О неслышимых звуках

Глава 5. ПОМОЩНИК ЧЕЛОВЕКА

Итак, ультразвук может разламывать мельчайшие частицы вещества — молекулы. Естественно ожидать, что с помощью мощного ультразвука удастся измельчить также различные жидкие или твердые тела, состоящие из многих миллиардов молекул.

Если в пробирку налить ртуть и воду, то более тяжелая ртуть расположится внизу, а вода сверху. Встряхнув пробирку, можно на мгновение заставить ртуть разбиться на мелкие капельки и перемешаться с водой. Но как только мы прекратим встряхивание, капельки ртути соберутся на дне и сольются в одну большую каплю. В пробирке вновь возникнут два слоя, разделенные резкой границей. Попробуем теперь пробирку опустить в мощный ультразвуковой фонтан. Пройдет всего несколько минут, и мы получим однородную серую массу, где уже нельзя различить отдельные слои. Капельки ртути здесь равномерно перемешаны с водой, как в молоке перемешаны с водою мельчайшие капельки жира.

Тем не менее, это не истинный раствор, в котором растворенное вещество измельчено до молекул. Хотя ультразвук дробит ртуть на мелкие частицы, им все же очень далеко до молекул. С помощью хорошего микроскопа можно различить и измерить отдельные капельки ртути. Они имеют в поперечнике несколько стотысячных долей сантиметра. Подобные капельки содержат еще сотни тысяч молекул, но они уже настолько малы, что не падают мгновенно на дно пробирки, а лишь медленно-медленно оседают. Даже через сутки остается еще сравнительно много мелких неосевших частиц. Такое подобие раствора называют эмульсией, если раздробленное вещество — жидкость, а сам процесс измельчения — диспергированием. Различные эмульсии находят самое разнообразное применение в технике, медицине, в быту.

При постройке дорог широко используют так называемые битумные эмульсии. Чрезвычайно разнообразны эмульсии, встречающиеся в пищевой промышленности, — это различные соусы и кремы, начинки для конфет, а также маргарин, который представляет собою охлажденную эмульсию масла, жиров и кислого молока. Широко применяются эмульсии в фармацевтической, текстильной и кожевенной промышленности, в сельском хозяйстве и т. д.

Промышленность заинтересована в получении эмульсий в возможно более короткий срок.

Известным советским ученым Сергеем Николаевичем Ржевкиным приготовлено с помощью ультразвука большое количество разнообразных эмульсий. Легко диспергируются (измельчаются) в воде бензол, парафин, различные масла. Особенно легко и быстро образуются эмульсии масел. Они очень устойчивы и лишь незначительно изменяются со временем.

На рис. 33 приведены кадры киносъемки образования эмульсии масла в воде. Диспергируемое масло по трубке подается к ультразвуковому вибратору. Под действием ультразвука оно разбивается на мельчайшие капельки. Образующаяся эмульсия заметна в виде постепенно увеличивающегося облачка. По увеличению белого облачка на последующих фотографиях мы убеждаемся, как быстро происходит образование эмульсии под действием ультразвука (промежутки времени между отдельными фотографиями — доли секунды). Быстрота, с которой происходит ультразвуковое эмульгирование, может иметь большое практическое значение.

При ультразвуковом измельчении основную роль опять-таки играет кавитация. Кроме того, при распространении ультразвуковой волны возникают колебания стенок сосуда, содержащего измельчаемую жидкость. Эти колебания также способствуют образованию эмульсии.

С помощью ультразвука можно измельчать и твердые тела, получая таким образом суспензии — смеси мелко раздробленного твердого вещества с жидкостью. Различные краски, некоторые лекарственные препараты, смазки для трущихся частей машин и другие широко применяемые вещества представляют собою суспензии. Тела, силы сцепления в которых невелики, такие, как гипс, слюда, сера, а также различные твердые органические соединения, как например, нафталин или камфора, размельчаются ультразвуком легко.

Хотя металлы измельчаются труднее, но все же с помощью ультразвука удалось получить также суспензии многих металлов в воде и масле.

Причина измельчения и в этом случае коренится в кавитации. Огромные давления, возникающие при захлопывании кавитационных пузырьков, действуют как микроскопические удары, дробящие твердое тело.

Мы знаем, что кавитация возникает не только при распространении ультразвука. С нею мы сталкиваемся при движении корабельных винтов, лопаток гидротурбин. И здесь наблюдается возникновение быстро захлопывающихся кавитационных пузырьков, вызывающее разрушение поверхности винтов и лопаток. Это убеждает нас в том, что одну из причин дробящего действия ультразвука мы указали правильно.

Следует заметить, что с помощью ультразвука можно добиться очень тонкого измельчения твердого тела, но количество раздробленного вещества при этом бывает обычно ничтожно. В самом деле, для того чтобы измельчить всего 1 грамм никеля, пользуясь ультразвуковым генератором средней мощности, потребовалось бы непрерывно озвучивать пластинку размером 4 квадратных сантиметра в продолжение месяца.

