном в ультразвуковой информационно-измерительной технике.

Акустические трансформаторы предназначены для усиления колебаний магнитострикционного преобразователя (трансформаторы скорости) и для согласования механического сопротивления технологической нагрузки с сопротивлением пакета преобразователя (трансформаторы сопротивления). Трансформаторы скорости называются концентраторами.

Концентратор представляет собой стержень переменного сечения, присоединяемый к пакету преобразователя более широким торцом. Меньший торец концентратора подводит колебания к технологической среде. Энергия концентрируется благодаря уменьшению площади сечения. Концентраторы могут усиливать амплитуду ультразвуковых колебаний в 10. 15 раз и доводить ее до 50мкм.

Наиболее распространены технологические процессы, связанные с воздействием УЗ на жидкость. Поскольку в этих процессах основную роль играет ультразвуковая кавитация, то для них используют, как правило, низкие частоты (18. 44 кГц), на которых кавитация наступает при относительно невысоких интенсивностях УЗ.

Рассмотрим примеры технологического использования УЗ в основных направлениях, представляющих интерес для сельскохозяйственного производства.

Кавитационные пузырьки, играющие основную роль в процессе УЗ-вой очистки, проникают под пленку загрязнения, разрывают и отслаивают ее.

Ультразвуковую очистку применяют перед ремонтом, сборкой, окраской, хромированием, никелированием и другими операциями. Особенно эффективно УЗ применять для очистки деталей, имеющих сложную форму и труднодоступные места (узкие щели, прорези, маленькие отверстия и т.д.). УЗ можно использовать и для мытья доильной аппаратуры и молочной посуды.

Промышленность выпускает большое число установок для ультразвуковой очистки, различающихся конструктивными особенностями, вместимостью ванн, мощностью УЗ (табл. 8.2).

Основные технические данные некоторых ультразвуковых очистных установок универсального назначения

Ультразвук можно использовать также и для других процессов, связанных с тепломассообменом: сушки материалов, пропитки пористо-капиллярных материалов жидкостью (например, при пропитке электрической изоляции лаком, при ощелачивании соломы) и т.д.

Применение УЗ для размерной обработки твердых хрупких материалов. Сущность этой обработки состоит в том, что между инструментом 2 (рис. 8.3), колеблющимся с частотой 18. 44 кГц и амплитудой 10. 60 мкм, и обрабатываемой поверхностью заготовки 1 подаются взвешенные в воде зерна абразива 3. Инструмент периодически ударяет по зернам абразива, которые выкалывают микрочастицы с поверхности заготовки. Поскольку инструмент прижимается к обрабатываемой поверхности, то на ней постепенно образуется углубление, копирующее форму рабочей части инструмента. Таким образом осуществляется соответствующая операция: вырезание, прошивание, сверление и т. п.

Ультразвуковая размерная обработка в отличие от электроэрозионной пригодна для обработки как проводящих, так и диэлектрических материалов. Наиболее эффективна ультразвуковая обработка при изготовлении деталей и отверстий сложной формы в изделиях из твердых хрупких материалов (стекло, керамика, алмаз, германий, кремний и др.), обработка которых другими методами затруднена.

Применение УЗ для соединения материалов. Ультразвук можно успешно применять для пайки и сварки металлов.

Ультразвуковая пайка отличается от обычной тем, что жало паяльника жестко связано через концентратор с электроакустическим преобразователем и совершает колебания с частотой 18. 44 кГц и амплитудой 3. 20 мкм. Ультразвуковые колебания вызывают в расплавленном припое кавитацию, которая способствует разрушению окисной пленки на поверхности металла. Чистый металл, обнажившийся при этом, облуживается. Ультразвук позволяет проводить пайку легкоокисляющихся металлов (например, алюминия) без специальных флюсов и повышает качество соединений. Для ультразвуковой пайки применяют устройства различной мощности (от 0,01 до 0,6 кВт): УП-21, УЗУП-2, УЗП 2-0,025 и др.

Сварка происходит без заметного нагрева металла, вследствие чего его структура в зоне сварки изменяется мало. Ультразвук можно использовать для сварки листов очень малой толщины (доли миллиметра), при этом требования к чистоте поверхности снижены. Эксплуатируются различные типы ультразвукового оборудования для сварки металлов мощностью 0,1. 4 кВт; машины МТУ и сварочные клещи КТУ для точечной сварки, машины МШУ для шовной сварки и т.д.

Применение УЗ для диспергирования и коагуляции. Используются следующие виды ультразвукового диспергирования: образование суспензий (измельчение твердых тел в жидкости), жидких аэрозолей (распыление жидкостей в воздухе) и эмульсий (получение мелких капелек одной из взаимно нерастворимых жидкостей в среде другой).

Для получения эмульсий выпускают смеситель-эмульгатор УГС-10 и другие аппараты. Ультразвуковое эмульгирование может быть использовано, например, при смешивании рыбьего жира с водой для выпаивания его животным и птицам.

