VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование воздействия ультразвука на ледовые поверхности

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Богатый А.А. 1

---

1МБОУ "СОШ №266 ЗАТО Александровск"

Михедько О.Г. 1

---

1МБОУ "СОШ №266 ЗАТО Александровск"

Работа в формате PDF

2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Агрессивное действие льда на техногенных и природных объектах является серьезной проблемой во всем мире. Задачи борьбы с обледенением приборов и устройств актуальны для многих отраслей промышленности. Лёд в силу своих физических особенностей способствует разрушению оборудования и строительных конструкций, ухудшению их характеристик и качества и, в конечном счете, влияет на их долговечность и безопасность. Обмерзание ведет к катастрофам в авиации, ломает линии электропередач, препятствует работе газоперекачивающих станций и гидротехнических затворов. Падение с крыш зданий льда создает угрозу жизни горожанам.

Проблемам борьбы с обледенением посвящены работы советских и российских ученых - В.М.Козина и В.В.Богородского, руководителя гидроакустической лаборатории Арктического НИИ в Ленинграде. Среди всех возможных методов разрушения льда можно выделить механические, тепловые и акустические. Однако, на данный момент проблема устранения льда не решена и остается по-прежнему актуальной.

Цель нашей работы: создание ультразвукового устройства для разрушения льда на различных поверхностях. Объект исследования – ультразвуковые волны, предмет исследования – действие ультразвуковых волн на ледовые поверхности.

Задачи исследования:

1. Изучить научный опыт по способам и методам воздействия на ледовые поверхности.

2. Изучить физические основы ультразвука и модели ультразвуковых генераторов.

3. Разработать и собрать устройство для генерации ультразвуковых волн для воздействия на ледовую поверхность, провести испытания модели.

4. Обобщить результаты исследования

Результаты исследования могут заинтересовать изобретателей, быть использованы на уроках физики, во внеурочной деятельности, при проведении занятий по профориентации в физико-математических классах.

Глава 1. Ультразвук и методы его генерации

Ультразвук и его применение

Под ультразвуком понимают звуковые волны, частота которых лежит выше предела слышимости. Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды и характеризуется рядом отличительных особенностей по сравнению с колебаниями слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне частот сравнительно легко получить направленное излучение; ультразвуковые колебания хорошо поддаются фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний в определенных зонах воздействия. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает уникальные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и техники.

Ультразвуковые волны впервые получил в 1889 г. K. Кёниг с помощью вибрации миниатюрных сверхзвуковых камертонов. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены великим русским ученым-физиком П.Н.Лебедевым в конце XIX века, а за прошедшие сто лет развитием и применением ультразвуковых технологий занимались многие видные ученые в различных странах.

За это время в активе человечества появились десятки высокоэффективных, ресурсосберегающих и экологически безопасных ультразвуковых технологий. К их числу относятся технологии закалки, лужения и пайки металлов, предотвращения образования накипи на теплообменных поверхностях, сверления хрупких и особо твердых материалов, сушки термолабильных веществ, экстрагирования животного и растительного сырья, растворения, стерилизации жидких веществ, мелкодисперсного распыления лекарственных препаратов, тяжелых топлив, получения эмульсий и сверхтонких суспензий, диспергирования красителей, сварки металлов и полимеров, мойки, очистки деталей без применения горючих и токсичных растворителей.

Развитие и применение ультразвуковых технологий открывает в настоящее время новые перспективы в создании новых веществ и материалов, в придании известным материалам и средам новых свойств (стерильность, наноразмерность и т.п.) и поэтому требует понимания явлений и процессов, происходящих под действием ультразвука, возможностей новых технологий и перспектив их применения.

Обзор методов получения ультразвука

Получить ультразвуковые волны довольно просто. Нужно лишь заставить вибрировать частички вещества с соответствующей частотой. Рассмотрим основные методы, которые и легли в основу создания ультразвуковых генераторов.

Механический метод - акустические колебания возникают при механическом ударе по твердому телу или при его трении (свисток Гальтона). Принцип работы акустического свистка основан на возникновении акустических колебаний в турбулентном газовом потоке. Если в таком газовом потоке установить акустический резонатор, в нем будут усиливаться колебания, определяемые геометрией резонатора и параметрами газовой струи.