Поэтому, когда хотят получить сравнительно большое количество измельченного вещества, прибегают к особым приемам.

Так, например, желая получить суспензию серебра, измельчаемый кусок металла помещают в ванну, наполненную раствором соответствующей соли этого металла, в нашем случае — азотнокислого серебра (рис. 34). В туже ванну опускают специальную металлическую пластинку. Серебро соединяют с положительным полюсом батареи, а пластинку с отрицательным. При протекании электрического тока кусок серебра растворяется, одновременно равное количество серебра из раствора выделяется в виде мельчайших кристалликов на металлическом электроде. Если расположить ванну над колеблющимися кварцевыми пластинками и пропустить через нее мощный ультразвуковой луч, то мельчайшие кристаллики серебра будут отрываться от электрода. Образуется чрезвычайно мелкозернистая суспензия. В этом приборе можно получать суспензии самых разнообразных металлов. Установка отличается простой конструкцией и большой производительностью.

Таким же образом, совмещая химическую реакцию с действием ультразвука, можно получить мелко измельченный осадок самых различных веществ.

В некоторых случаях бывает удобно измельчаемое твердое тело предварительно растворить в каком-либо летучем растворителе, а затем полученный раствор превратить в эмульсию. При эмульгировании возникает кавитация: растворитель, испаряясь, переходит в кавитационные пузырьки, а растворенное твердое тело выпадает в осадок. Таким образом, удается получать суспензии, характеризуемые очень небольшими размерами частиц. Применение этого способа для диспергирования ДДТ, как называют одно из очень эффективных средств борьбы с различными насекомыми, дало возможность получить суспензию этого вещества, являющуюся для насекомых исключительно сильным ядом.

Особенно большое значение приобрело ультразвуковое измельчение в производстве некоторых лекарств. Имеются лекарственные средства, нерастворимые в воде, поэтому их приходится применять в виде эмульсий или суспензий. К таким веществам относится камфора. Нерастворимость камфоры в воде не позволяет вводить ее непосредственно в кровь больного, с тем чтобы она скорее достигла сердца. Если ввести камфорное масло в вену, оно нарушит кровообращение и человек погибнет.

С помощью ультразвука советские ученые раздробили камфорное масло в воде до столь мелких частиц, что подобную эмульсию оказалось возможным безболезненно вводить непосредственно в кровь больному.

В последнее время большое значение приобрели лекарственные вещества, родственные сульфидину. Многие пользуются сульфамидными эмульсиями, но немногие знают, что они часто приготовляются с помощью ультразвука. Как показал опыт, действие полученных с помощью озвучивания сульфамидных эмульсий гораздо эффективнее, нежели эмульсий, приготовленных обычным способом.

Ультразвук позволяет не только приготовлять лекарственные препараты с более высокими лечебными свойствами, но и открывает новые пути введения их в организм больного. С помощью ультразвука можно вводить различные вещества через кожу человека. Ультразвук как бы проталкивает вещество через поры кожи, не повреждая ее. Это свойство ультразвука может иметь большое значение в медицине.

Молекулы некоторых лекарственных препаратов очень непрочны. Если такое лекарство принять так же, как мы принимаем обычные лекарства, то, попав в желудок, оно под действием желудочного сока может измениться и потерять свои лечебные свойства. Для того чтобы этого избежать, было предложено измельчать с помощью ультразвука подобный препарат до капелек столь малого размера, что они, смешиваясь с воздухом, образуют туман. Больной вдыхает полученный туман, и лекарственный препарат вместе с воздухом попадает в легкие. Этот способ введения лекарств может иметь особенно большое значение при лечении легочных заболеваний.

Несомненно, что применение ультразвуков для приготовления новых лекарственных препаратов будет непрерывно расширяться, способствуя благородной борьбе за спасение человеческой жизни.

Ультразвуковое измельчение представляет несомненный интерес для многих областей техники, например для производства фотопластинок и фотопленки. Светочувствительный слой фотопластинки представляет собой желатин, в котором вкраплены мельчайшие частицы бромистого серебра. Под действием света частицы бромистого серебра разлагаются, благодаря чему и возникает фотографическое изображение.

Качество фотопластинок зависит от того, насколько тонко измельчено бромистое серебро. Чем мельче зерна фотографической эмульсии, тем большее увеличение допускает фотография. На рис. 35 изображены микрофотографии суспензий бромистого серебра: а — полученных обычным способом и б — с помощью ультразвукового измельчения. Суспензия, полученная с помощью ультразвука, отличается мелкозернистостью и очень высокой однородностью. Применяя ультразвуковое измельчение, удалось получить высокочувствительные пластинки, обладающие замечательными фотографическими качествами.

