СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ОБЪЕКТА Российский патент 2002 года по МПК B01J19/10 B08B3/12 

Изобретение относится к способам акустической обработки различных объектов, основанным на воздействии на них акустических колебаний через жидкую среду, и может быть использовано во многих отраслях народного хозяйства, например в металлургии, в машиностроении, в химической, пищевой, легкой промышленности, в медицине и в других областях.

Распространяющиеся в жидкой среде акустические волны могут вызвать целый ряд эффектов, таких как радиационное давление звуковой волны, акустические течения, акустическая кавитация.

Воздействие на объект акустическими колебаниями через жидкую среду, сопровождающееся перечисленными выше эффектами, обуславливает применение рассматриваемого вида акустической обработки в различных процессах, таких как нанесение металла на поверхность твердого тела, очистка поверхности объекта от заусенцев, загрязнений, пленки окислов, диспергирование, эмульгирование, стерилизация объектов, обработка ран, введение в раны и нанесение на кожные покровы лекарств, стирка белья и так далее.

Так, например, известен способ акустической обработки объекта, используемый, в частности, для стерилизации средств различного назначения, для лечения ран и кожных покровов, для стирки белья /патент RU 2119801, A 6 1L 2/02, публ. 1998 г. /.

Согласно данному способу на объект воздействуют распространяющимися через жидкую среду во всех направлениях акустическими радиоимпульсами с частотой воздействия, выбранной из диапазона 1-10 кГц, при звуковом давлении не более 50 дБ. При этом указанные параметры колебаний обеспечивают обработку объекта в докавитационном режиме.

Благодаря импульсному режиму акустического воздействия в данном способе обеспечивается снижение энергозатрат по сравнению со способами обработки, в которых используется непрерывный режим излучения акустических колебаний.

Докавитационный режим акустического воздействия выбран для того, чтобы обеспечить более щадящие условия обработки столь чувствительных к явлениям кавитации объектов, какими являются ткани человека. Таким образом, выбор режимов, при которых кавитация отсутствует, способствует повышению безопасности способа в случае, когда обработке подвергается живой объект, но при этом способ имеет ограниченную область применения.

Между тем, именно акустическая кавитация играет значительную роль в процессе обработки объекта. Благодаря концентрации механической энергии в очень малых объемах газопаровой полости, кавитация способна вызвать широкий круг явлений, таких как образование ударных волн, локальное в объеме кавитационного пузырька повышение температуры до нескольких тысяч градусов Кельвина и, как следствие, инициировать физико-химические реакции взаимодействия в системе твердое тело - жидкость, способствовать образованию мелкомасштабных - порядка радиуса пузырька - потоков, увеличению скорости перемещения жидкости в капиллярах и возникновению других явлений, которые в целом ряде процессов являются необходимыми для достижения эффективной обработки объекта.

Однако, несмотря на важную роль кавитации, некоторые вызываемые ею явления могут привести к неблагоприятным для конкретного процесса результатам. Так, в частности, нагрев кавитирующей жидкости в процессах лечения ран и кожных покровов может вызвать ожог и деструкцию тканей, а в процессах металлизации изделий может привести к распылению и окислению наносимого металла.

В качестве прототипа авторами выбран способ акустической обработки объекта сериями идентичных акустических радиоимпульсов через жидкую среду при введении в нее устройства для возбуждения акустических колебаний, описанного в а. с. СССР 591234, В 06 B 1/02, публ. 1978 г.

Обработку объекта ведут в кавитационном режиме путем воздействия акустическими радиоимпульсами, длительность которых выбирается такой, чтобы в жидкой среде образовывалась область развитой кавитации, при этом период следования радиоимпульсов выбирается таким, чтобы кавитационные полости успевали вернуться в исходное состояние зародышей.

Указанный способ обеспечивает эффективную обработку объекта в процессах, в которых воздействие осуществляется акустическими колебаниями, распространяющимися в большом объеме жидкости, где возникновение области развитой кавитации препятствует распространению акустического излучения. Данный способ также имеет ограниченную область применения.

Задачей заявляемого изобретения является создание эффективного способа акустической обработки при расширении его технологических возможностей.

Сущность предлагаемого технологического решения заключается в том, что в способе акустической обработки объекта путем воздействия на него акустическими радиоимпульсами через жидкую среду согласно изобретению в процессе обработки на объект воздействуют совокупностью акустических радиоимпульсов, имеющих различную длительность.

Целесообразным является, чтобы длительность радиоимпульсов составляла величину не менее 3Т и чтобы при этом в совокупности радиоимпульсов присутствовали радиоимпульсы, длительность которых превышает 10Т, где Т - период акустических колебаний в радиоимпульсах.

Целесообразным также является, чтобы более короткие радиоимпульсы имели величину давления в импульсе большую, чем более длинные радиоимпульсы.

Для решения поставленной задачи авторами предложен новый прием - использование акустических радиоимпульсов, имеющих различную длительность. Импульсы различной длительности, распространяющиеся в жидкой среде, вызывают протекание различающихся по природе возникновения и механизму воздействия явлений. Благодаря этому оказывается возможным целенаправленно воздействовать на процессы образования акустических течений и на процессы акустической кавитации, вызывая эффекты, способствующие интенсификации акустического воздействия в целом.

