Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №2

Получите кавитационное облачко в кювете, заполненной глицерином. Выключите в комнате свет и, подождав несколько минут, чтобы глаза привыкли к темноте, посмотрите в направлении торца вибратора. Вы заметите небольшую светящуюся область синеватого оттенка. Из опыта следует, что некоторые жидкости люминесцируют под действием ультразвука. Обнаруженное вами явление так и называется: сонолюминесценция. Теория этого интересного явления разработана еще далеко не полностью. Согласно одной из гипотез сжатие кавитационных пузырьков при захлопывании приводит к сильному нагреванию и свечению содержащегося в них газа. По другой гипотезе свечение газа в кавитационных пузырьках обусловлено электрическими разрядами. Свечение глицерина под действием ультразвука незначительно по яркости, поэтому вначале вам его будет трудно обнаружить. Чтобы облегчить наблюдения, на свету перед кюветой расположите лупу, через которую будет виден торец вибратора. Далее, получив ультразвук максимальной интенсивности, в полной темноте приблизьте глаз к лупе. Если вы увидите люминесценцию глицерина в виде синеватого свечения, лупу можно будет убрать. После этого увидеть свечение не составит труда, так как теперь вы будете знать, куда смотреть.

О введении ультразвука в жидкость. Ультразвуковой фонтан.

Продольная звуковая волна представляет собой периодически чередующиеся области сжатий и разрежений, которые распространяются в среде с постоянной скоростью. Следовательно, в каждой точке звукового поля существует переменное звуковое давление.

Вместе с тем звуковая волна оказывает и постоянное давление на встречающиеся на ее пути препятствия. Это давление звука называется радиационным.

Радиационное давление свойственно всем волнам вообще, независимо от их природы: и волны на поверхности жидкости, и звук, и свет «давят» на препятствия.

Радиационное давление ультразвука ответственно еще за один акустический эффект: ультразвуковой фонтан на границе раздела двух жидкостей или жидкости и газа.

На рисунке Рис. 1 представлен возможный вариант установки, обеспечивающей введение ультразвука в жидкость.

_{1 — Пластмассовая чашечка с просверленным отверстием в донышке. 2 — Торец вибратора. 3 — Резиновый клей или пластилин. 4 — Стеклянная или пластмассовая трубочка. 5 — Резиновая прокладка. 6 — Каркас обмотки возбуждения.}

В чашечку налейте воду так, чтобы вибратор был закрыт слоем воды толщиной 4–8 мм. Включите генератор и настройте его в резонанс с вибратором: поверхность воды должна вспучиться, одновременно Вы услышите характерный кавитационный шум. Чем тоньше слой жидкости над вибратором, тем сильнее вспучивается поверхность воды, даже могут быть небольшие брызги, на рисунке (Рис. 2) Вы можете посмотреть, как (приблизительно) это будет выглядеть.

Чтобы получить фонтан до 15 см высотой надо очень точно настроить уровень жидкости в чашечке. Удобно здесь пользоваться обычным медицинским шприцем. Уровень жидкости должен быть чуть-чуть ниже, чем торец вибратора.

Сначала следует налить воду на одном уровне с вибратором. Включите генератор, настройте в резонанс. Если фонтана не образовалось, а вода просто затекла на торец вибратора, выключите вибратор и заберите из чашечки шприцем немного воды. Повторите операцию.

Когда Вы подберете оптимальный уровень воды, при настройке в резонанс вода начнет интенсивно распыляться. Это очень красивое и интересное явление.

Получив ультразвуковой фонтан один раз, второй раз Вам, несомненно, будет его легче получить, т. к.

Вы уже будете знать, что следует увидеть, какие условия эксперимента необходимы для его наблюдения.

Вы наверняка заметите, что фонтан, появившись, довольно быстро ослабевает, это связано с расходом воды на аэрозоль. В принципе, организовав медленную подачу воды на торец вибратора, тоже можно получить ультразвуковой фонтан.