Ультразвук с успехом применяли для измельчения многих органических красителей. Такие суспензии длительное время сохраняют свои красящие (колористические) свойства. При изготовлении подобных суспензий в них добавляют еще специальные вещества, так называемые стабилизаторы, которые должны предохранить суспензию от оседания. С помощью ультразвука иногда удается получить устойчивую суспензию и без добавки стабилизатора.

Ультразвуковое измельчение можно использовать в молочной промышленности. При приготовлении мороженого для измельчения жировых шариков и получения однородной массы, а иногда и при обработке молока применяют особую операцию, называемую гомогенизацией. Обычно гомогенизацию проводят под давлением 200–250 атмосфер. Для той же цели с успехом использовали звуковые колебания.

Прибор, предназначенный для гомогенизации молока с помощью звуковых колебаний, изображен на рис. 36.

Ультразвуковое измельчение с успехом применяют при приготовлении маргарина, крема для чистки обуви, эмульсии трескового жира, соусов-майонезов и некоторых других эмульсионных препаратов.

Низкокачественное жидкое топливо для двигателей в некоторых случаях можно значительно улучшить, раздробив в нем в виде мельчайших капелек небольшое количество воды. Для получения подобных эмульсий было предложено использовать ультразвук. Эмульсии топлива можно применять в доменном производстве, а также при изготовлении стали.

С помощью ультразвука можно диспергировать в топливе водные растворы самых различных веществ. Это позволяет исследовать влияние различных добавок на процесс горения топлива, дает возможность изменять его свойства.

В последние годы предложено новое использование дробящей способности ультразвуков. Ультразвуки применили для отделения приставших к ткани посторонних частиц, или, попросту говоря, для стирки.

Успех ультразвуковой стирки привел к появлению нескольких систем звуковых стиральных машин. Как оказалось, в этих машинах можно успешно использовать самые обычные, слышимые звуки. Одна из распространенных звуковых стиральных машин (рис. 37) состоит из металлического цилиндра, который можно укрепить на стенке бака или ведра с мыльной водой, в которую погружено грязное белье. Внутри цилиндра помещается мощный электромагнит, заставляющий вибрировать стержень, на конце которого укреплена погружаемая в воду с грязным бельем мембрана в форме двояковыпуклой линзы. Стержень совершает в секунду 100 колебаний. Двигаясь вперед и назад, мембрана вызывает интенсивные колебания мыльной воды. Одновременно машина направляет в воду мощную струю воздуха, не дающую отделенным от ткани частичкам грязи вновь пристать к ней. Машина потребляет очень немного энергии: примерно столько же, сколько расходуется при горении 50-свечовой электрической лампочки. Стирка заканчивается в короткий срок, и при этом ткань подвергается по сравнению с другими типами стиральных машин наименьшему механическому воздействию.

С практической точки зрения большой интерес представляет метод ультразвуковой мойки шерсти. Обычно шерсть сильно загрязнена жиром и другими органическими веществами. Для удаления жира шерсть приходится мыть в мыльном растворе, содержащем большое количество щелочи. Технологические свойства волокна при этом ухудшаются. Используя ультразвуковые колебания, мойку можно производить в почти нейтральном растворе и тем самым сохранить качество волокна. Образующаяся при озвучивании перекись водорода действует как отбеливающее вещество, и внешний вид шерсти улучшается. Чрезвычайно важно и то, что при ультразвуковой мойке уничтожаются различные микроорганизмы, в том числе спороносные бактерии, которые всегда присутствуют в немытой шерсти. Озвучиванием достигается и обеззараживание грязной воды, образующейся при мойке. Кроме того, при ультразвуковой мойке сокращается расход мыла и щелочи.

Способность ультразвуков измельчать твердые тела используется в аппаратах, предназначенных для удаления накипи в паровых котлах. Для этой цели в котле укрепляется специальный излучатель, посылающий интенсивную ультразвуковую волну на ту часть поверхности котла, где преимущественно образуется накипь. Под действием мощных колебаний накипь отрывается, и поверхность котла очищается.

В последние годы большое значение приобрела ультразвуковая чистка поверхности различных миниатюрных изделий. Ею с успехом пользуются для удаления загрязнений с металлических частей радиоламп, часовых подшипников, небольших шестерен, сложных передач и т. п. В некоторых случаях применение ультразвука позволяет сократить время, необходимое для этой операции, в десятки раз. В качестве примера можно указать на очистку миниатюрных стеклянных трубочек длиною около 2 сантиметров, имеющих отверстие, диаметр которого составляет всего 0,07 миллиметра. Очистка таких трубочек, являющихся ответственной деталью некоторых радиотехнических приборов, и особенно их внутренней поверхности обычными способами представляет большие трудности и требует много времени. При использовании ультразвука для обработки 1000 таких трубочек требуется всего 8 минут.

