Введение
Современное состояние техники и технологии ориентировано на развитие и внедрение инновационных технологий в различные технологические процессы, направленные на повышение эффективности промышленного сектора экономики. Такое развитие не обошло и лесной комплекс. Существующие технологии заготовки и переработки лесных ресурсов также претерпели интродукцию инновационных методов. Одним из новых методов в деревообрабатывающей промышленности является повсеместное использование ультразвукового излучения для различных целей. В связи с этим анализ и исследования существующих ультразвуковых технологий, применяемых в различных сферах деятельности человека, позволит провести оценку степени возможности применения ультразвука в различных технологических процессах деревообработки, с целью их модернизации и создания принципиально новых технологических решений [1].
Цель исследования
Целью исследования является комплекс показателей ультразвукового излучения при интродукции его в технологические процессы деревопереработки.
Материалы и методы исследования
Понятие «ультразвук» приобрело в настоящее время более широкий смысл, чем просто обозначение высокочастотной части спектра акустических волн. С ним связаны целые области современной физики, промышленной технологии, информационной и измерительной техники, медицины и биологии.
Характерной особенностью современного состояния физики и техники ультразвука является чрезвычайное многообразие его применений, охватывающих частотный диапазон от слышимого звука до предельно достижимых высоких частот и область мощности от долей милливатта до десятков киловатт. Ультразвук применяется в металлургии для воздействия на расплавленный металл и в микроэлектронике и приборостроении для прецизионной обработки тончайших деталей; в качестве средства получения информации он служит как для измерения глубины, локации подводных препятствий в океане, так и для обнаружения микродефектов в ответственных деталях и изделиях; ультразвуковые методы используются для фиксации малейших изменений химического состава веществ и для определения степени затвердевания бетона в теле плотины. На основании разнообразных воздействий ультразвука на вещество образовалось целое технологическое направление – ультразвуковая технология. В области контрольно-измерительных применений ультразвука в самостоятельный, установившийся раздел выделилась ультразвуковая дефектоскопия, возможности которой и разнообразие решаемых ею задач существенно возросли.
В самое последнее время сформировались как самостоятельные области – акустоэлектроника и акустооптика. Первая из них связана с обработкой электрических сигналов, использующей их преобразование в ультразвуковые. Из устройств акустоэлектроники наиболее известными и давно используемыми являются линии задержки и фильтры. Достижения в области изучения поверхностных волн, генерации и приёма гиперзвуковых волн, установление связи упругих волн с элементарными возбуждениями в твёрдом теле привели к существенному расширению возможностей этих устройств и к созданию новых приборов акустоэлектроники, обеспечивающих более сложную обработку сигналов. Рассматривая многообразия практических применений ультразвуковых колебаний и волн, нельзя не упомянуть об ультразвуковой медицинской диагностике, которая даёт в ряде случаев более детальную информацию (и является более безопасной, чем другие методы диагностики) об ультразвуковой терапии, занявшей прочное положение среди современных физиотерапевтических методов, и, наконец, о новейшем направлении применения ультразвука в медицине – ультразвуковой хирургии.
Наряду с применениями практического характера ультразвук играет важную роль в научных исследованиях. Нельзя себе представить современную физику твёрдого тела без применения ультразвуковых и гиперзвуковых методов, без понятия о фононах, их поведении и взаимодействиях с различными полями и возбуждениями в твёрдом теле. В изучении жидкостей и газов широко используются методы молекулярной акустики; всё большую роль играют ультразвуковые методы в биологии [2, 3, 4].
Интерес к ультразвуку, к ультразвуковой технике всё возрастает, благодаря его проникновению в самые различные области человеческой деятельности. Инженеры и научные работники, занятые в самых различных областях народного хозяйства и науки, оценивают возможности использования ультразвуковых методов для своих конкретных задач и в связи с этим хотят получить представление о различных аспектах физики и техники ультразвука на современном уровне.
Важной физической характеристикой ультразвуковых колебаний является амплитуда волны или амплитуда смещения. Амплитудой волны называется максимальное смещение колеблющихся частиц среды от положения равновесия [7]. Мощность звука при одной и той же частоте зависит от амплитуды колебания звучащего тела. Тело, совершающее колебания с большей амплитудой, будет вызывать более резкое изменение давления среды, и звук будет сильнее.
Скорость, с которой частицы среды колеблются около среднего положения, называется колебательной. Колебательная скорость (v) определяется выражением:
, м/с,
(1)
где 
− круговая частота; А − амплитуда смещения частиц среды; t − время; x − расстояние от колеблющейся частицы до источника колебаний; с − скорость распространения колебаний в среде; 
− фаза колебаний.
В энергетическом отношении реальные колебательные системы характеризуются изменением энергии вследствие частичной ее затраты на работу против сил трения и излучением в окружающее пространство. В упругой среде колебания постепенно затухают. Для характеристики затухающих колебаний используются коэффициент затухания (S), логарифмический декремент (Q) и добротность (Q).
Коэффициент затухания отражает быстроту убывания амплитуды с течением времени. Если обозначить время, в течение которого амплитуда уменьшается в е=2,718 раза, через t, то:
(2)
Уменьшение амплитуды за один цикл характеризуется логарифмическим декрементом. Логарифмический декремент равен отношению периода колебаний ко времени затухания t:
(3)
Добротность системы − это величина, равная числу полных колебаний, соответствующих уменьшению амплитуды в еp раз. Время, необходимое для такого уменьшения амплитуды, определяется произведением tp. Отсюда число периодов, укладывающихся в этот промежуток времени, или добротность Q выражается формулой: 
(4)
(5)
Свойство среды проводить акустическую энергию, в том числе и ультразвуковую, характеризуется акустическим сопротивлением. Акустическое сопротивление среды выражается отношением звуковой плотности к объемной скорости ультразвуковых волн. Удельное акустическое сопротивление среды устанавливается соотношением амплитуды звукового давления в среде к амплитуде колебательной скорости ее частиц. Чем больше акустическое сопротивление, тем выше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебания частиц среды. Численно удельное акустическое сопротивление среды (Z) находится как произведение плотности среды (r) на скорость (с) распространения в ней ультразвуковых волн.
