СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2003 года по МПК G01H3/00 

Изобретение относится к области получения и использования акустических колебаний.

Для определения энергетических показателей, характеризующих химическое и физико-химическое действие ультразвука, необходимо знать акустическую энергию.

Расчет удельной мощности на основании напряжения на излучателе с последующей экстраполяцией по напряжению может привести к ошибочным результатам, т. к. возникновение кавитационных пузырьков приводит к своеобразному "разрыхлению" жидкости и резкому уменьшению акустического сопротивления среды. Скорость звука в дисперсии газовых пузырьков в жидкости может уменьшиться на два-три порядка.

Известен ряд способов измерения акустической энергии, поглощенной раствором: пьезоэлектрический, магнитострикционный, термоэлектрический, оптический способ радиационного давления, калориметрический. М.А. Маргулис. Основы звукохимии. М.: Высшая школа, 1984, с. 12-13.

Использование пьезоэлектрических или магнитострикционных элементов, использование метода, основанного на поглощении звука и нагревании липкой капли, дают значение параметров в одной точке и мало пригодны для измерения интегральной акустической энергии, поглощенной в объеме.

Оптические методы основанные на измерении показателя преломления, не дают необходимой точности при возникновении кавитации, требуют определенного профиля акустических параметров и непригодны для абсолютных измерений.

Измерение радиационного давления в каком-либо сечении звукового поля также может привести к ошибочным результатам вследствие многократного отражения звуковых волн.

Определение амплитуды акустических колебаний излучателя с помощью виброметра не позволяет с необходимой точностью определить поглощенную в объеме акустическую энергию, т.к. излучатель обычно отдает энергию не только с торца, но и с боковых поверхностей. Для расчета интенсивности акустических колебаний необходимо использовать волновое сопротивление среды, которое изменяется в широких пределах.

Известен способ измерения акустической энергии, поглощенной в объеме жидкости, заключающийся в воздействии на жидкость ультразвуковым излучателем, фиксировании зависимости температуры от времени, сравнении зависимостей во время и после воздействия на жидкость ультразвуковых волн или нагревателя, и определении подведенной электрической энергии, эквивалентной затраченной акустической энергии. M. Margulis. Sonochemistry and Cavitation. Gordon & Breach Sci. Publishers, London, 1995, pp. 543, 271-272.

Указанный способ имеет недостатки: энергия акустических колебаний расходуется на создание свободных радикалов в растворе, а также на эмиссию фотонов. Однако доля этой энергии, которая в общем случае не превращается в тепловую, обычно весьма мала (не более 0,2%), и ею можно пренебречь.

Основная трудность использования калориметрического метода заключается в том, что излучатель акустических колебаний непрерывно контактирует со средой, и теплообмен в принципе устранить нельзя, т.к. теплоизолятор явился бы и звукоизолятором.

Данное изобретение устраняет указанные недостатки.

Техническим результатом данного изобретения являются точность измерения акустической энергии за счет уменьшения теплообмена между источником ультразвука и окружающей (измеряемой) средой.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения акустической мощности, поглощенной в объеме жидкости, заключающемся в том, что на жидкость воздействуют ультразвуковым излучателем, а затем электронагревателем, фиксируют зависимость температуры от времени, сравнивают эти зависимости во время и после воздействия на жидкость ультразвуковых волн или электронагревателя и определяют подведенную электрическую мощность, воздействие на жидкость ультразвуковым излучателем и электронагревателем проводят в течение 0,5-30 с при непрерывной регистрации температуры, термостатировании ванны и непрерывном перемешивании до повышения температуры жидкости не более чем на 3 К, измеряют зависимость температуры от времени при воздействии на жидкость акустического поля и измеряют зависимость температуры от времени при воздействии на жидкость электрического нагревателя при использовании термопар или термосопротивлений в условиях одинакового теплообмена, после аппроксимации кривых временного хода температуры определяют величины повышения температуры под действием ультразвука ΔT₁ и электронагревателя ΔТ₂ в течение фиксированных интервалов времени t₁ и t₂ соответственно, по величине отношения ΔT₁/ΔТ₂ и величине подведенной электрической мощности с учетом значений t₁ и t₂ определяют поглощенную акустическую мощность.

Ванну термостатируют при температуре на 10-30 К выше комнатной, или при температуре ванны на 10-15 К ниже комнатной, при непрерывном перемешивании до повышения температуры жидкости не более чем на 3 К, измеряют зависимость температуры от времени при и по мере нагревания, заменяют жидкость в ванне, измеряют зависимость температуры от времени при воздействии на жидкость акустического поля и измеряют зависимость температуры от времени при воздействии на жидкость электрического нагревателя при использовании термопар или термосопротивлений в условиях одинакового теплообмена, после аппроксимации кривых временного хода температуры определяют величины повышения температуры под действием ультразвука ΔT₁ и электронагревателя ΔТ₂ в течение фиксированных интервалов времени t₁ и t₂ соответственно, по величине отношения ΔT₁/ΔТ₂ и величине подведенной электрической мощности с учетом значений t₁ и t₂ определяют поглощенную акустическую мощность в ванне.