В настоящее время сконструированы аппараты, в которых ультразвуковая очистка производится конвейерным способом. В этих аппаратах обрабатываемые детали первоначально очищаются обычными способами — жидкими и парообразными растворителями, и лишь окончательная очистка производится с помощью ультразвука. Однако ультразвуковая чистка стоит относительно дорого, и ею надо пользоваться, только если требуется исключительно высокая степень чистоты, или же тогда, когда другие способы очистки почему-либо непригодны.

Недавно ультразвуковые колебания использовали для удаления окалины с поверхности металлических предметов, а также ржавчины с различных деталей, изготовленных из железа. Удалять окалину труднее, чем ржавчину. Для очистки от ржавчины обрабатываемая деталь погружается в воду, а вибрирующий магнитострикционный излучатель приводится в непосредственный контакт с нею. Под действием интенсивных колебаний ржавчина быстро измельчается и удаляется с очищаемой поверхности.

Замечательным при этом является то, что, как показали наблюдения, после подобной обработки ультразвуком железные предметы приобретают стойкость по отношению к процессу ржавления. Они могут находиться длительное время во влажном воздухе или воде и даже воде, содержащей растворенные соли. При этом на поверхности их не возникнет ржавчина. Технологи говорят, что железо под действием ультразвука пассивируется.

Причина пассивирования пока не ясна, однако многочисленные опыты не дают возможности сомневаться в том, что в некоторых случаях такое явление существует.

Дробящее действие ультразвука может быть применено также и для изготовления специальных паяльников, имеющих важное значение в промышленности.

Использование алюминия и его сплавов связано с тем неудобством, что к алюминиевым деталям нельзя ничего припаять обычным способом. Сколько бы мы ни старались зачистить место для спая механически или же при помощи химических очистителей, все же олово, которым производят пайку, не сцепляется с поверхностью металла, и спай оказывается непрочным. Объясняется это тем, что алюминий очень быстро окисляется и образующаяся тонкая пленка окисла препятствует проникновению олова к поверхности металла. Правда, алюминиевые предметы можно припаивать с помощью специальных припоев, но пользоваться ими более сложно, чем обычным оловом.

Пайку алюминиевых предметов можно осуществить обычным способом, если в момент пайки подвергнуть спай действию мощных ультразвуковых колебаний. Ультразвуковые колебания отрывают пленку окисла от поверхности, и олово прочно сцепляется с алюминием. Для разрушения пленки удобно пользоваться колебаниями, частота которых близка к частоте слышимых звуков.

В ультразвуковом паяльнике (рис. 38) стержень 1, которым осуществляется пайка, вместе с обогревателем 2 приварен к магнитострикционному вибратору 4. Вибратор помещается внутри катушки 5 из изолированной проволоки, по которой проходит переменный ток высокой частоты. Высокочастотные колебания магнитострикционного стержня передаются рабочей части паяльника, а через нее — припою. Эти-то ультразвуковые колебания и разрушают пленку окисла. Специальные «крылья» 3 предназначены для охлаждения нерабочей части паяльника, которая в результате магнитострикционных колебаний сильно нагревается.

Пайку небольших предметов из алюминия можно производить с помощью ультразвукового паяльника без подогрева. Большие предметы приходится подогревать, так как в результате высокой теплопроводности алюминия они быстро остывают и с помощью паяльника их прогреть трудно. Если поверхностная пленка непрочна, как это бывает, например, у железа, то пайку можно производить без предварительной зачистки. Ржавые железные предметы припаиваются таким способом вполне надежно.

Отрывая с помощью ультразвука пленку окисла, можно осуществить лужение алюминиевых листов или различных деталей.

С. Я. Соколов одним из первых занялся изучением действия мощных ультразвуковых колебаний на затвердевающий расплав. Как оказалось, под действием ультразвука кристаллическая структура слитка делается чрезвычайно однородной, состоящей из очень мелких кристалликов. На рис. 39 изображены микрофотографии шлифа кадмия: слева — затвердевшего в обычных условиях и справа — тогда, когда кристаллизация шла при облучении ультразвуком. Фотография наглядно показывает, что при озвучивании образуется гораздо более мелкокристаллическая и однородная структура.

Очень важно также, что при озвучивании время кристаллизации значительно сокращается, в некоторых случаях на 35 процентов.

Дробящее действие мощных ультразвуковых колебаний было использовано для устройства своеобразного «ультразвукового долота». В этом приборе к концу магнитострикционного вибратора, снабженного металлическим конусом, присоединен наконечник из специального сплава. Подавая к наконечнику суспензию очень твердого вещества, например карбида бора, можно пробивать отверстия нужной формы и обрабатывать поверхность даже керамических изделий, с трудом поддающихся обработке другими способами. Ультразвуковое долото уже вышло из стен физических лабораторий и с успехом применяется на производстве. Особенно большие услуги оказывает ультразвук при обработке очень твердых материалов, таких как драгоценные камни и некоторые минералы. Сделав соответствующий вибрирующий наконечник, можно приготовлять формы для штампов, отличающиеся высоким качеством обработки поверхности.

