ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Радиационная сила давления звука на взвешенные сферические из "Введение в физическую акустику " Остановимся на задаче о радиационном давлении в другом предельном случае, когда взвешенные в среде препятствия (частицы) малы по сравнению с длиной звуковой волны X. Для простоты ограничимся рассмотрением препятствия в виде шара радиуса 7 1, причем X. Решение такой задачи в определенной степени проясняет физический механизм поведения пузырьков в звуковом поле, а также явление левитации (см. ниже). Этому решению посвящено много работ, однако нельзя сказать, что здесь все выяснено даже в простейшем случае отсутствия в среде вязкости. [c.126] Здесь интегрирование производится по движущейся поверхности 51(0, а изменение давления р дается обобщенным интегралом Бернулли. Стенка пузырька испытывает как радиальное, так и осциллирующее движение со скоростью г она связана с потенциалом ф выражением г =Тф- Сжимаемость жидкости учтена в квадратичном приближении по амплитуде падающего поля здесь р — плотность, с — скорость звука в жидкости. [c.126] Для вычисления F следует воспользоваться решением дифракционной задачи о рассеянии звуковой волны произвольной формы на малом шаре. [c.127] Как обычно, а, р пробегают значения 1, 2, 3, и по дважды повторяющимся индексам производится суммирование. В (2.4) предполагается, что множитель ехр ( со/) опущен и что ф удовлетворяет волновому уравнению ф+/г ф=0. [c.127] Это представление потенциала есть не что иное, как разложение ф по мультиполям (первый член представляет собой монополь, второй — диполь и третий — квадруполь), записанное в общем виде в случае произвольной симметрии падающего поля. При 7 1 X можно ограничиться только этими тремя членами. [c.128] При Рш р (твердый шар), главный вклад в Fa дает второй член, тогда как первый член представляет собой поправку на сжимаемость шара. [c.129] Формула (2.15) при сг=оо представляет собой известную формулу Кинга [12] для радиационной силы, действующей в направлении распространения плоской гармонической волны на жесткую сферу. [c.130] То обстоятельство, что в поле стоячих волн имеет место удвоенная пространственная периодичность, приводит к двум возможным положениям равновесия — узлам и пучностям в стоячей волне. Анализ показывает, что если Рш -Р, то частицы собираются в пучностях скорости, а если рш С р — в узлах скорости, что экспериментально подтверждается. [c.130] Случай воздействия звука на твердые малые частицы в воздухе, кроме значения для задачи о коагуляции аэрозолей, имеет интерес для задач, связанных с возможностью удерживать непроводящие немагнитные тела небольших размеров во взвешенном состоянии в поле силы тяжести (и тем более в состоянии невесомости) при помощи сил радиационного давления в стоячих волнах. [c.130] Под действием силы радиационного давления малые частицы массы т приходят в движение и собираются в узлах звукового давления в стоячей волне. Они могут находиться там в подвешенном состоянии, если эта сила достаточна для того, чтобы уравновесить силу тяжести mg. Такое подвешивание частиц в звуковом поле и фиксация их в определенных зонах называется акустической левитацией. Например, в поле стоячей волны при частоте /=20 кГц и интенсивности звука 10 Вт/м в условиях земной гравитации может левитировать сфера с радиусом 0,4 см и массой 2 г. [c.130] Это явление используется при создании акустических левитато-ров — устройств, предназначенных для установки и фиксации в определенных положениях жидких и твердых образцов заданной формы. [c.130] Акустическая левитация находит применение, например, в таких процессах, как бестигельная варка стекла, выращивание кристаллов, литье из различных компонент. Особенно полезной она может оказаться в космической технологии, в условиях невесомости. [c.131] Любой левитатор имеет, как правило, источник звука (один или несколько) и рефлектор, помещенные в экспериментальную камеру, в которой могут также размещаться нагревательные элементы, тепловые экраны, устройства ввода и вывода образца и другие конструктивные элементы. [c.131] В левитаторе формируется звуковое поле, которое должно обеспечивать устойчивое удержание образцов при изменении внешних условий (например, температуры). [c.131] Глубина и пространственное распределение потенциальных ям в левитаторе зависят от многих факторов, в том числе от поглощения звука в объеме камеры, от настройки системы излучатель — рефлектор на резонанс, которая может меняться при изменении температуры в камере, от наличия отражений от стенок и элементов конструкции. [c.131] Возможны и другие способы формирования звуковых полей с глубокими и стабильными энергетическими ямами, например при использовании фокусирующих излучателей и отражателей. Такие левитаторы выгодны с энергетической точки зрения, так как они дают возможность концентрировать акустическую энергию в определенных зонах. [c.131] Распределение звукового давления и положение взвешенных частиц одноосевом левитаторе 1 — поршневой источник звука, 2 — отражатель, 3 — плоскости минимального давления, взвешенные частицы. [c.131] Вернуться к основной статье