Кавитация в жидкости возникает, если отрицательное давление в акустическом радиоимпульсе превышает кавитационную прочность жидкой среды на частоте заполнения радиоимпульса. Подобный процесс происходит как при кратковременном, так и при более длительном приложении к жидкости растягивающих сжимающих акустических усилий, следующих с частотой заполнения радиоимпульса.

Импульсы небольшой длительности (короткие импульсы) вызывают в жидкости эффекты, которые являются малоинерционными. При этом короткие импульсы, давление в которых выше порога кавитации жидкости, инициируют и поддерживают в жидкой среде режим акустической кавитации, развитой в различной степени. Благодаря кратковременности воздействия таких импульсов негативные для некоторых процессов явления, например нагрев среды, не будут сказываться на чувствительных к ним объектах.

Акустические импульсы большей длительности (длинные импульсы) вызывают эффекты, зависящие от акустической энергии импульса, величина которой пропорциональна произведению давления в импульсе на его длительность (определяется площадью радиоимпульса). Длинные импульсы приводят к появлению в жидкости макромасштабных (масштаба области, охваченной акустическим воздействием) акустических течений. При этом, если давление в длинном импульсе ниже некоторой критической величины, то они не вызывают кавитационных явлений в жидкой среде. Если давление в длинном импульсе выше порога кавитации, то они также способны создавать режим кавитации.

Таким образом, воздействуя на объект через жидкую среду как короткими, так и длинными импульсами, выбирая временные и амплитудные параметры радиоимпульсов, частоту их заполнения, количество, порядок и периодичность их следования, можно управлять акустическими эффектами и, как следствие, условиями обработки объекта, чем достигается расширение технологических возможностей способа и что позволяет применять его по различным назначениям.

Порядок следования коротких и длинных радиоимпульсов в течение времени обработки может быть различным. Например, на объект можно воздействовать одновременно двумя последовательностями коротких и длинных импульсов, можно чередовать короткие и длинные импульсы в последовательности, можно воздействовать чередующимися сериями коротких и длинных импульсов или осуществлять воздействие в виде случайного набора коротких и длинных импульсов. При этом порядок следования импульсов выбирается с учетом цели обработки и вида объекта.

Как показали экспериментальные исследования, осуществленные с использованием высокоскоростной киносъемки, минимальное время воздействия акустических колебаний, достаточное для образования кавитационных полостей и схлопывания кавитационных пузырьков, имеющих резонансные размеры, составляет величину порядка трех периодов акустических колебаний в радиоимпульсе. То есть, целесообразным с точки зрения поддержания кавитационного режима в жидкости является обеспечение того, чтобы длительность радиоимпульсов, в том числе и наиболее коротких из них, составляла величину не менее 3Т, где Т - период следования акустических колебаний в радиоимпульсах.

В то же время, как показали исследования авторов, для образования в жидкости макромасштабных акустических течений необходимо, чтобы в совокупности импульсов, воздействующих на объект, присутствовали импульсы, длительность которых превышает 10Т. При этом максимальную длительность длинных импульсов в каждом конкретном случае выбирают, исходя из допустимого нагрева среды, а также из соображений экономической целесообразности.

Для ряда процессов является целесообразным, чтобы более короткие радиоимпульсы имели величину давления в импульсе большую, чем более длинные радиоимпульсы.

Под действием коротких импульсов, давление в которых велико, будет происходить генерирование сильных ударных волн, а также локальных микромасштабных потоков и, как следствие, будет происходить разрыв химических связей взаимодействующих веществ, значительный нагрев кавитирующей среды в объеме пузырька, ионизация паро-газовой среды и прочее. Тем самым короткие импульсы будут вызывать, в частности, эффекты, инициирующие кинетические стадии физико-химических процессов, разрушение сильно сцепленных с поверхностью объекта загрязнений, подавление или стерилизацию микроорганизмов.

Под действием длинных импульсов в жидкой среде создаются акустические макромасштабные течения, время установления и последействия которых много больше, чем время действия кавитационных эффектов. При этом определяющим для их возникновения является величина акустической энергии длинного импульса, а не величина давления в нем. Следовательно, целесообразным является задавать величину давления в длинных импульсах не столь высокую, как в коротких импульсах, что способствует повышению экономичности способа и созданию более щадящих условий акустического воздействия. При этом длинные импульсы вызывают интенсификацию тепло- и массообменных процессов, инициирование диффузионных стадий физико-химических процессов, подвод реагентов к месту протекания химических реакций, удаление слабосцепленных с поверхностью объекта и транспортировку "сорванных" загрязнений и частиц в объеме жидкой среды и прочие важные для обработки объекта явления.

Таким образом, использование коротких и длинных импульсов, имеющих соответственно большую и меньшую величину давления в импульсе, позволяет в максимальной степени реализовать преимущество как коротких, так и длинных импульсов.

