Волновые процессы и их применение в современных технологиях

Появление квантовых генераторов, в частности лазеров, позволило достичь напряжённости электрического поля в электромагнитных волнах, сравнимых с внутриатомными полями. Это привело к развитию нелинейной теории электромагнитных волн. При распространении электромагнитных волн в нелинейной среде (e и m зависят от Е и Н) её форма изменяется. Если дисперсия мала, то по мере распространения электромагнитных волн они обогащаются т. н. высшими гармониками и их форма постепенно искажается. Например, после прохождения синусоидальной электромагнитной волны характерного пути (величина которого определяется степенью нелинейности среды) может сформироваться ударная волна, характеризующаяся резкими изменениями Е и Н (разрывы) с их последующим плавным возвращением к первоначальным величинам. Ударная электромагнитная волна далее распространяется без существ, изменений формы; сглаживание резких изменений обусловлено главным образом затуханием. Большинство нелинейных сред, в которых электромагнитные волны распространяются без сильного поглощения, обладает значительной дисперсией, препятствующей образованию ударных электромагнитных волн. Поэтому образование ударных волн возможно лишь в диапазоне l от нескольких сантиметров до длинных волн. При наличии дисперсии в нелинейной среде возникающие высшие гармоники распространяются с различной скоростью и существенного искажения формы исходной волны не происходит. Образование интенсивных гармоник и взаимодействие их с исходной волной может иметь место лишь при специально подобранных законах дисперсии.

Электромагнитные волны различных диапазонов l характеризуются различными способами возбуждения и регистрации, по-разному взаимодействуют с веществом и т. п. Процессы излучения и поглощения электромагнитных волн от самых длинных волн до инфракрасного излучения достаточно полно описываются соотношениями электродинамики. На более высоких частотах доминируют процессы, имеющие существенно квантовую природу, а в оптическом диапазоне и тем более в диапазонах рентгеновских и g-лучей излучение и поглощение Электромагнитные волны могут быть описаны только на основе представлений о дискретности этих процессов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Применение волновых процессов в современных технологиях

 

Волновые технологии включают в себя вибротехнику и ультразвуковые технологии, не ограничиваясь каким-либо диапазоном вибрационных воздействий. Основное направление использования  волновых технологий в производстве заключается в возможности с  их использованием эффективно производить  резонансную накачку энергии  в обрабатываемые среды, тем самым  многократно (до нескольких десятков раз) интенсифицировать технологические  процессы обработки материалов в  самых различных отраслях промышленности:

- в нефтедобыче;

- в нефтеперерабатывающей  промышленности и нефтехимии;

- в химической технологии, в частности, при получении  полимеров;

- в агропромышленном комплексе,  в частности, пищевой и молочной  промышленности;

- в машиностроении;

- в строительстве;

- в экологии;

- в бытовой технике  и др.

Научные основы волновой механики и технологии были заложены еще в 1970-1980-е гг. Так, например, было установлено, что твердые частицы и пузыри, взвешенные в колеблющейся жидкости, могут перемещаться односторонне направленно  относительно жидкости. Кроме того, оказалось, что сама жидкость благодаря  волнам может получать значительную постоянную скорость. Наряду с этим пульсации давления в волнах взаимодействуют  с пузырями, приводя в определенных случаях к их схлопыванию и  локальному повышению давления в  поле течения. Такого рода явления могут  происходить как в мало- и средневязких жидкостях, так и в жидкостях  и вязкопластичных средах высокой  вязкости. Эти эффекты необходимы для осуществления различного рода технологических процессов.