Пьезоэлектрический метод - акустические колебания возникают при воздействии на пьезоэлектрик переменного электрического поля. Принцип работы пьезоэлектрического излучателя ультразвука основан на использовании обратного пьезоэффекта, т.е. возникновении механических деформаций в некоторых кристаллах при воздействии на определенные грани кристалла внешнего электрического поля. Главным элементом пьезоизлучателя является твердотельная пластина, изготовленная из пьезоэлектрического материала (кварц, турмалин, кристалл сегнетовой соли, титанат бария, цирконат-титанат свинца). Пластина помещается между двумя электродами, на которые подается переменное электрическое напряжение ультразвуковой частоты. Возможны как продольные, так и поперечные колебания пластины.

Магнитострикционный метод - акустические колебания возникают при воздействии на ферромагнетик переменного магнитного поля (рис.1¹). Магнитострикционный эффект – изменение размеров (деформация) ферромагнетика при изменении окружающего магнитного поля. Впервые это явление было обнаружено Джеймсом Джоулем еще в 1847 году.

Если по катушке, внутри которой расположен ферромагнитный стержень, пропускать переменный ток высокой частоты, то стержень будет периодически изменять свои размеры, и его колеблющиеся концы смогут возбудить в окружающей среде упругую ультразвуковую волну. Частота колебаний стержня равна удвоенной частоте колебаний переменного тока, что часто приводит к разрыву стержня. Поэтому на переменное магнитное поле накладывают постоянное (подмагничивают стержень), и стержень изменяет свои размеры синфазно с изменением поля, т.е. частота колебаний будет равна частоте переменного тока.

Если поместить ферромагнитный стержень в переменное магнитное поле, геометрические размеры стержня будут изменяться, т.е. в окружающей стержень среде возникнут акустические волны.

Электростатический метод - акустические колебания возникают при воздействии на диэлектрик переменного электрического поля (рис.2). Принцип работы электростатического акустического генератора основан на взаимодействии электрически заряженных частиц. Если зарядить две параллельные металлические пластины разными зарядами, то пластины будут взаимно притягиваться. Если же подать на пластины переменное напряжение, пластины начнут совершать механические колебания, частота которых будет определяться частотой переменного напряжения.

Электродинамический метод - акустические колебания возникают при воздействии на электропроводную среду переменного магнитного поля (рис.3).

Если в проводе катушки протекает переменный ток, его магнитное поле наводит вихревые токи в электропроводящем стержне, заставляя его совершать механические колебания. Стержень соединен с мембраной, которая и создает в окружающей среде продольную акустическую волну, частота которой зависит от частоты переменного тока в катушке. Электродинамики применяют для генерации низкочастотного ультразвука, частота которого не превышает 100 кГц.

Глава 2. Разработка действующей модели ультразвукового устройства

2.1.Методы борьбы с обледенением судов

Причиной обледенения судна является замерзание воды, попавшей на борт, палубу и верхние сооружения во время холодной погоды, когда температура воздуха значительно ниже температуры воды.

Обледенение отрицательно влияет на остойчивость судна, уменьшает запас его плавучести, а также повреждает оснастку судна и, падая с мачт, представляет опасность для личного состава (рис.4²). При более или менее значительных размерах обледенение может придать судну недопустимую посадку, т. е. крен на какой-либо борт. Иногда обледенение приводит к гибели судна, особенно, если последнее небольших размеров. Поэтому борьба с обледенением и освобождение судна ото льдов (окалывание) являются необходимыми мероприятиями по спасению судна.

Ну, конечно же, самый распространённый способ бороться с обледенением это с помощью ручного инвентаря. В первую очередь надлежит освободить ото льда радиоантенны, ходовые огни, спасательные средства, такелаж, рангоут, двери надстроек и рубок, брашпиль, якорные клюзы. При работе на палубе, каждый из членов экипажа должен иметь предохранительный пояс со страховочным концом, надёжно пристёгнутый на судовых конструкциях. По возможности можно использовать пневморубильный инструмент, пар, горячую воду, воду под давлением.

Но с тех времён прошло много времени и теперь используют всё новые методы для борьбы с обледенением.

Вибрационно-резонансные механические системы. Впервые этот способ был применён в гражданской авиации на пассажирских самолётах ИЛ-62. Суть системы в том, что в расчетных точках несущих плоскостей и корпуса самолета устанавливались ударно-импульсные устройства, создающие механические колебания на частотах, близких к резонансным для этих поверхностей. Вибрация нарушает прочность сцепления металла корпуса и крыльев с наледью, остальное доделывает набегающий воздушный поток.

Индукционно-ударные системы. Эта идея возникла на базе индуктивно-реактивных двигателей. Но дальше экспериментов этот способ не пошёл.

Сверхвысокочастотный разогрев. В проводниках, находящихся под воздействием высокочастотных магнитных полей, возникают вихревые токи (токи Фуко). Вихревые токи разогревают металл корпуса, что обеспечивает подтаивание наледи и уменьшение сцепления наледи с корпусом. В свою очередь, это облегчает околку льда вручную, а в сочетании с вибрацией еще и позволяет механизировать процесс околки.

