Введение
Двадцать первый век - век био- и нанотехнологий, всеобщей информатизации, электроники и ультразвука.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.
Прошло чуть более ста лет с начала исследований в области применения ультразвуковых колебаний. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены великим русским ученым-физиком П. Н. Лебедевым в конце XIX, 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.
В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в промышленности и научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое направление химии – ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-технологические процессы и получить новые вещества. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазомерия, акустоэлектроника.
Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ. Разработаны универсальные и специальные ультразвуковые станки, установки, работающие под повышенным статическим давлением, ультразвуковые механизированные установки для очистки деталей, генераторы с повышенной частотой и новой системой охлаждения, преобразователи с равномерно распределенным полем. Созданы и внедрены в производство автоматические ультразвуковые установки, которые включаются в поточные линии, позволяющие значительно повысить производительность труда.
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.
Учебное пособие призвано предоставить читателю информацию о свойствах и возможностях ультразвуковых колебаний высокой интенсивности, особенностях применения ультразвуковых колебаний для интенсификации процессов, протекающих в жидких, твердых, газообразных средах, полимерных материалах, применительно к решению проблем химической, биотехнологической, пищевой промышленности и смежных отраслей промышленности.
В курсе лекций рассматриваются вопросы получения и распространения ультразвуковых колебаний в различных средах, изучаются теоретические основы процессов, ускоряемых под воздействием ультразвуковых колебаний, исследуются практические конструкции применяемых источников ультразвуковых колебаний и ультразвуковых аппаратов, анализируются их функциональные возможности для решения практических проблем различных производств.
Большинство разработок, исследований и представленных достижений основываются на работах, проведенных авторами в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института (филиала) Алтайского Государственного технического университета имени И.И. Ползунова.
Курс лекций предназначен для студентов, магистрантов, аспирантов, инженеров и технологов, разрабатывающих и эксплуатирующих современное ультразвуковое оборудование, а также специалистов, занимающихся разработкой и реализацией новых технологий.
Лекции будут полезны для всех желающих приобрести новые знания об интереснейших физических явлениях, связанных с получением и применением ультразвуковых колебаний.
Авторы выражают благодарность директору Бийского технологического института, д.т.н., профессору Леонову Геннадию Валентиновичу и декану химико - технологического факультета Бийского технологического института, к.х.н., профессору Севодину Валерию Павловичу за понимание необходимости подготовки специалистов, обладающих современными знаниями по ультразвуковым технологиям и включение в учебные планы специальностей факультета курсов, связанных с применением ультразвука.
Авторы благодарят всех сотрудников лаборатории акустических процессов и аппаратов, принимавших участие в подготовке учебного курса, изготовлении лабораторных стендов и проведении исследований, результаты которых использованы в качестве примеров, подтверждающих эффективность различных ультразвуковых технологий.