В частности, во многих процессах  химической, нефтеперерабатывающей  и пищевой промышленности требуется  быстро создавать однородные эмульсии и суспензии разнообразного состава, организовывать течения жидких сред без застойных зон, обеспечивать пространственные движения сред различной  вязкости, обеспечить диспергирование  взвешенных в жидкости газовых и  твердых включений и т. п. Также  центральными эффектами являются эффект резонансной турбулизации и перемешивания  многофазных систем, эффекты, связанные  с кавитацией, различные эффекты  преобразования волновых и колебательных  движений жидкостей и взвешенных в них включений в монотонные, односторонне направленные движения, а также волновые эффекты пространственного  сдвига в высоковязких средах. Использование  этих эффектов для осуществления  процессов обработки материалов позволило сформулировать фундаментальные  принципы волновых технологий обработки  материалов. Они существенно отличают волновую технологию обработки материалов от традиционных технологий, основанных на использовании мешалок различного рода, экструдеров или сливающихся  потоков. Сформулируем их:

- для эффективного и  энергетически экономного проведения  процессов обработки материалов  в замкнутых объемах следует  возбудить резонансные волны  таких характеристик, при которых  в этих объемах осуществляется  эффект резонансной турбулизации  и перемешивания;

- для обработки материалов  больших объемов используется  принцип секционирования, согласно  которому большой объем разделяется  на ряд динамически взаимодействующих  (резонансных) секций существенно  меньшего объема, в каждой из  которых локально производится  интенсивная обработка материала; 

- однородный состав продукта  обеспечивается циркуляцией обрабатываемых  веществ по всему объему обработки  и между секциями локальной обработки, а также ликвидацией застойных зон во всем объеме обработки. Как циркуляция, так и ликвидация застойных зон могут быть осуществлены путем возбуждения специальных волновых полей в объеме обработки;

- скоростная обработка  больших объемов материалов осуществляется  в проточных системах, в которых  для возбуждения волновых полей  следует преобразовать поступательное  движение обрабатываемой среды  в волновое движение таких  характеристик, которые обеспечивают  эффективную и энергетически  экономную обработку сред. 

Реализацию данных эффектов проиллюстрируем на примере нефтяной промышленности. Суть волновых эффектов, применяющихся в нефтяной промышленности, - в преобразовании волновых и колебательных  движений жидкостей и взвешенных в них включений монотонные, односторонне направленные движения. Так, например, было установлено, что твердые частицы  и пузыри, взвешенные в колеблющейся жидкости, могут перемещаться односторонне направлению относительно жидкости. Кроме того, оказалось, что и сама жидкость благодаря волнам может  получать значительную постоянную скорость. Такого рода явления происходят как  в однородной жидкости, так и в  жидкости, заполняющей узкие каналы, капилляры и поры пористых сред.

Эти движения необходимы для  осуществления различного рода технологических  процессов. В частности, в нефтяной промышленности требуется организовывать течения жидкости в пористых средах, перемещать капиллярно-удержанные капли  нефти, создавать депрессию в  скважинах вблизи перфорации и т. п. Генераторы колебаний для обработки  скважин под разными названиями, как например, скважинные гидродинамические  генераторы колебаний (СГГК) и разными  видоизменениями этого названия (ультразвуковой генератор, кавитационный  генератор, вихревой генератор, роторно-пульсационный, акустический, ультразвуковой и др.) вошли в практику нефтяной промышленности в разных регионах. Такие генераторы используются, например, для обработки призабойных зон нагнетательных и добывающих скважин.

 

2.2 Ультразвук и его использовании

 

Ультразвук широко применяется  в различных физических и технологических  методах. По скорости распространения  звука в среде судят о ее физических характеристиках. Измерения  скорости на ультразвуковых частотах производятся с очень большой  точностью; вследствие этого с весьма малыми погрешностями определяются, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоемкости газов, упругие постоянные твердых тел.

Гидролокация

В конце Первой мировой  войны появилась одна из первых практических ультразвуковых систем, предназначенная  для обнаружения подводных лодок. Пучок ультразвукового излучения  может быть сделан остронаправленным, и (по отраженному от цели сигналу эхо-сигналу) можно определить направление на эту цель. Измеряя время прохождения сигнала до цели и обратно, определяют расстояние до нее. К настоящему времени система, именуемая гидролокатором, или сонаром, стала неотъемлемым средством мореплавания.

Если направить импульсное ультразвуковое излучение в сторону  дна и измерить время между  посылом импульса и его возвратом, можно определить расстояние между  излучателем и приемником, т. е. глубину. Основанные на этом сложные системы  автоматической регистрации применяются  для составления карт дна морей  и океанов, а также русл рек. Соответствующие  навигационные системы атомных  подводных лодок позволяют им совершать безопасные переходы Даже под полярными льдами.