Способ осуществляют следующим образом.

На обрабатываемый объект воздействуют совокупностью коротких и длинных акустических радиоимпульсов, распространяющихся через жидкую среду. При этом в течение времени обработки на объект воздействуют одновременно двумя последовательностями соответственно коротких и длинных радиоимпульсов или чередуют короткие и длинные радиоимпульсы в последовательности импульсов, распространяющихся в жидкой среде.

Параметры радиоимпульсов, порядок их следования и режимы обработки выбирают в зависимости от конкретного процесса и вида объекта.

Возможность реализации предлагаемого способа показана в примерах.

Пример 1. Очистка и стерилизация изделий.

Осуществляли очистку и стерилизацию загрязненных кровью стеклянных изделий.

Изделия помещали в емкость с водным моющим раствором, имеющим температуру 20±5^oС, таким образом, чтобы они были полностью покрыты жидкостью.

Возбуждали в жидкости акустические колебания ультразвуковой частоты 20 кГц в виде чередующихся последовательностей коротких и длинных радиоимпульсов, имеющих параметры: длительность коротких импульсов 5 мс, давление в коротком импульсе - 0,5 атм; длительность длинных импульсов - 800 мс, давление в длинном импульсе - 0,1 атм. Количество коротких импульсов в последовательности - 100, время воздействия короткими импульсами - 1 с. Количество длинных импульсов в последовательности - 60, время воздействия длинными импульсами - 1 мин.

Общее время обработки изделия составило 5 минут.

Результаты микробиологического анализа показали, что достигнута требуемая степень очистки и стерилизация обработанных изделий.

Пример 2. Очистка часовых камней от полировочных паст.

Помещали часовые камни навалом в емкость с водным моющим раствором, имеющим температуру 20±5^oС, таким образом, чтобы они были полностью покрыты жидкостью.

Осуществляли обработку камней по примеру 1, при этом общее время обработки изделий составляло 15 мин.

Обработанные камни промывали дистиллированной водой и сушили.

Результаты исследований показали, что достигнута требуемая степень очистки камней при сохранении полученной при полировании чистоты поверхности и целостности огранки.

Для сравнения проводили очистку часовых камней от полировочных паст, воздействуя на моющую жидкость только короткими акустическими радиоимпульсами с теми же параметрами также в течение 15 мин.

Проведенные исследования показали, что достигнута требуемая степень очистки камней, но при этом обнаружена эрозия их поверхности.

Пример 3. Металлизация поверхности керамического изделия.

На станину станка помещали предназначенную для металлизации деталь из пьезокерамики цирконата-титаната свинца в форме диска.

Подводили ультразвуковой инструмент к поверхности детали, затем на поверхность подавали расплав эвтектического сплава олово-цинк.

Проводили процесс металлизации в режиме одновременного воздействия короткими и длинными акустическими радиоимпульсами со следующими параметрами: частота заполнения - 18 кГц; длительность коротких импульсов - 15 мс, величина давления в них - 5 атм; длительность длинных импульсов - 400 мс, величина давления в них - 0,1 атм.

Общая продолжительность процесса металлизации составила 10 с, при количестве коротких импульсов - 200, а длинных - 20.

В результате процесса металлизации были получены пьезокерамические диски со сплошным металлическим покрытием равной толщины.

Испытаниями установлена высокая адгезионная прочность соединения пьезокерамика - металл при малом разбросе значений прочности от изделия к изделию.

При этом ни на одном диске не были замечены не покрытые металлом участки поверхности, что свидетельствует о протекании процесса металлизации без перегрева расплава.

Изобретение относится к способам акустической обработки различных объектов, основанным на воздействии на них акустических колебаний через жидкую среду, и может быть использовано во многих отраслях народного хозяйства, например в металлургии, машиностроении, в химической, пищевой, легкой промышленности, в медицине и других областях. В способе акустической обработки объекта путем воздействия на него акустическими радиоимпульсами через жидкую среду согласно изобретению в процессе обработки на объект воздействуют совокупностью акустических импульсов, имеющих различную длительность. Целесообразным является, чтобы длительность импульсов составляла величину не менее 3Т и чтобы при этом в совокупности импульсов присутствовали импульсы, длительность которых превышает 10Т, где Т - период акустических колебаний в радиоимпульсах. Целесообразным также является, чтобы более короткие импульсы имели величину давления в импульсе большую, чем более длинные радиоимпульсы. Изобретение позволяет создать эффективный способ акустической обработки материалов. 2 з. п. ф-лы.

1. Способ акустической обработки объекта путем воздействия на него акустическими импульсами через жидкую среду, отличающийся тем, что в процессе обработки на объект воздействуют совокупностью акустических импульсов, имеющих различную длительность. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длительность акустических импульсов составляет величину не менее 3Т, при этом в совокупности акустических импульсов присутствуют импульсы, длительность которых превышает 10Т, где Т - период акустических колебаний в акустическом импульсе. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что более короткие акустические импульсы имеют величину давления в импульсе большую, чем более длинные акустические импульсы.