электромагнитное поле ультразвуковыми волнами

Инфразвук. Ультразвук

Упругие волны с частотой менее 20 Гц называются инфразвуком. Инфразвуковые колебания таят в себе опасность: невидимые и неслышимые волны вызывают у человека чувство глубокой подавленности и необъяснимого страха. Особенно опасен инфразвук с частотой около 8 Гц из-за его возможного резонансного совпадения с ритмом биотоков.

Инфразвук вреден во всех случаях – слабый действует на внутреннее ухо и вызывает симптомы морской болезни, сильный заставляет внутренние органы вибрировать, вызывает их повреждение и даже остановку сердца. При колебаниях средней интенсивности 110–150 дБ наблюдаются внутренние расстройства органов пищеварения и мозга с самыми различными последствиями, обмороками, общей слабостью. Инфразвук средней силы может вызвать слепоту. Даже слабый инфразвук от городского транспорта входит в общий шумовой фон города и служит одной из причин нервной усталости жителей больших городов.

Упругие колебания с частотой более 20 кГц называют ультразвуком. Под влиянием ультразвуковых колебаний в тканях организма происходят сложные процессы. Колебания частиц ткани с большой частотой при небольшой интенсивности действуют как вибромассаж. Образование внутритканевого тепла в результате трения частиц между собой расширяет кровеносные сосуды и усиливает кровоток по ним; ускоряются биохимические реакции.

При распространении ультразвука в биологических средах происходит его поглощение и преобразование акустической энергии в тепловую энергию.

Повышение интенсивности ультразвука приводит к чрезмерному нагреву биологических структур и их повреждению. Он может разрывать молекулярные связи. Поражающее действие ультразвук оказывает при интенсивности выше 120 дБ.

При непосредственном контакте человека со средами, по которым распространяется ультразвук, возникает контактное его действие на организм человека.

При этом поражается периферическая нервная система и суставы в местах контакта, нарушается капиллярное кровообращение в кистях рук, снижается болевая чувствительность, могут возникнуть серьезные изменения в тканях – воспаление, кровоизлияние, некроз.

Электромагнитные поля (ЭМП)

В настоящее время человек живет в мире, в котором имеются различные поля – электрические, магнитные, электромагнитные, созданные им самим. Эти поля могут оказывать неблагоприятное воздействие на человека, как и на все живое на Земле.

Основными источниками электромагнитного излучения являются:

Экспериментальные данные свидетельствуют о высокой биологической активности ЭМП во всех частотных диапазонах.

При высоких уровнях облучающего ЭМП принято говорить о тепловом механизме воздействия. При низком уровне ЭМП современная теория признает нетепловой, или информационный, характер воздействия на организм. Механизмы действия ЭМП в этом случае еще мало изучены.

Наиболее чувствительные системы организма человека: нервная, иммунная, эндокринная и половая.

Длительное действие электрических полей может вызывать головную боль в височной и затылочной областях, ощущение вялости, расстройство сна, ухудшение памяти, депрессию, апатию, раздражительность, боли в области сердца.

Биологический эффект электромагнитных полей в условиях длительного многолетнего воздействия накапливается, в результате возможно развитие отдаленных последствий, включая дегенеративные процессы центральной нервной системы, рак крови (лейкозы), опухоли мозга, заболевания эндокринной системы.

Особо опасны электромагнитные поля могут быть для детей, беременных женщин, людей с заболеваниями центральной нервной системы, эндокринной системы, с сердечно-сосудистыми заболеваниями; при наличии аллергических состояний и для людей с ослабленным иммунитетом.

Лазер – устройство, генерирующее направленный пучок электромагнитного излучения оптического диапазона. Под действием лазерного излучения происходит быстрый нагрев, плавление и вскипание жидких сред, что особенно опасно для биологических тканей. Особенно уязвимы глаза и кожа. Повреждение кожи лазерным излучением имеет характер термического ожога с четкими границами. Возникают сердечно-сосудистые расстройства, расстройства ЦНС, изменения в составе крови и обмене веществ.

Источник

ЭЛЕКТР О ТЕХНОЛОГИЯ

электронный учебно-методический комплекс

Лекция 8


spacer

Природа ультразвука. По своей физической природе ультразвук (УЗ), так же как и слышимый звук, представляет собой упругие колебания и волны, т.е. чередующиеся во времени процессы механического сжатия и разрежения, распространяющиеся в твердой, жидкой и газообразной средах.

Основные параметры ультразвука. Частицы среды, в которой распространяется УЗ, периодически колеблются около положения равновесия. Приближенно можно считать, что колебания частиц совершаются во времени по синусоидальному закону с амплитудой смещения А.