ПРАКТИКА

Стирка ультразвуком

М. Шустов

Внедрение передовых энергосберегающих технологий выдвинуло на передовые рубежи прогресса новое устройство бытового назначения — ультразвуковое стирающее устройство.

Стирка ультразвуком происходит за счет периодического формирования в объеме жидкости волн сжатия-разрежения, возникающих в практически несжимаемой среде — воде. Белье, помещенное в такую жидкость, подвергается интенсивному гидроакустическому воздействию. Гидроакустические волны инициируют появление микроскопических пузырьков газа, которые способствуют отделению микрочастиц грязи из объема стираемого белья. При образовании и последующем схлопывании (разрушении) пузырьков газа образуется озон, стерилизующий белье. В ряде случаев, при большой энергии ультразвуковых колебаний, может наблюдаться сонолюминесценция — свечение жидкости, особенно заметное в затемненном помещении.

Преимуществом стирки с использованием ультразвуковых колебаний является то, что белье не деформируется, не истирается и не рвется. Можно стирать даже шерстяные изделия и тонкое белье. Помимо стирки и дезинфекции белья, можно обрабатывать овощи и фрукты, предназначенные для консервации, обеззараживать воду.

Появившиеся на рынке ультразвуковые стирающие устройства (УЗСУ) типа "Бионика" [1] представляют собой компактный электрический прибор массой 200 г. "Бионика" состоит из сетевого адаптера — источника питания и собственно УЗСУ. Само устройство в целях сохранения "ноу-хау" залито компаундом, и описание его принципиальной схемы и значимых для воспроизведения характеристик не приводится. Однако, имея полученные путем замеров и анализа режимов устройства вторичные характеристики, можно представить одну из возможных схем УЗСУ в следующем виде (рис. 1).

УЗСУ состоит из источника питания (микросхема DA1), двух взаимосвязанных генераторов, работающих на частотах 10 кГц и 1 МГц (микросхема DD1), выходного каскада на транзисторе VT1 и активатора-излучателя, подключаемого к точкам С и D устройства.

Источник питания в прототипе выполнен нерегулируемым, рассчитанным на максимальную мощность, потребляемую от сети — 3 Вт, что достаточно для стирки белья в объеме жидкости 10…25 литров. Более целесообразным представляется обеспечить УЗСУ плавной регулировкой выходной мощности. На рис. 1 в разрыв между точками А и В включен регулируемый источник стабилизированного постоянного тока (25…1000 мА). На рис. 2 показана схема регулируемого источника питания (5…13 В).

Генератор пакетов импульсов выполнен по традиционной схеме на микросхеме DD1 и особенностей не имеет. Номиналы RC-элементов высокочастотной части генератора могут быть откорректированы при настройке частоты в резонанс с частотой ультразвукового излучателя-активатора. Микросхема DA1 и транзистор VT1 должны быть установлены на теплоотводящих пластинах.

Наиболее проблематичным в практической реализации УЗСУ является выбор 1BCL1 ультразвукового излучателя-активатора и обеспечение его гидроизоляции при одновременном достижении максимальной отдачи энергии ультразвуковых колебаний в окружающую среду (жидкость). Обычно в качестве ультразвукового излучателя используют пьезокерамику — титанат бария, стронция, излучатели на ферритовых или пермаллоевых сердечниках, пьезокварцевые пластины (рис. 3) [2–4], что открывает широкое поле для эксперимента.

Одним из интересных вариантов получения ультразвуковых колебаний является просто пропускание импульсов электрического тока через воду с использованием системы близко расположенных электродов, подключенных к точкам А и В устройства. Периодическое прохождение импульсов тока между электродами вызовет акустическую электростимулированиую модуляцию раствора. В качестве электродов можно рекомендовать алюминий или графит. При стирке должна быть обеспечена надежная развязка от питающей сети. Емкость для стирки (ведро, таз) должны быть удалены от заземленных предметов и установлены на сухом полу.