Вдоль тонкой проволоки ультразвуковые колебания распространяются, следуя ее направлению, даже если проволока согнута. Это свойство колебаний позволяет использовать ультразвуковое долото для проделывания отверстий с причудливо изогнутой осью. До сих пор этого нельзя было достигнуть никаким инструментом.

На рис. 40 изображена специальная ультразвуковая бормашина, которая является ценным помощником в руках зубного врача. С помощью такой бормашины, так называемого «кавитрона», врач может быстро сделать в зубе очень тоненький канал, ограниченный только той частью вещества зуба, которую необходимо удалить. При ультразвуковой обработке зуба значительно уменьшаются те неприятные ощущения, с которыми часто связано пломбирование зубов.

Если заменить сверло тонким лезвием, то с помощью ультразвука можно резать стекло, керамику и другие твердые материалы. Ультразвук позволяет проделывать отверстия практически любого профиля, что невозможно сделать при помощи обычного сверла. Скорость, с которой сверлится стекло или керамика, очень высока — около 2 сантиметров в минуту при диаметре отверстия приблизительно 5 миллиметров. Конечно, эти цифры могут значительно колебаться в зависимости от амплитуды и частоты колебаний ультразвука.

Если заменить наконечник ультразвукового долота плоской пластинкой, то его можно использовать для шлифовки поверхности стекол, после которой для окончания обработки остается только отполировать стекло. Так как при ультразвуковой долбежке, резании и шлифовке непосредственное воздействие на обрабатываемое вещество оказывают очень мелко измельченные частицы твердого минерала, или, как говорят, абразива, то обработанная поверхность поражает своей чистотой. Неровности ее составляют всего около сотой доли миллиметра.

Ультразвуковая обработка твердых тел, несомненно, найдет себе еще много новых различных применений. Так, например, предварительные опыты показали, что высокочастотные звуковые колебания могут быть успешно использованы для улучшения процесса полировки металлических деталей. Полируемая деталь помещалась на вибратор, совершавший до 18 тысяч колебаний в секунду. При этом значительно уменьшился подъем температуры, неизбежный при полировке, и резко повысилось качество обработки поверхности.

Возможно, что и в обычных полировальных машинах значительную роль играют неизбежные при их работе вибрации. Искусственное увеличение интенсивности вибраций, по-видимому, улучшает качество полировки.

На практике иногда приходится сталкиваться с необходимостью отыскать материал, отличающийся повышенной механической прочностью. Решить эту важную задачу помогает прибор, схематически изображенный на рис. 41.

К концу вибратора 1, совершающего мощные ультразвуковые колебания, присоединяется короткая стальная проволочка 2. Исследуемый образец 3 помещают на подвижную скамеечку 4, которая может вращаться около горизонтальной оси. Изменяя груз 5, можно слабее или сильнее прижимать образец к проволочке.

При работе вибратора проволочка движется вперед и назад, перетирая образец. Если вибратор колеблется с частотою 50 тысяч колебаний в секунду, то образец за одну минуту подвергается действию трех миллионов перетирающих движений проволочки. С помощью такого прибора можно быстро исследовать механические свойства различных материалов и определить, который из них удовлетворяет требуемым условиям.

Как мы уже убедились, ультразвуки могут вызывать прямо противоположные эффекты; так, если в одних опытах они окисляют вещество, то в других восстанавливают, иногда ускоряют реакцию полимеризации, иногда вызывают деполимеризацию вещества и т. д. Поэтому не приходится удивляться и тому, что наряду с дробящим действием они могут ускорять противоположный процесс — процесс слипания мелких частиц, в результате которого возникают частицы более крупные.

Фабричный дым, как известно, состоит из мельчайших частичек твердого и жидкого вещества, перемешанных с воздухом. Под действием звука дым быстро оседает. Так же ведет себя и туман, состоящий из мельчайших капелек, взвешенных в воздухе. Отдельные частички при соударении слипаются вместе и, образуя более тяжелые частицы, опускаются вниз. Такое укрупнение частиц называют коагуляцией.

Способность ультразвуков вызывать коагуляцию весьма велика: густой белый дым окиси магния осаждается при озвучивании почти мгновенно. На рис. 42 приведены фотографии изменений, которые происходят с табачным дымом при озвучивании. Рисунок а изображает дым до пропускания ультразвука, б — в начале озвучивания. На рисунке в заметно возникновение крупных частиц, на рисунках г и д мы видим причудливые движения этих укрупненных частиц. Наконец на последнем рисунке е видны уже отдельные крупные капельки, которые быстро упадут вниз, как только прекратится озвучивание.