2.2.Описание схемы ультразвукового генератора

Для создания устройства нами была выбрана схема лампового ультразвукового генератора, т.к. при достаточно простой схеме он позволяет получить на выходе частоту ультразвука выше 50кГц. Принципиальная схема прибора и его фото изображены на рис.5а,б.

Магнитострикционный генератор - это двухтактный генератор с емкостной обратной связью, выполненный на двух электронных лампах типа 6П3С, включенных триодами. Частота генератора задается параметрами колебательного контура, состоящего из первичной обмотки L₁ трансформатора Тр₁ и конденсатора С₃. Настройка частоты генератора осуществляется изменением индуктивности катушки L₁ за счет перемещения в ней плоского ферритового сердечника.

Конденсаторы С₁ и С₂ обеспечивают положительную обратную связь в генераторе. Резисторы R1 и R2 являются сопротивлениями утечек в цепях сеток ламп.

Магнитострикционный излучатель (рис.6) изготовлен из катушки и ферритового стержня - вибратора, закрепленного с помощью резинового кольца внутри катушки. Магнитострикционный излучатель подключен к вторичной обмотке L₂ высокочастотного трансформатора. Конденсатор С₄ необходим для согласования выхода генератора с излучателем.

Генератор питается от сети переменного тока напряжением 220В. Генератор вырабатывает модулированные с частотой 50Гц колебания.

При подаче напряжения на генератор выдвижением сердечника добиваемся резонанса: лезвие, помещенное на конец вибратора, должно дребезжать.

2.3. Калибровка магнитострикционного излучателя. Расчет резонансных частот

Резонансную частоту ультразвуковых колебаний излучателя можно рассчитать, зная длину ферритового стержня. При резонансе в стержне устанавливается стоячая волна, при этом в длину стержня укладывается целое число полуволн, т. е. за время полного периода Т колебаний волна в феррите проходит расстояние L, равное удвоенной длине стержня l: L=2*l.

Зная скорость распространения звука в феррите V~5,32*10³ м/c и длину l, можно рассчитать все собственные частоты стержня при различных значениях его длины:

Расчетные значения частот представлены в Таблице 1.

Таблица 1. Расчетные значения излучаемых частот (для n=1)

Таким образом, для получения колебаний высокой частоты необходимо уменьшать длину вибратора.

2.4. Разрушение льда при движении колеблющегося стержня по его поверхности

Казалось бы, что самый простой способ для разрушения льда это помещение конца вибратора на его поверхность. Но значительного результата такие эксперименты не дали. Мы предположили, что при наличии в месте контакта воздушной прослойки энергия ультразвуковых колебаний очень сильно рассеивается. Оценку изменения давления в воздухе провели с помощью дифференциального датчика давления. Результаты измерений разности давления в ультразвуковой струе и атмосферного давления от расстояния от конца стержня представлены в Таблице 2.

Таблица 2. Изменение с расстояние избыточного (по сравнению с атмосферным) давления возле колеблющегося ферритового стержня

На рис.7 представлена осциллограмма ультразвукового сигнала, зафиксированная звуковым датчиком, расположенным на расстоянии 5мм над колеблющимся стержнем. Осциллограмма колебаний показала, что сигнал имеет четкую направленность вдоль оси симметрии стержня. На расстоянии 35 см амплитуда сигнала очень мала, а на расстоянии свыше 50см сигнал практически не фиксируется.

Однако, при контакте колеблющегося ферритового стержня с поверхностью льда, наблюдается повышение температуры и образование выплавленных во льду отверстий (рис.8).

Температура в месте контакта стержня со льдом была измерена с помощью лазерного термометра. Ее значение при плавлении льда оказалось 6,6°С. По мере плавления льда значение температуры повышалось, но значительные потери энергии колебаний в воздухе затрудняют использование устройства с непосредственным воздействием колеблющегося ферритового стержня на лед.

2.5. Разрушение льда при воздействии из-под воды

На следующем этапе исследования проведен эксперимент по разрушению льда при воздействии ультразвуком в месте соприкосновения воды и льда.

