Ультразвук в капиллярном контроле

В капиллярном контроле давно и все более успешно применяются ультразвуковые колебания низких промышленных частот 15-80 кГц, прохождение которых через жидкие среды вызывает такие вторичные акустические явления, как кавитация, акустические течения и другие.

Кавитация - это образование в жидкости пульсирующих пузырьков (каверн, полостей), заполненных паром, газом или их смесью, при прохождении ультразвуковой волны большой интенсивности. Давление внутри пульсирующих кавитационных пузырьков может достигать значительных величин 107-1011 Па; температура внутри пузырька может достигать ~104 К, может происходить их свечение - звуколюминесценция.

При определенных условиях пузырьки захлопываются с образованием кумулятивных струй со скоростью до 10 - 100 м/с, при этом струйка всегда направлена к твердой поверхности, что и вызывает сильное гидрокинетическое возмущение жидкости, ее перемешивание, интенсивное излучение акустических (ударных) волн и в конечном итоге - разрушение поверхности. Естественно, если поверхность покрыта твердыми или жидкими загрязнениями или покрытиями, кумулятивные струйки разрушают их целостность и вызывают их диспергирование и эмульгирование и, как результат, - удаление с поверхности.

Как следует из приведенных данных, многопрофильное влияние ультразвуковых колебаний на различные технологические операции основывается как на сильных локальных гидродинамических и температурных воздействиях кавитации, так и на их влиянии практически на все физические свойства сред и результаты их взаимодействия.

Наиболее ощутимо влияние ультразвука в объемах жидкости на границе с твердой поверхностью (контролируемой, очищаемой и т.д.), когда создаются условия для возникновения ультразвукового капиллярного эффекта.

Ультразвуковой капиллярный эффект - явление увеличения глубины и скорости проникновения жидкости в капиллярные каналы под действием ультразвука (по сравнению с глубиной и скоростью, обусловленными только капиллярными силами).

Наблюдать ультразвуковой капиллярный эффект проще всего на следующем опыте, схема которого представлена на рисунке. Если капилляр погрузить в воду, то под действием капиллярных сил жидкость поднимется на высоту H₀. Если в жидкость на дно ванны поместить источник ультразвука, то высота и скорость подъема будут в десятки и сотни раз превосходить величину H₀, а высота подъема может достигать 10-15 м.

Экспериментально и теоретически доказано, что в основе эффекта лежит явление кавитации. Поэтому чтобы создать условия для проявления ультразвукового капиллярного эффекта, надо вызвать развитую кавитацию. Для этого надо в технологическом процессе соблюдать оптимальные условия для кавитации и проявления ультразвукового капиллярного эффекта (температура жидкости, ее вязкость, поверхностное натяжение, упругость пара, газосодержание и другие свойства).

Ультразвуковая обработка особенно эффективна для изделий сложной формы, используемых в электронной и приборостроительной промышленности.

Достоинство ультразвуковой очистки состоит в том, что такие экологически-, пожаро- и взрывоопасные традиционные вещества, как бензин, ацетон, спирты, можно заменить на воду и водные растворы. Суть в том, что кавитационная активность воды гораздо выше, чем у ацетона, спирта, бензина, поэтому соответственно выше очищающая способность воды и водных растворов. Происходящие при этом ультразвуковое диспергирование и эмульгирование только ускоряют очистку и повышают ее качество. При необходимости для подготовки поверхности к контролю можно применять ультразвуковое травление и некоторые другие процессы с применением ультразвука.

Уместно обратить внимание на принципиальную разницу между ультразвуковыми колебаниями промышленных низких частот и большой интенсивности, вносящими существенные изменения в свойства жидкостей, и ультразвуковыми колебаниями высоких частот (0,5-25 МГц), используемыми в ультразвуковой дефектоскопии. Интенсивность этих колебаний небольшая, и они не оказывают влияния на среду, в которой распространяются. Их роль состоит в том, чтобы дать информацию об объекте, о наличии в нем дефектов, отклонений в структуре и других свойствах жидких и твердых сред. Информационными параметрами при этом являются скорость, амплитуда отраженного сигнала и др.