ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Измерение поглощения ультразвука по скорости эккартовского течения из "Введение в нелинейную акустику Звуковые и ультразвуковые волны большой интенсивности " В ряде работ [27, 47, 38, 26, 34, 48, 3] по результатам исследования акустического течения определены коэффициенты поглощения звука в жидкостях. Как видно из (6.58) и (6.60), для определения коэффициента поглощения методом акустического течения необходимо независимо измерить интенсивность (ши плотность звуковой энергии) и скорость потока. Выше мы говорили, что радиационное давление оказывает существенные помехи при определении скорости потока по его динамическому давлению. Естественно и обратное динамическое давление потока вносит ошибки в измерение радиационного давления механическими методами (см. гл. 5, 3). При измерении коэффициента поглощения этим методом разделение динамического давления потока и радиационного давления несколько усложняется тем, что должны быть созданы условия, соответствующие теории Эккарта. [c.243] Уравнение (6.6) для течения в пограничном слое также представ.1яет собой уравнение вынужденной диффузии. Время диффузии вихрей в пограничный слой T 6 /v = = Г/я. где Г —период звуковой волны. Таким образом, время установления стационарного течения в пограничном слое сравнимо с периодом волны. [c.247] Кавитация — явление, характерное только для жидкостей. Она играет значительную роль во всех тех течениях жидкости, где возможно возникновение отрицатель- ных давлений. Различные кавитационные течения — довольно обширная область современной гидродинамики. Поскольку такие течения не обязательно связаны со звуковым полем, в настоящее время есть тенденция выделить из общего понятия кавитации звуковую (или ультразвуковую) кавитацию. Нас в этом разделе будет интересовать только звуковая (или ультразвуковая) кавитация, отличающаяся от обычной гидродинамической кавитации, пожалуй, только способом возбуждения. [c.250] Трудности, которые встречаются на пути включения кавитационных процессов в общую систему гидродинамических уравнений, являются одной из причин того, что теория звуковой кавитации в настоящее время находится в зачаточном состоянии. В этом разделе будет рассмотрена приближенная теория звуковой кавитации, а также приведен различный экспериментальный материал по звуковой кавитации. [c.250] Важной характеристикой является время жизни возникшей полости. Как будет видно в дальнейшем, для газовой кавитации, если размер пузырька мал настолько, что его собственная резонансная частота несколько выше частоты звука, время жизни его в звуковом поле меньше периода звука (или при больших амплитудах звука, возможно, составляет несколько периодов) пузырек быстро захлопывается, при этом возникают большие давлешгя и высокие температуры — образуется сферическая ударная волна. [c.251] Процессы подобного рода иногда называют истинной кавитацией . Когда пузырек велик и его резонансная частота ниже частоты звука, он в звуковом поле совершает интенсивные колебания (при этом могут возбуждаться различные моды колебаний). Такие пузыръкп не захлопываются, во всяком случае за несколько периодов волны. Не захлопываются также пузырьки очень малого размера. Эти большие и очень малые пузырьки взаимодействуют между собой и со звуковым полем таким образом, что возможна медленная односторонняя диффузия газа в пузырек для малых пузырьков и коагуляция больших пузырьков. Последнее приводит к бурному выделению газа из жидкости. Этот процесс иногда также называют газовой кавитацией, хотя он существенно отличается от истинной кавитации . Чаще в отличие от истинной газовой кавитации этот процесс называют дегазацией. В экспериментальных условиях явление осложняется еще и тем, что истинная кавитация и дегазация, как правило, протекают в звуковом поле одновременно. В насыщенной газом жидкости, по-видимому, нет способов (за исключением анализа кавитационных шумов и вторичных эффектов см. далее) отличить дегазацию от истинной кавитации совершенно не ясны процессы влияния истинной кавитации на дегазацию. [c.251] По ультразвуковой кавитации имеются обзорные работы [1, 2]. [c.253] При значительных амплитудах звукового давления жидкости подвергаются большим отрицательным давлениям. Рассмотрим сначала процессы, происходящие в жидкости при медленном понижении давления. [c.253] Постепенное понижение давления до давления насыщенных паров жидкости при данной температуре должно было бы привести к вскипанию жидкости, т. е. к кавитации кипения, при которой возникающие полости заполнены парами жидкости. Однако образование новой фазы может и НС произойти, если нет слабых мест — так называемых зародышей кавитации дальнейшее понижение давления в этом случае переводит жидкость в метаста-бильное состояние. [c.253] Верхняя граница прочности жидкости на разрыв равна внутреннему давлению в жидкости. Величина внутреннего давления определяется силами межмолекулярного взаимодействия и в большинстве жидкостей имеет порядок нескольких тысяч атмосфер. При приложении таких отрицательных давлений нгидкость должна была бы распасться. В жидкости, однако, всегда имеются термодинамические флуктуации плотности, давления и температуры, допускается также существование стабильных зародышей, которые должны привести к локальному понижению прочности жидкости на ра.