, Па×с/м. (6)
Звуковое или акустическое давление в среде представляет собой разность между мгновенным значением давления в данной точке среды при наличии звуковых колебаний и статического давления в той же точке при их отсутствии. Иными словами, звуковое давление есть переменное давление в среде, обусловленное акустическими колебаниями. Максимальное значение переменного акустического давления (амплитуда давления) может быть рассчитано через амплитуду колебания частиц:
(7)
где Р − максимальное акустическое давление (амплитуда давления); f − частота; с − скорость распространения ультразвука; r − плотность среды; А − амплитуда колебания частиц среды.
На расстоянии в половину длины волны (
) амплитудное значение давления из положительного становится отрицательным, то есть разница давлений в двух точках, отстоящих друг от друга на пути распространения волны, равна 2Р.
Максимальные значения величин ускорения и давления, возникающие в среде при прохождении в ней ультразвуковых волн, для данной частицы не совпадают во времени. В момент, когда перепад ускорения достигает своего максимума, перепад давления становится равным нулю. Амплитудное значение ускорения (а) определяется выражением: 
(8)
то есть ускорение пропорционально квадрату частоты и амплитуде смещения.
Если бегущие ультразвуковые волны наталкиваются на препятствие, оно испытывает не только переменное давление, но и постоянное. Возникающие при прохождении ультразвуковых волн участки сгущения и разряжения среды создают добавочные изменения давления в среде по отношению к окружающему ее внешнему давлению. Такое добавочное внешнее давление носит название давления излучения (радиационного давления). Оно служит причиной того, что при переходе ультразвуковых волн через границу жидкости с воздухом образуются фонтанчики жидкости и происходит отрыв отдельных капелек от поверхности.
Интенсивность (сила) ультразвука − поток акустической энергии, отнесенный к единице поверхности, перпендикулярной направлению распространению ультразвука, или, иными словами, акустическая мощность, приходящаяся на единицу поверхности. 
(9)
Зависимость интенсивности ультразвука от амплитуды выражается формулой:
(10)
где r − плотность среды; с − скорость распространения ультразвуковых волн; w − круговая частота; А − амплитуда колебаний.
Соотношение интенсивности ультразвука с величиной переменного акустического давления (Р) для плоской ультразвуковой волны устанавливается следующим образом:
(11)
Интенсивность ультразвука связана с колебательной скоростью частиц среды соотношением:
, Вт/м2, (12)
v – колебательная скорость частиц среды, м/с.
Для определения мощности (N) акустического излучателя любого ультразвукового аппарата достаточно интенсивность ультразвука умножить на площадь поверхности излучающей головки
Поглощенная в единице объема энергия называется физической дозой (Д):
(13)
где I − интенсивность ультразвуковых колебаний, падающих на озвучиваемую поверхность тела; t − время озвучивания; S − площадь облучаемой поверхности тела; V − объем слоёв коры, подвергнутых воздействию.
В процессе распространения плоских ультразвуковых волн в среде интенсивность ультразвука (I) уменьшается по мере удаления от источника излучения согласно формуле:
(14)
где I0 − начальная интенсивность; x − расстояние от источника; а − коэффициент поглощения звука в среде.
Частицы среды, участвующие в передаче энергии волны, колеблются около положения своего равновесия. Скорость, с которой частицы колеблются около среднего положения равновесия, называется колебательной скоростью. Колебательная скорость частиц изменяется согласно уравнению:
(15)
где V − величина колебательной скорости; U − амплитуда колебательной скорости; f − частота ультразвука; t − время; G − разность фаз между колебательной скоростью частиц и переменным акустическим давлением.
Амплитуда колебательной скорости характеризует максимальную скорость, с которой частицы среды движутся в процессе колебаний, и определяется частотой колебаний и амплитудой смещения частиц среды:
(16)
Где А − амплитуда смещения частиц среды.
Результаты исследования и их обсуждение
Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его способности, 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 [5, 6]. При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона (табл. 1).
Таблица 1
Частотные диапазоны различных применений ультразвука
Заключение
Высокая эффективность ультразвукового воздействия на различные технологические процессы и образование новых подтверждена многочисленными исследованиями и опытом более чем тридцатилетнего применения на ряде предприятий различных отраслей промышленности. Поэтому для осуществления технологического процесса окорки лесоматериалов в дальнейшем применяется частотный диапазон ультразвуковых колебаний, применяемых для воздействия на вещество (103 – 108 Гц). В связи с этим, применение ультразвука в различных технологических процессах деревопереработки является возможным, в зависимости от характера его применения. Ультразвук в технологических операциях деревопереработки возможно использовать как для создания принципиально новых технологических решений, так и для использования совместно с существующими.
Рецензенты:
Иванов Виктор Александрович, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Лесные машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет», г. Братск.
Огар Пётр Михайлович, д.т.н., профессор, проректор по научной деятельности ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет», г. Братск.
Библиографическая ссылка
Гаспарян Г.Д. АНАЛИЗ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, С ЦЕЛЬЮ ОЦЕНКИ ИНТРОДУКЦИИ В ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ СЕКТОР ЭКОНОМИКИ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 6. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=7441 (дата обращения: 19.04.2024).