Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

АНАЛИЗ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, С ЦЕЛЬЮ ОЦЕНКИ ИНТРОДУКЦИИ В ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ СЕКТОР ЭКОНОМИКИ

Гаспарян Г.Д. 1
1 ФГБОУ ВПО "Братский государственный университет"
Проведены аналитические исследования ультразвуковых технологий, различные применения ультра-звука, а также основные параметры ультразвукового излучения с целью определения степени эффек-тивности интродукции ультразвука в различные технологические процессы деревообработки и создания принципиально новых технологий. Статья посвящена применениям ультразвуковых колебаний в раз-личных отраслях промышленности и базируется на результатах современных научных исследований, проводимых предприятиями и организациями, а также на зарубежных научных публикациях последних лет. Статья излагает теоретические основы получения и распространения ультразвуковых колебаний в жидких, твердых, газовых средах и полимерных материалах. На основании данных исследований пред-стоит провести полнофакторные эксперименты с применением широкодиапазонного ультразвукового излучения, что позволит определить наиболее эффективные режимы реализации технологических про-цессов. На основании проведённых исследований сделаны выводы и даны практические рекомендации.
ультразвуковая технология
трансфер технологий
интродукция технологий
инновационные технологии
ультразвук
технологический процесс
1. Гаспарян Г. Д. Разработка и обоснование параметров установки для окорки лесоматериа-лов ультразвуком: Дис. ... канд. техн. наук / Гаспарян Гарик Давидович; науч. рук. Г. Л. Ко-зинов; Братский государственный университет. – Братск, 2005. – 160 с.
2. Калиманов А. В. Возможности использования ультразвука в промышленности // Примене-ние ультразвука в промышленности: Сб. статей. – 1959. – № 3. – С. 48–57.
3. Ультразвуковые технологии и аппараты [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – [Бийск]: Официальный сайт лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института. 1994–2011. – Режим доступа: http://u-sonic.ru.
4. Хмелёв В. Н., Попова О. В. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их приме-нение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве. – Барнаул: АлтГТУ, 1997. – 160 с.
5. Хмелёв В. Н., Барсуков Р. В., Цыганок С. Н. Применение ультразвуковых колебаний для интенсификации технологических процессов. Сборник тезисов докладов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Достижения науки и техники – развитию сибирских регионов»: В 3 ч. Ч. 2. – Красноярск: КГТУ, 1999. – С. 192–193.
6. Хмелёв В. Н., Шутов В. В. Перспективы совершенствования и применения технологии ультразвуковой обработки хрупких твердых материалов. Материалы 4 международной кон-ференции «Измерение, контроль и автоматизация производственных процессов» («ИКАПП – 97»). – Барнаул: АлтГТУ им. И. И. Ползунова, 1997. – Т. 2. – С. 145–147.
7. Onda Corporation Acoustic and Ultrasound Testing Products and Services [Electronic resource] / – Electronic data. – Washington, cop. 2001. Mode access: http://www.ondacorp.com

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)

Пользуясь понятием добротности механической системы, можно вывести формулу собственной частоты затухающих колебаний:
 (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)

где W − энергия потока ультразвука, проходящего через площадь S за время t. Интенсивность ультразвука связана с амплитудой колебания, величиной переменного акустического давления и колебательной скоростью частиц среды.

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: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=7441 (дата обращения: 13.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074