Ультразвук применяют также для гомогенизации молока (раздробления жировых шариков в молоке с целью повышения его сохранности и усвояемости), борьбы с накипеобразованием и для других целей.

Применение УЗ при восстановлении изношенных деталей. Работы, проведенные в ЧИМЭСХ (под научным руководством И. Е. Ульмана и М. В. Авдеева), а также в других сельскохозяйственных вузах и НИИ, показали возможность применения ультразвука для повышения качества восстановления деталей методами вибродуговой наплавки и наплавки под слоем флюса. Ультразвуковые колебания в расплавленный металл могут вводиться как через дополнительный присадочный материал, так и через основной материал детали. Воздействие ультразвука вызывает дегазацию жидкого металла, в результате чего значительно (в 3. 5 раз) снижается такой характерный для наплавки дефект, как пористость наплавленного металлического слоя. Под действием ультразвука снижается степень технологического коробления наплавляемых удлиненных деталей, например коленчатых валов. Ультразвуковое воздействие оказалось эффективным и для упрочнения рабочей поверхности восстанавливаемых деталей после их наплавки. Упрочнение достигается за счет пластического деформирования поверхности инструментом, колеблющимся с ультразвуковой частотой.

Ультразвук используют для пастеризации молока, предпосевной обработки семян с целью ускорения их прорастания и повышения урожайности, стерилизации молока и других жидких пищевых продуктов, лечения животных, отпугивания грызунов от сельскохозяйственных помещений и т. д.

Установлено, что ультразвук интенсивностью 1. 12 кВт/м 2 и частотой от сотен килогерц до нескольких мегагерц можно эффективно использовать для профилактики и терапии болезней глаз, суставов, костей, маститов, раневых инфекций, фурункулеза и других болезней. В ветеринарной практике применяют ультразвуковые аппараты УРСК-7Н, УТС-1, ВУТ-1 и др.

Использование ультразвука для получения информации.

Применение ультразвука для получения информации основано на анализе ультразвукового сигнала, прошедшего через исследуемый объект или отраженного от него. В качестве приемника ультразвука чаще всего применяют пьезоэлектрические преобразователи. Методы получения информации при помощи ультразвука можно разделить на две группы.

Методы, основанные на измерении затухания и скорости распространения ультразвуковых волн в среде. Коэффициент поглощения α и скорость звука с зависят от состава и свойств среды. Эта зависимость может быть использована, например, при построении влагомеров для различных сельскохозяйственных материалов; для определения содержания белка и жира в молоке; для контроля концентрации моющих растворов, применяемых при ремонте сельскохозяйственной техники и т. д.

Методы, основанные на отражении ультразвуковых волн от границы раздела двух сред, применяют в таких областях, как гидролокация (определение положения подводных объектов), дефектоскопия, медицинская и ветеринарная диагностика и др.

В качестве примера использования ультразвука в ветеринарной диагностике можно привести прибор «Су-пор-БМ», предназначенный для раннего определения супоросности у свиней. Принцип действия прибора основан на следующем. Головка излучателя УЗ через слой контактной смазки соприкасается с поверхностью кожи животного. Ультразвуковые волны проникают внутрь тела и распространяются в нем узким пучком. Если свинья супоросная, то в ее матке накапливается жидкость, что сказывается на отражении ультразвукового луча. Прибор работает на частоте 2 мГц. Ценность такого прибора для практики заключается в том, что раннее определение супоросности позволяет экономить корм и снижать затраты рабочего времени на содержание животных.

Аналогичные приборы можно использовать и для прижизненного определения толщины жирового слоя и мышц у свиней.

В технологических процессах магнитные поля обычно используют с индукцией до 4 Тл. Такие поля получают главным образом при помощи электромагнитов и постоянных магнитов.

Постоянные магниты по сравнению с электромагнитами дешевле и проще по конструкции, не требуют электропроводки и источников электропитания, безопасны в пожарном отношении. При их использовании магнитное поле не может внезапно исчезнуть. Основные недостатки постоянных магнитов заключаются в затруднительности регулирования магнитной индукции и ослаблении магнитного поля с течением времени. Последнее обстоятельство вынуждает периодически намагничивать постоянные магниты.

Разновидностью постоянных магнитов являются магнитофоры. Их изготовляют путем формовки смеси из вяжущих веществ (цемента, каучука, смолы и др.) и порошкообразных ферромагнитных наполнителей (оксидных или металлических сплавов). Изделия, полученные таким образом, намагничивают в специальных режимах, после чего на поверхности изделий (магнитофоров) оказывается «записанным» магнитное поле с любыми заданными конфигурацией и числом пар магнитных полюсов на единицу площади.

,

(8.5)

,

(8.7)

В сельскохозяйственном производстве магнитную сепарацию применяют для очистки семян культурных растений от семян сорняков и для очистки кормов от ферромагнитных примесей.