чрыв. Разрыв при этом приводит не к распаду жидкости, а к образованию пузырьков, заполненных паром и газами, растворенными в жидкости. Из-за этого даже теоретическая прочность жидкости на разрыв, как правило, ниже величины внутреннего давления. [c.253] Теоретические работы по прочности жидкостей стимулировались тем, что экспериментально наблюдаемая прочность жидкостей (см. табл. 6) существенно меньше внутреннего давления. Даже при применении всех предосторожностей экспериментальная прочность жидкостей на один-два порядка меньше внутреннего давления и, как правило, меньше теоретической прочности. Низкая экспериментальная прочность жидкостей на разрыв вряд ли может быть объяснена термодинамическими флуктуациями из-за малой вероятности таких больших флуктуаций. В настоящее время предполагается, что причиной низкой прочности является существование в жидкости стабильных зародышей новой фазы. [c.254] Эта величина может считаться изотермической прочностью на разрыв жидкости, в которой есть хотя бы один зародыш в виде пузырька радиуса Rq. Зависимость рта от Ro показана на рис. 58 [8]. Как видно из рисунка, прочность жидкости на разрыв при Rq 10- см в этом случае существенно ниже теоретических величин, приведенных в табл. 6. Таким образом, для объяснения экспериментальной прочности жидкостей на разрыв достаточно предположить, что в жидкости стабильно могут существовать зародыши в виде газовых пузырьков, размеры которых больше 10 см. [c.256] В [9] было предположено, что поверхностное натяжение уменьшается за счет растворенных всегда в жидкостях ррганических веществ (парафиновых кислот, углеводородов и т. д.), кроме того, эти растворенные вещества препятствуют диффузии газа из пузырька. Влияние поверхностно-активных веществ, кстати говоря, подтверждается еще кажущимся отвердением воздушных пузырьков малых размеров при подъеме в жидкости (см. [10], 281). [c.257] Выше рассматривался разрыв жидкости на стабильно существующих газовых зародышах. Возможен также разрыв на поверхностях твердых тел, находящихся в звуковом поле. Это могут быть, например, поверхность источника звука, стенки сосудов или твердые загрязнения, присутствующие в жидкости. При недостаточно хорошей смачиваемости разрыв жидкости в этих случаях облегчен. [c.259] В этом разделе мы, следуя [16], рассмотрим теорию роста и захлопывания под действием звуковой волны одного кавитационного пузырька, заполиенного газом, предполагая, что количество газа в процессе изменения его объема остается постоянным жидкость несжимаема, ультразвуковое поле имеет синусоидальное распределение-плотности, звукового давления и дрзо-их характеризующих волну величин даже в непосредственной близости от пузырька максимальный диаметр пузырька меньше длины волны. [c.259] Как показывают расчеты в [16], в процессе истинной кавитации пузырек при расчетных звуковых давлениях не достигает резонансного размера. На рис. 61 показано, как зависят от частоты звука время роста пузырька tm и максимальный радиус Rm, достигаемый за время роста при расчете брали амплитуду звукового давления Ро = 4 10 дн см и начальный радиус зародыша До = = 3,2 10 см. На этом же рисунке показан резонансный радиус пузырька по (7.13). В процессе кавитации при относительно небольших амплитудах звукового давления максимальный радиус пузырька имеет порядок резонансного, но все же меньше его. [c.263] Как показывают экспериментальные и теоретические результаты, при больших амплитудах звукового давления скорость роста и максимальный радиус пузырька могут быть такими, что в фазе положительного давления он не успеет захлопнуться [44, 451. [c.263] ИСХОДНЫХ уравнений, не говоря уже о том, что теория применена для частного случая. Представляется весьма мало вероятным, чтобы содержание воздуха в пузырьке в процессе роста и особенно в процессе захлопывания пузырька оставалось постоянным. Другое предположение о несжимаемости жидкости при движении стенок пузырька заведомо не выполняется в фазе захлопывания пузырька. [c.264] Бесконечная скорость движения стенок и бесконечное давление в точке аннигиляции кавитирующего пузырька получаются в результате того, что полость предполагалась пустой для реальной кавитации это было бы возможным только в том случае, когда весь газ, содержащийся в полости, успевал бы в процессе захлопывания диффундировать в окружающую жидкость. При этих расчетах не учитывалось поверхностное натяжение жидкости, ее вязкость, которые также могут существенно влиять на процесс захлопывания. Более сложные движения, чем простое движение к центру, не принимались во внимание. [c.265] Спектральный состав ультразвуковой люминесценции [22] указывает на то, что люминесцентное излучение соответствует излучению абсолютно черного тела при температуре —10 000° К это можно считать экспериментальным подтверждением возникновения высоких температур в фазе захлопывания. Размеры областей и время существования такой высокой температуры чрезвычайно малы. Однако, поскольку количество кавитационных полостей в звуковом поле может быть большим, интегральный эффект существования горячих точек с высоким давлением заметен при наблюдении химических реакций в звуковом поле, звуковой люминесценции некоторых жидкостей и ряда других явлений. [c.267] Вернуться к основной статье