Сущность предлагаемого способа состоит в том, что, измеряя ход температуры от времени при действии акустического поля в одном случае и электрического нагревателя в другом случае, в условиях одинакового теплообмена добиваются практического совпадения кривых временного хода температуры или при использовании термопар - либо термосопротивлений. При этом отдаваемая электрическая энергия принимается за эквивалент акустической энергии.

Для увеличения точности измерения и уменьшения теплообмена источник ультразвука включают на короткое время так, чтобы температура поднималась не более, чем на ΔТ≈0,2-3 К. При увеличении ΔТ более 3 К теплообмен становится значительным, а при уменьшении менее 0,2 К точность измерений уменьшается. При увеличении ΔТ более 3 К теплообмен становится значительным, а при уменьшении менее 0,2 К точность измерений уменьшается. Источник ультразвука или нагреватель включают на 0,5-30 с. При увеличении времени более 30 с теплообмен становится значительным, а при уменьшении времени менее 0,5 с точность измерений уменьшается. Калориметр для равномерного изменения температуры снабжается мешалкой, температура измеряется с высокой точностью с помощью мостовой схемы, включение акустического излучателя или нагревателя осуществляют с помощью реле времени. Применение компьютера позволяет определять электрическую энергию, потребляемую нагревателем, включаемым на короткое время, регистрировать ход температурной кривой, а также осуществлять обсчет этих зависимостей и отключать ультразвуковой излучатель после расчетного времени работы.

Для обеспечения минимального теплообмена с окружающей средой необходимо поддерживать температуру в термостате, близкую к комнатной, для чего надо применять ультратермостат с охлаждением, например, водопроводной водой. Исключить использование водопроводной воды можно двумя способами: работать при температуре на 10-30 К выше комнатной (когда осуществляется охлаждение за счет теплообмена с окружающей средой) или при работе на 10-15 К ниже комнатной, и по мере нагревания заменять жидкость в ванне. Расширение пределов рабочей температуры ванны уменьшает точность измерения вследствие увеличения теплообмена с окружающей средой.

Способ заключается в том, что на жидкость воздействуют ультразвуковым излучателем, а затем электронагревателем, фиксируют зависимость температуры от времени, сравнивают эти зависимости во время и после воздействия на жидкость ультразвуковых волн или электронагревателя и определяют подведенную электрическую мощность. Воздействие на жидкость ультразвуковым излучателем и электронагревателем проводят в течение 0,5-30 с при непрерывной регистрации температуры и непрерывном перемешивании до повышения температуры жидкости не более чем на 3 К. После аппроксимации кривых временного хода температуры определяют величины повышения температуры под действием ультразвука ΔT₁ и электронагревателя ΔТ₂ в течение фиксированных интервалов времени t₁ и t₂ соответственно, по величине отношения ΔT₁/ΔТ₂ и величине подведенной электрической мощности с учетом значений t₁ и t₂ определяют поглощенную акустическую мощность. Технический результат - повышение точности. 2 с. и 1 з.п. ф-лы.

1. Способ измерения акустической мощности, поглощенной в объеме жидкости, заключающийся в том, что на жидкость воздействуют ультразвуковым излучателем, а затем электронагревателем, фиксируют зависимость температуры от времени, сравнивают эти зависимости во время и после воздействия и определяют подведенную электрическую мощность, отличающийся тем, что воздействие на жидкость ультразвуковым излучателем и электронагревателем проводят в течение 0,5-30 с при непрерывной регистрации температуры, термостатировании ванны и непрерывном перемешивании до повышения температуры жидкости не более чем на 3К, измеряют зависимость температуры от времени при воздействии на жидкость акустического поля и измеряют зависимость температуры от времени при воздействии на жидкость электрического нагревателя при использовании термопар или термосопротивлений в условиях одинакового теплообмена, после аппроксимации кривых временного хода температуры определяют величины повышения температуры под действием ультразвука ΔТ₁ и электронагревателя ΔТ₂ в течение фиксированных интервалов времени t₁ и t₂ соответственно, по величине отношения ΔT₁/ΔТ₂ и величине подведенной электрической мощности с учетом значений t₁ и t₂ определяют поглощенную акустическую мощность.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ванну термостатируют при температуре на 1-20К выше комнатной.3. Способ измерения акустической мощности, поглощенной в объеме жидкости, заключающийся в том, что на жидкость воздействуют ультразвуковым излучателем, а затем электронагревателем, фиксируют зависимость температуры от времени, сравнивают эти зависимости во время и после воздействия и определяют подведенную электрическую мощность, отличающийся тем, что воздействие на жидкость ультразвуковым излучателем и электронагревателем проводят в течение 0,5-30 с при непрерывной регистрации температуры и непрерывном перемешивании до повышения температуры жидкости не более чем на 3К, при этом ванну не термостатируют и по мере нагревания заменяют жидкость в ванне, измеряют зависимость температуры от времени при воздействии на жидкость акустического поля и измеряют зависимость температуры от времени при воздействии на жидкость электрического нагревателя при использовании термопар или термосопротивлений в условиях одинакового теплообмена, после аппроксимации кривых временного хода температуры определяют величины повышения температуры под действием ультразвука ΔT₁ и электронагревателя ΔТ₂ в течение фиксированных интервалов времени t₁ и t₂ соответственно, по величине отношения ΔT₁/ΔТ₂ и величине подведенной электрической мощности с учетом значений t₁ и t₂ определяют поглощенную акустическую мощность.