Сгущения и разрежения, которые образуются в среде при прохождении в ней упругой волны, добавочно изменяют давление по отношению к среднему (статическому). Эта добавочная переменная часть давления называется звуковым давлением. Его амплитуда, Па:

При распространении ультразвуковой волны в среде происходит перенос энергии. Энергию волны, проходящую в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную распространению волны, называют интенсивностью ультразвука, Вт/м 2 :

im1, (8.3)

Основные эффекты ультразвука. Эффекты, которые может вызвать УЗ в среде, делятся на первичные и вторичные.

Первичные эффекты имеют механическую природу. К этим эффектам относятся уже упоминавшиеся ранее звуковое давление, поглощение УЗ, а также кавитация и другие явления.

Кавитация состоит в том, что в жидкости в фазе разрежения образуются разрывы или полости, которые захлопываются в фазе сжатия, вызывая мгновенные пики давления, достигающие десятков мегапаскалей.

Вторичные эффекты УЗ являются следствием первичных и имеют различную природу. Выделяют четыре группы вторичных эффектов.

1. Механические эффекты. К ним относят ультразвуковую коагуляцию (сближение и последующее слипание взвешенных в газе или жидкости мелких частиц), дегазацию (уменьшение содержания газа в жидкости), диспергирование (тонкое измельчение твердых или жидких веществ в какой-либо среде) и другие явления.

На рисунке 8.1 показана наиболее распространенная схема генерирования УЗ. Рассмотрим отдельные элементы этой схемы.

Принципиальные электрические схемы УЗГ сходны со схемами высокочастотных установок для диэлектрического нагрева.

Основные технические данные некоторых УЗГ

Марка генератора Тип преобразо-
вательного устройства
Мощность, потребля-
емая из сети, кВт
Выходная мощность (под водимая к электро-
акустическому преобразо-
вателю), кВт
Рабочая частота, кВт
УЗГ 1-0,04/22
УЗГ 4-0,1
УЗГ 1-0,25
УЗГ 3-0,4/22
УЗГ 5-0,63
УЗГ 10-1,6
УЗГ 2-4
УЗГ 1-10/22
УЗГ 2-25/22
Транзисторное
То же
» «
» «
» «
» «
Тиристорное
То же
» «
0,09
0,15
0,4
0,8
1,2
2
5,7
12
34
0,04
0,1
0,25
0,4
0,63
1,6
4
10
25
22
18
18
22
18; 22
18
18; 22
18; 22
18; 22

Магнитострикционные преобразователи. Если стержень из ферромагнитного материала поместить в направленное вдоль него магнитное поле, то длина стержня изменится, причем в зависимости от материала стержень может как укоротиться, так и удлиниться. Это явление называется прямым магнитострикционным эффектом. Существует и обратный магни-тострикционный эффект: изменение намагниченности ферромагнетика при его деформации. Прямой магнитострикционный эффект используется в излучателях УЗ, а обратный-в приемниках УЗ.

На рисунке 8.2 показана схема двухстержневого магнитострикционного преобразователя, широко применяющегося в ультразвуковой технологической аппаратуре. По обмотке преобразователя пропускают переменный ток с частотой, равной частоте УЗ. Этот ток создает в сердечнике переменное магнитное поле. Под действием периодического намагничивания стержни сердечника периодически изменяют свою длину, и колеблющиеся торцы сердечника возбуждают в окружающей среде ультразвуковую волну.

Для изготовления сердечников преобразователей наиболее широко применяют никель и пермендюр (сплав, содержащий 49 % железа, 49 % кобальта и 2 % ванадия), обладающие высокой магнитострикцией.

Магнитострикционные преобразователи работают при сравнительно небольших частотах (до 100. 200 кГц), так как с увеличением частоты растут потери на гистерезис и вихревые токи.

Основные преимущества магнитострикционных преобразователей: более высокая механическая прочность и надежность; значительные относительные деформации, за счет чего можно получить сравнительно большие акустические мощности; устойчивость к коррозии.

В качестве пьезоэлектрических материалов используют кристаллы кварца, сегнетовой соли, а также искусственно получаемую пьезокерамику: титанат бария и цирконат-титанат свинца.

Пьезоэлектрические преобразователи применяют в основном в ультразвуковой информационно-измерительной технике.

Акустические трансформаторы предназначены для усиления колебаний магнитострикционного преобразователя (трансформаторы скорости) и для согласования механического сопротивления технологической нагрузки с сопротивлением пакета преобразователя (трансформаторы сопротивления). Трансформаторы скорости называются концентраторами.

Концентратор представляет собой стержень переменного сечения, присоединяемый к пакету преобразователя более широким торцом. Меньший торец концентратора подводит колебания к технологической среде. Энергия концентрируется благодаря уменьшению площади сечения. Концентраторы могут усиливать амплитуду ультразвуковых колебаний в 10. 15 раз и доводить ее до 50мкм.

Наиболее распространены технологические процессы, связанные с воздействием УЗ на жидкость. Поскольку в этих процессах основную роль играет ультразвуковая кавитация, то для них используют, как правило, низкие частоты (18. 44 кГц), на которых кавитация наступает при относительно невысоких интенсивностях УЗ.