Что же такое ультразвуковая коагуляция?

Как доказали советские ученые С. В. Горбачев и А. Б. Северный, при распространении звуковой волны между частичками дыма или тумана возникают силы притяжения.

Для того чтобы лучше понять природу этих сил, вспомним опыт, часто демонстрируемый в школах на уроках физики. Если на ниточках повесить на некотором расстоянии друг от друга два легких шарика из пластмассы, а затем дунуть между ними, шарики сблизятся и ударятся друг о друга. Подобное явление наблюдается и в том случае, если воздух будет неподвижен, а двигаться будут шарики. Сходные силы, возникающие в звуковой волне, и заставляют частицы дыма двигаться по направлению друг к другу, сталкиваться и, слипаясь, образовывать более крупные скопления частиц, или, как говорят, агрегаты.

Кроме того, более крупные частички дыма или тумана в силу большей массы отстают в своих движениях от более мелких, и в результате возрастает число соударений, ведущих к образованию крупных частиц.

Звуковая коагуляция уже используется в технике. Ультразвук применяют для улавливания мельчайших частичек сажи, в сернокислотной промышленности для осаждения тумана серной кислоты и т. п.

С помощью звуковых колебаний можно очищать от дыма, выходящего из фабричных труб, воздух городов и заводских поселков. Этот способ, несомненно, найдет широкое применение, так как с его помощью можно улавливать частицы, свободно проходящие через обычные очистительные фильтры.

Борьба с пылью и мельчайшими капельками различных химических соединений, попадающими в воздух из заводских труб, имеет огромное значение. Пыль приносит большой вред и окружающему населению, и животным, и растениям.

В промышленных установках для осаждения мелких частиц пользуются мощными звуковыми колебаниями, получаемыми при помощи специальных сирен.

Мощная ультразвуковая сирена состоит из двух дисков: неподвижного — статора и быстро вращающегося — ротора.

Подвижный диск снабжен зубцами, которые приходятся против отверстий в неподвижном диске. При вращении ротора против отверстий в неподвижном диске оказываются попеременно то зубцы, то промежутки между ними. Если подвести, как это показано на рис. 43, к зубцам ротора сжатый воздух, то из отверстий статора вырвется прерывистая струя воздуха, которую рассекают зубцы вращающегося ротора. В воздухе, окружающем сирену, образуются чередующиеся сжатия и разрежения, то есть возникнет звуковая волна. Ультразвуковая сирена с диском, имеющим 110 зубцов, совершая 250 оборотов в секунду, создает волну с частотою, равной приблизительно 27 тысячам колебаний в секунду.

С помощью сирен можно получить чрезвычайно интенсивные звуковые и ультразвуковые колебания мощностью в несколько киловатт. Эта мощность настолько велика, что расположенный на пути звуковой волны кусок ваты через несколько секунд вспыхивает в результате превращения в теплоту поглощенной акустической энергии.

Предназначенные для очистки воздуха звуковые и ультразвуковые волны, полученные с помощью сирены, собираются в виде узкого луча специальными рефлекторами, напоминающими зеркала прожекторов (рис. 44). Сирена устанавливается на вершине специальной башни, и звуковая волна направляется сверху вниз.

Схема установки для улавливания печной сажи изображена на рис. 45. Смесь, в результате сгорания которой получается сажа, из подогревателя 1 направляется в реакционную камеру 2. Образовавшаяся сажа, пройдя холодильник 3, попадает в звуковую колонну 4, на вершине которой и находится сирена.

Установлено, что увеличивать размеры частиц следует только до тех пор, пока скорость их оседания не достигнет приблизительно полусантиметра в секунду. Не имеет смысла добиваться дальнейшего увеличения частиц потому, что крупные агрегаты в звуковой волне будут вновь измельчаться.

Воздух с укрупненными частицами поступает в обычные пылеуловители (циклоны) 5, где и осаждается основное количество сажи.

Частота звука, при которой осаждение частиц происходит особенно эффективно, зависит от их размера, и ее следует находить опытным путем.

Звуковым осаждением выгодно пользоваться, если диаметр улавливаемых частиц меньше одной тысячной доли сантиметра, а содержание их не ниже 4–5 граммов на кубический метр.

Как сообщает американская печать, ультразвуковые сирены с успехом применили в технике для покрытия глазурью изделий из фарфора и керамики. Предполагают, что в этом случае действие сирен не ограничивается только распылением, играет роль также и то, что под влиянием ультразвуковых волн вещество нагревается.