Известно, если жидкость подвергнуть растягивающим усилиям, то сплошнось ее нарушится – жидкость разорвется. Разрывы в жидкости представляют собой пузырьки, заполненные газом и паром. Их называют кавитационными (от латинского «cavitas» - «пустота», каверна или пустая замкнутая полость). Жидкость на практике кавитирует при сравнительно небольшом снижении давления. Кавитационные пузырьки возникают при достаточно быстром движении в воде твердых тел, при распространении в воде мощной звуковой или ультразвуковой волны и т.д. (рис.9). Попадая в область нормального давления, пузырьки схлопываются, а на их месте образуются новые. Если вблизи кавитационной зоны находится даже очень прочный материал, то со временем на его поверхности обнаруживаются следы разрушения – кавитационной эрозии.

Задача о схлопывании кавитационного пузырька была впервые решена Релеем в 1919 году. Теория Релея показала, что при схлопывании кавитационного пузырька развиваются громадные давления, в сотни раз превышающие атмосферное. Эти давления порождают в жидкости ударные волны. Если рядом с пузырьком находится поверхность твердого тела, то ударная волна способна ее деформировать. На рис.10 представлен результат воздействия ультразвука на поверхность фольги.

Мы предположили, что при воздействии ультразвука на лед через воду, потери энергии будут значительно меньше, чем при воздействии в воздухе. Осциллограмма сигнала, проходящего через лед при воздействии на него из воды, представлена на рис.11.

При проведении эксперимента мы использовали лед, полученный замораживанием водопроводной воды и рыхлый лед с большим количеством пор, полученный в морозильной камере холодильника. Второй вид льда ближе по своим качествам природному льду, образованному на поверхности водоемов.

В результате при проведении эксперимента убедились, что кавитационные пузырьки, образующиеся вокруг стержня, приводят к быстрому высвобождению воздуха и таянию рыхлого льда (рис.12).

Подводя итоги, отметим, что в экспериментальной части работы мы исследовали разрушение небольшого количества льда. Очевидно, что в реальных условиях необходимо использовать ультразвуковую установку в сочетании с механическим воздействием на ледовую поверхность.

Для разрушения льда на тонких контурах можно рассмотреть следующую схему: переносной ультразвуковой генератор с магнитострикционным вибратором на выходе состыковывают с металлическими ответвлениями контура, расположенного по периметру, и подают мощный ультразвуковой сигнал. Контур начинает работать как ультразвуковая антенна, разрушая лёд. Кристаллическая решетка льда не в состоянии «успеть» за сокращением и расширением, вызванными этой частотой, поэтому возникнет эффект резонанса. При электромеханическом ударе лед растрескивается и сбрасывается с контура (рис. 13).

Заключение

Задачи борьбы с обледенением приборов и устройств актуальны для многих отраслей промышленности. Лёд в силу своих физических особенностей способствует разрушению оборудования и строительных конструкций, ухудшению их характеристик и качества и, в конечном счете, влияет на их долговечность и безопасность. Обмерзание ведет к катастрофам в авиации, ломает линии электропередач, препятствует работе газоперекачивающих станций и гидротехнических затворов. Падение с крыш зданий льда создает угрозу жизни горожанам.

В работе поставлена и решена проблема создания ультразвукового устройства для разрушения льда на различных поверхностях. В результате исследования изучен и обобщен опыт российских и зарубежных ученых, исследованы физические свойства ультразвука.

Для создания устройства была отобрана модель магнитострикционного лампового генератора. Проведен ряд экспериментов по разрушению различных видов ледовых поверхностей.

Предполагаем, что в будущем необходимо сочетать использование ультразвукового генератора с дополнительным механическим воздействием.

Результаты исследования могут заинтересовать изобретателей, быть использованы на уроках физики, во внеурочной деятельности, при проведении занятий по профориентации в физико-математических классах.

Список литературы

Козин В. М. Резонансный метод разрушения ледяного покрова: автореф. дис. д-ра техн. наук: 01.02.04 / Козин Виктор Михайлович. – Владивосток: ИМиМ ДВО РАН, 1993. – 44 с.

Козин В. М., Жесткая В. Д., Погорелова А. В. [идр.]. Прикладные задачи динамики ледяного покрова // – М .: Академия естествознания, 2008. – 329 с.

Майер В.В. Простые опыты с ультразвуком//Серия «Библиотечка физико-математической школы».- М. - 1978г. - 160с.

Майер В.В. Кумулятивный эффект в простых опытах.-М.: Наука.Гл.ред.физ-мат.лит., 1989г.-192с.

Хмелев В.Н., Сливин А.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н., Шалунов А.В. Применение ультразвука высокой интенсивности в промышленности //; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. – 203c.

Шорина Н.С., Смогунов В.В. Проблема обледенения и краткий обзор современных методов борьбы с ним//КиберЛенинка: https://cyberleninka.ru/article/n/problema-obledeneniya-i-kratkiy-obzor-sovremennyh-metodov-borby-s-nim