1.6.2. Генерация акустических колебаний

Для получения акустических колебаний низкой частоты (10 Гц – 5 кГц) используют  электромагнитные  и электродинамические преобразователи. Принцип их действия основан на получении колебаний подвижной механической системы под действием электромагнитного поля. Для получения акустических колебаний ультразвуковой частоты чаще всего применяют специальные устройства, работа которых основана на использовании магнитострикционного и пьезоэлектрического эффектов. Сущность этих эффектов  заключается в способности некоторых материалов  изменять свои линейные размеры под действием переменного магнитного или электрического поля [22].

Магнитострикционные преобразователи. Эти устройства работают на частотах от 2 до 80 кГц и позволяют достигать интенсивности ультразвукового воздействия до нескольких десятков ватт на 1 см2.  Активным элементом излучателя является стержни или пакет пластин из магнитострикционного материала, закрепленные посередине и помещенные в переменное магнитное поле (рис.1.12). Под действием этого поля изменяются геометрические размеры стержня или пластин, причем, одному периоду изменения магнитного поля соответствует два периодических изменения длины.

Для изготовления магнитострикционных преобразователей чаще всего используют никель и сплавы К-65 и  К49Ф2. В последние годы широкое применение нашли ферритовые излучатели, активный элемент которых получают прессованием порошков оксидов железа, цинка и никеля с последующим обжигом. Электроакустический к.п.д. таких преобразователей имеет величину 60-80%, в то время как в случае  использования  металла при том же устройстве излучателя считается нормальным к.п.д. порядка 40-50%.

Пьезоэлектрические преобразователи. Пьезоэлектрические преобразователи применяют в основном для получения ультразвуковых колебаний высокой частоты  - от 500 кГц до 100 МГц. Интенсивность излучения может достигать 60 Вт/см2, а в отдельных случаях, в частности в импульсном режиме, - 200-500 Вт/см2 (при к.п.д. 60-65%). Активным элементом излучателя является пластинка из материала, обладающего способностью совершать механические колебания, следуя изменению приложенного к ее граням  переменного электрического поля высокой частоты (рис. 1.13).

Для изготовления пьезоэлектрических излучателей используют как естественные пьезоэлектрики, например, кварц, так и искусственные: титанаты бария и кальция, цирконат-титанат свинца и др. (пьезокерамика).

Основным недостатком магнитострикционных и пьезоэлектрических излучателей является трудность равномерного распространения ультразвукового воздействия на реакционную массу большого объема, что ограничивает возможность создания промышленных установок высокой производительности. Частично эта проблема снимается при использовании так называемых концентраторов. Наибольшее распространение получили стержневые концентраторы (акустические волноводы),  принцип  действия  которых основан на увеличении амплитуды колебаний за счет уменьшения их поперечного сечения или плотности. Коэффициент усиления зависит от формы волновода и материала, из которого он изготовлен.

Гидродинамические излучатели. Ограничения по производительности практически исчезают при использовании гидродинамических излучателей, в которых механические колебания возникают под действием потоков жидкости, обладающих высокой энергией. Пластинчатые и стержневые гидродинамические излучатели работают по принципу резонансных колебаний пластин или стержней от упругой струи жидкости, вытекающей из сопла. В вихревых гидродинамических излучателях периодическое образование импульсов давления и, следовательно, звуковых волн происходит при срыве вихрей при вращении струи жидкости. В роторных излучателях акустические колебания возникают при протекании жидкости через быстро сменяющиеся многочисленные узкие проходы, созданные зубцами нескольких роторов и статоров.

В ряде процессов перспективно использование мощных низкочастотных излучателей, позволяющих плавно изменять частоту колебаний и практически не имеющих ограничений по производительности.