Естественно, возникает вопрос: нельзя ли с помощью ультразвука ускорить осаждение твердых частиц, взвешенных в жидкости. Этот вопрос практически очень важен для многих производств, на которых приходится выжидать длительное время, пока полученный продукт, загрязненный примесью твердых частиц, осветлится настолько, что его можно будет направить потребителю. Кроме того, часто сточные воды заводов приходится первоначально направлять в отстойники, в которых оседают вредные примеси, находящиеся в воде в виде твердых частиц, и лишь после этого спускать воду в реку. Если осаждение частиц ускорится, то размеры необходимых для производства отстойников уменьшатся, сократится и время, в течение которого уже готовый продукт сохраняется на заводе для осветления. Как можно было ожидать, ультразвуковые и звуковые колебания действительно ускоряют осаждение твердых частиц. Практическое использование этого способа тормозится в основном отсутствием ясности в вопросе о том, какие частоты и мощности звуковых колебаний необходимы для успешного осаждения частиц и какой будет экономический эффект от применения ультразвука.

Частично об использовании ультразвуков при обработке металлов и об их влиянии на свойства металлов уже рассказано. Однако область применения ультразвуков непрерывно расширяется, и наш рассказ будет неполным, если не упомянуть хотя бы кратко о тех воздействиях ультразвука на металл, которые, возможно, в недалеком будущем найдут себе практическое применение.

Звуковые колебания помогают освободить расплавленный металл от обычно присутствующего в нем воздуха. На рис. 46 показаны разрезы двух образцов сплава магния с алюминием. Левый слиток затвердел в обычных условиях, а правый — при озвучивании. Хорошо видны большие воздушные пузыри, возникшие в неозвученном слитке. Образец, который до затвердевания озвучивался в течение часа, отличается большей однородностью и отсутствием воздушных пузырей. Естественно, что механические свойства такого слитка гораздо выше, чем того, в котором имеются воздушные пузырьки.

Технологи заметили, что если в расплавленный металл добавить сравнительно небольшое количество мелко раздробленных частиц другого металла, например свинца в алюминий, и дать затвердеть образовавшейся металлической эмульсии, то получается сплав с ценными технологическими свойствами. Подобную металлическую эмульсию можно получить или химическим способом, или при помощи ультразвукового дробления. На рис. 47 изображены разрезы двух образцов алюминия, в которые вкраплены мельчайшие зернышки свинца. Левый образец получен химическим способом, правый — при помощи ультразвукового дробления. Ясно видно, что с помощью ультразвука достигается гораздо более мелкое дробление свинца и более равномерное распределение его в алюминии. Иногда с помощью ультразвука достигается столь мелкое дробление свинца, что даже повторное плавление не вызывает разделения металлов.

В некоторых случаях озвучивание значительно ускоряет важные для металлургии процессы, дает возможность осуществить их при более низких температурах.

При медленном охлаждении предварительно нагретых образцов стали происходит изменение кристаллической структуры металла. В определенных условиях озвучивание нагретого, но твердого образца стали вызывает уменьшение среднего размера микрокристалликов и улучшение механических свойств металла. В других условиях, наоборот, наблюдается рост более крупных кристаллов. Выяснение природы действия ультразвука на процессы, происходящие в металлах, будет способствовать более широкому использованию его в металлургической промышленности для получения высококачественных металлов и сплавов и интенсификации металлургических процессов.,

Ультразвуки обладают способностью ускорять, или, как говорят, интенсифицировать, многие важные для промышленности операции. На химических заводах сплошь и рядом приходится извлекать ценные вещества, растворенные в какой-либо жидкости. Иногда для этого жидкость смешивают с другой жидкостью, которая в ней не растворяется, но в которой растворяется извлекаемое вещество. Такой процесс называют экстракцией, он осуществляется в экстракционных колоннах, снабженных специальной насадкой или наполненных фарфоровыми кольцами.

Более легкую жидкость подводят к колонне снизу, более тяжелую — сверху. Проходя внутри колонны навстречу друг другу, жидкости хорошо перемешиваются, и растворенное вещество переходит из одной жидкости в другую. Чем труднее экстрагируется вещество, тем дольше должны жидкости находиться в соприкосновении друг с другом и тем выше должна быть колонна. Оказалось, что если заставить колонну совершать колебания, скорость экстракции значительно возрастет. Колебания колонны и наполняющей ее жидкости настолько ускоряют экстракцию, что высота колонны, необходимая для практически полного извлечения вещества, сокращается почти в три раза.

Еще эффективнее действуют ультразвуки в тех случаях, когда приходится извлекать ценные вещества, содержащиеся в клетках организмов животных и растений. С их помощью удается увеличить извлечение ценных белковых веществ из клеток дрожжей, ускорить выделение активных ферментов. Это свойство ультразвуков уже нашло себе практическое применение в пивоварении. Озвучивание горячей смеси, в которую добавлен хмель, позволяет, как утверждают работники предприятий, производящих пиво, сэкономить до 40 процентов хмеля в результате более полного извлечения из него ценных для пивоварения веществ.