Магнитная очистка семян. Ее принцип рассмотрим на примере электромагнитной семяочистительной машины ЭМС-1А, предназначенной для выделения семян сорняков с шероховатой поверхностью (повилика, плевел, подорожник, смолевка, василек, горчак розовый и др.) из семян клевера, люцерны, льна и других мелкосемянных культур, имеющих гладкую поверхность.

Семена предварительно обрабатываются магнитным порошком. Порошок хорошо пристает к шероховатой поверхности семян сорняков и не пристает к гладкой поверхности семян культурных растений. Семена, обработанные порошком, поступают на поверхность вращающегося барабана, изготовленного из неферромагнитного материала (латуни). Внутри барабана находится электромагнит, полюсы которого занимают примерно половину окружности сверху донизу. Семена сорняков, покрытые порошком, и излишки порошка притягиваются к поверхности барабана и сбрасываются внизу под барабаном. Семена культурного растения, не покрытые порошком, свободно падают с барабана, не достигнув его нижней части.

Условие удержания семени сорняка на поверхности барабана в нижней части последнего имеет вид

На предприятиях комбикормовой широко используют магнитные сепараторы, выделяющие ферромагнитные примеси из зерна и продуктов его измельчения, из мучнистого сырья и комбикормов. В кормоцехах животноводческих комплексов начинают применять магнитную очистку стебельчатых кормов (сена, соломы, сенажа). В МИИСП разработан электромагнитный сепаратор грубых кормов. В сепараторе (рис. 18.1) использован серийный электромагнит постоянного тока М-22 В, подключенный к сети через выпрямительный мост и имеющий установленную мощность 2,2 кВт. При скорости транспортерной ленты конвейера 1,5 м/с, угле наклона магнитной системы 45° и зазоре между немагнитным барабаном и полюсами электромагнита 0,2 м обеспечивается 100 %-ное извлечение ферромагнитных примесей из стебельчатых кормов при их подаче 40 т/ч.

Наиболее изучено физико-химическое действие магнитного поля на водные системы, в частности магнитная обработка воды с целью уменьшения образования накипи.

При магнитной обработке вода пропускается через зазор магнита. После прохождения воды через магнитное поле соли жесткости в основном теряют способность кристаллизоваться на рабочей поверхности теплообменного аппарата и выпадают в виде взвешенных частиц (шлама), легко уносимых потоком воды и улавливаемых в дальнейшем шламоотделителем. Та накипь, которая все же отлагается на стенках аппарата, имеет более рыхлую структуру и значительно меньшую толщину, чем накипь, образующаяся из необработанной воды, и поэтому легко очищается.

По истечении определенного времени вода теряет приобретенные свойства, и ее способность к накипеобразованию становится такой же, как и у необработанной воды. Поэтому время между магнитной обработкой воды и ее поступлением в теплообменный аппарат должно быть не более 1. 4 ч.

Магнитная обработка воды с целью уменьшения накипеобразования эффективна лишь тогда, когда концентрация растворенной в ней свободной двуокиси углерода СО 2 меньше так называемой равновесной концентрации. В этом случае вода перенасыщается по карбонату кальция СаСО 3 (основному накипеобразователю) и становится склонной к образованию его кристаллов. Поэтому эффект противонакипной магнитной обработки воды зависит от времени года. Летом обработка более эффективна, чем зимой, так как потребление СО 2 растениями зимой сокращается.

Рядом экспериментальных исследований установлено, что противонакипный эффект магнитной обработки связан с наличием в воде ферромагнитных примесей (оксидов железа и их гидратов), частички которых в магнитном поле, по-видимому, слипаются и служат затравочными центрами кристаллизации солей жесткости непосредственно в объеме воды, а не на теплообменных поверхностях.

Область возможного применения магнитной обработки воды в сельском хозяйстве не ограничивается, однако, борьбой с накипеобразованием. Результаты некоторых исследований свидетельствуют о том, что магнитная обработка воды способна давать положительный эффект при орошении посевов (урожайность различных сельскохозяйственных культур повышается на 6. 40%), предпосевном замачивании семян (урожайность сахарной свеклы и риса повышается на 7. 16%), рассолении почв (расход промывной воды сокращается на 30. 50 %, вымывание солей увеличивается в 1,2. 2 раза) и т. д.

1. Перечислите основные параметры ультразвука

2. Как проявляется действие ультразвука на физические и биологические объекты?

3. Объясните принцип действия ультразвуковых преобразователей.

4. В каких технологических процессах используют ультразвук?

5. Объясните принцип действия магнитных сепараторов.

6. Какие технологические процессы выполняют, используя магнитные поля?

7. С какой целью и каким образом воду обрабатывают магнитным полем?

© ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2006
© Центр дистанционного обучения КрасГАУ, 2006

Источник