 

 

Дефектоскопия

Зондирование ультразвуковыми  импульсами применяется и для  исследований свойств различных  материалов и изделий из них. Проникая в твердые тела, такие импульсы отражаются от их границ, а также  от различных инородных образований  в толще исследуемой среды, таких  как полости, трещины и другие, указывая на их расположение. Ультразвук «проверяет» материал, не вызывая  в нем разрушений. Такими неразрушающими методами контроля проверяют качество массивных стальных поковок, алюминиевых  блоков, железнодорожных рельсов, сварных  швов машин.

Ультразвуковой расходомер

Принцип действия такого прибора  основан на эффекте Доплера. Импульсы ультразвука направляются попеременно  по потоку и против него. При этом скорость прохождения сигнала то складывается из скорости распространения  ультразвука в среде и скорости потока, то эти величины вычитаются. Возникающая разность фаз импульсов  в двух ветвях измерительной схемы  регистрируется электронным оборудованием, и в итоге измеряется скорость потока, а по ней и массовая скорость (расход). Этот измеритель не вносит изменений  в поток жидкости и может применяться  как к потоку в замкнутом контуре, например, для исследований кровотока  в аорте или системы охлаждения атомного реактора, так и к открытому  потоку, например реки.

Ультразвуковая химия

Вышеописанные методы относятся  к категории маломощных, в которых  физические характеристики среды не изменяются. Но существуют и методы, в которых на среду направляют ультразвук большой интенсивности. При этом в жидкости развивается  мощный кавитационный процесс (образование  множества пузырьков, или каверн, которые при повышении давления схлопываются), вызывая существенные изменения физических и химических свойств среды. Многочисленные методы ультразвукового воздействия на химически активные вещества объединяются в научно-техническую отрасль знаний, называемую ультразвуковой химией. В ней исследуются и стимулируются такие процессы, как гидролиз, окисление, перестройка молекул, полимеризация, деполимеризация, ускорение реакций.

Ультразвуковая пайка

Кавитация, обусловленная  мощными ультразвуковыми волнами  в металлических расплавах и  разрушающая окисную пленку алюминия, позволяет проводить его пайку  оловянным припоем без флюса. Изделия из спаянных ультразвуком металлов стали обычными промышленными товарами.

Ультразвуковая механическая обработка

Энергия ультразвука успешно  используется при машинной обработке  деталей. Наконечник из малоуглеродистой стали, выполненный в соответствии с формой поперечного сечения  желаемого отверстия (или полости), крепится твердым припоем к концу  усеченного металлического конуса, на который воздействует ультразвуковой генератор (при этом амплитуда вибраций составляет до 0,025 мм). В зазор между  стальным наконечником и обрабатываемой деталью подается жидкая суспензия  абразива (карбида бора). Поскольку  в таком методе режущим элементом  выступает абразив, а не стальной резец, он позволяет обрабатывать очень  твердые и хрупкие материалы  – стекло, керамику, алнико (Fе-Ni-Со-А1-сплав), карбид вольфрама, закаленную сталь; кроме того, ультразвуком можно обрабатывать отверстия и полости сложной формы, так как относительное движение детали и режущего инструмента может быть не только вращательным.

Ультразвуковая очистка

Важной технологической  проблемой является очистка поверхности  металла или стекла от мельчайших посторонних частиц, жировых пленок и других видов загрязнения. Там, где слишком трудоемка ручная очистка или необходима особая степень  чистоты поверхности, применяется  ультразвук. В кавитирующую омывающую жидкость вводится мощное ультразвуковое излучение (создающее переменные ускорения с частотой до 10⁶ Гц), и схлопывающиеся кавитационные пузырьки срывают с обрабатываемой поверхности нежелательные частицы. В промышленности используется множество видов различного ультразвукового оборудования для очистки поверхностей кварцевых кристаллов и оптического стекла, малых прецизионных шарикоподшипников, снятия заусенец с малогабаритных деталей; применяется оно и на конвейерных линиях.