Большие возможности для использования ускоряющего действия ультразвуков открываются в кожевенной промышленности. Прежде чем превратиться в красивые туфли или ботинки, шкура животного должна пройти сложную обработку: ее моют водой и щелочами, с нее удаляются волосы, кожу дубят, окрашивают и т. д. Как правило, большинство этих процессов протекает очень медленно. Ультразвуки могут их ускорять во много раз. Так, например, опытное дубление образца кожи, которое производилось при одновременном действии ультразвука, потребовало всего 18 часов, в то время как на контрольном образце, который не озвучивался, процесс закончился только через 114 часов. Озвучивание обеспечивает равномерную обработку всего образца. Можно предполагать, что ультразвуковые колебания будут ускорять и другие процессы кожевенного производства.

Опыты показали, что ультразвуковые и звуковые колебания ускоряют окраску различных тканей и поэтому могут использоваться для интенсификации процессов крашения. В некоторых случаях можно с равным успехом пользоваться как ультразвуковыми, так и звуковыми колебаниями, а в некоторых случаях, в частности при крашении трудноокрашиваемых тканей, только ультразвуковыми. Применение звуковых колебаний для ускорения крашения в больших промышленных масштабах пока затрудняется отсутствием соответствующих аппаратов и необходимостью выяснить некоторые технические и экономические вопросы.

Чем объясняется ускоряющее действие ультразвука, точно еще не выяснено. Вероятно, оно связано с изменениями в том слое, где соприкасаются две жидкости или жидкость и твердое тело. Эти же изменения, возможно, являются причиной увеличения скорости отдачи тепла нагретым телом окружающему его воздуху, если воздух заставить совершать звуковые колебания. Как показывают опыты, скорость отдачи тепла, при прочих равных условиях, увеличивается в несколько раз при обдувке нагретого тела воздухом, совершающим звуковые колебания. Правда, при ускорении теплоотдачи, возможно, играют значительную роль также те течения воздуха, которые возникают в нем при распространении интенсивных звуковых колебаний. Отдача тепла повышается и в том случае, если заставить колебаться само нагретое тело. Как предполагают, при этом прилегающий к телу нагретый слой растягивается, его граница как бы увеличивается. В зарубежной литературе есть сведения, что способность звуковых колебаний увеличивать теплоотдачу уже находит себе практическое применение.

В последние годы в различных областях техники большое значение приобрел особый процесс, с помощью которого измельченные твердые тела удается заставить течь по трубам так, как если бы они были жидкостью, скажем, нефтью или керосином. Этот процесс назвали флюидизацией, от латинского слова «флюид», что означает «истечение».

Флюидизация важна не только потому, что она облегчает транспортировку самых различных материалов, начиная от твердого топлива и кончая хлебным зерном, но и потому, что благодаря ей удается осуществить многие ценные химические превращения. Особенно велико ее значение при переработке нефти с целью получения бензина. В одном из подобных процессов необходимые для реакции вещества, так называемые катализаторы, находятся во флюидном состоянии.

С успехом используется флюидизация и в других отраслях химической промышленности: при газификации угля, обжиге руд, приготовлении некоторых ценных химических продуктов… Для того чтобы флюидизировать какой-либо материал, его измельчают, насыпают не очень толстым слоем на специальную решетку и затем создают мощный поток воздуха или какого-либо другого газа, который заставляет частицы твердого вещества как бы парить в воздухе. Толщина слоя твердого материала («подушки») при этом увеличивается, твердое вещество занимает больший объем, и вся масса материала приобретает способность течь вместе с потоком воздуха, наподобие жидкости.

Однако не всегда легко флюидизировать материал. Иногда вместо флюидизации весь слой материала на решетке первоначально поднимается под давлением воздуха вверх, подобно поршню, затем разламывается и падает кусками вниз на решетку. При этом не возникает равномерного слоя материала, который существовал до того. В «подушке» образуются каналы, свободно пропускающие воздушный поток, в то время как вся масса материала неподвижно лежит на решетке. Как показал опыт, и в этом случае можно добиться флюидизации, если пропустить через слой материала интенсивные звуковые колебания. Конечно, при этом не следует пользоваться быстро затухающими в воздухе ультразвуками. Вполне удовлетворительные результаты можно получить с помощью достаточно интенсивных звуков низкой частоты, скажем, с частотой от 50 до 500 колебаний в секунду.

При озвучивании удается флюидизировать даже такие материалы, как мелко измельченный гипс, частицы которого при обычных условиях невозможно заставить парить. Под действием звуковых колебаний ранее плотный слой гипса за несколько секунд расширяется и приобретает способность течь.

Можно быть уверенным, что ультразвуковое осаждение и улавливание мелко раздробленных частиц, так же как ультразвуковая обработка твердых материалов, облегчение флюидизации и интенсификация химических процессов, найдут широкое применение в различных отраслях техники.