Рассмотрим примеры технологического использования УЗ в основных направлениях, представляющих интерес для сельскохозяйственного производства.

Кавитационные пузырьки, играющие основную роль в процессе УЗ-вой очистки, проникают под пленку загрязнения, разрывают и отслаивают ее.

Ультразвуковую очистку применяют перед ремонтом, сборкой, окраской, хромированием, никелированием и другими операциями. Особенно эффективно УЗ применять для очистки деталей, имеющих сложную форму и труднодоступные места (узкие щели, прорези, маленькие отверстия и т.д.). УЗ можно использовать и для мытья доильной аппаратуры и молочной посуды.

Промышленность выпускает большое число установок для ультразвуковой очистки, различающихся конструктивными особенностями, вместимостью ванн, мощностью УЗ (табл. 8.2).

Основные технические данные некоторых ультразвуковых очистных установок универсального назначения

im2

Ультразвук можно использовать также и для других процессов, связанных с тепломассообменом: сушки материалов, пропитки пористо-капиллярных материалов жидкостью (например, при пропитке электрической изоляции лаком, при ощелачивании соломы) и т.д.

Применение УЗ для размерной обработки твердых хрупких материалов. Сущность этой обработки состоит в том, что между инструментом 2 (рис. 8.3), колеблющимся с частотой 18. 44 кГц и амплитудой 10. 60 мкм, и обрабатываемой поверхностью заготовки 1 подаются взвешенные в воде зерна абразива 3. Инструмент периодически ударяет по зернам абразива, которые выкалывают микрочастицы с поверхности заготовки. Поскольку инструмент прижимается к обрабатываемой поверхности, то на ней постепенно образуется углубление, копирующее форму рабочей части инструмента. Таким образом осуществляется соответствующая операция: вырезание, прошивание, сверление и т. п.

Ультразвуковая размерная обработка в отличие от электроэрозионной пригодна для обработки как проводящих, так и диэлектрических материалов. Наиболее эффективна ультразвуковая обработка при изготовлении деталей и отверстий сложной формы в изделиях из твердых хрупких материалов (стекло, керамика, алмаз, германий, кремний и др.), обработка которых другими методами затруднена.

Применение УЗ для соединения материалов. Ультразвук можно успешно применять для пайки и сварки металлов.

Ультразвуковая пайка отличается от обычной тем, что жало паяльника жестко связано через концентратор с электроакустическим преобразователем и совершает колебания с частотой 18. 44 кГц и амплитудой 3. 20 мкм. Ультразвуковые колебания вызывают в расплавленном припое кавитацию, которая способствует разрушению окисной пленки на поверхности металла. Чистый металл, обнажившийся при этом, облуживается. Ультразвук позволяет проводить пайку легкоокисляющихся металлов (например, алюминия) без специальных флюсов и повышает качество соединений. Для ультразвуковой пайки применяют устройства различной мощности (от 0,01 до 0,6 кВт): УП-21, УЗУП-2, УЗП 2-0,025 и др.

Сварка происходит без заметного нагрева металла, вследствие чего его структура в зоне сварки изменяется мало. Ультразвук можно использовать для сварки листов очень малой толщины (доли миллиметра), при этом требования к чистоте поверхности снижены. Эксплуатируются различные типы ультразвукового оборудования для сварки металлов мощностью 0,1. 4 кВт; машины МТУ и сварочные клещи КТУ для точечной сварки, машины МШУ для шовной сварки и т.д.

Применение УЗ для диспергирования и коагуляции. Используются следующие виды ультразвукового диспергирования: образование суспензий (измельчение твердых тел в жидкости), жидких аэрозолей (распыление жидкостей в воздухе) и эмульсий (получение мелких капелек одной из взаимно нерастворимых жидкостей в среде другой).

Для получения эмульсий выпускают смеситель-эмульгатор УГС-10 и другие аппараты. Ультразвуковое эмульгирование может быть использовано, например, при смешивании рыбьего жира с водой для выпаивания его животным и птицам.

Ультразвук применяют также для гомогенизации молока (раздробления жировых шариков в молоке с целью повышения его сохранности и усвояемости), борьбы с накипеобразованием и для других целей.

Применение УЗ при восстановлении изношенных деталей. Работы, проведенные в ЧИМЭСХ (под научным руководством И. Е. Ульмана и М. В. Авдеева), а также в других сельскохозяйственных вузах и НИИ, показали возможность применения ультразвука для повышения качества восстановления деталей методами вибродуговой наплавки и наплавки под слоем флюса. Ультразвуковые колебания в расплавленный металл могут вводиться как через дополнительный присадочный материал, так и через основной материал детали. Воздействие ультразвука вызывает дегазацию жидкого металла, в результате чего значительно (в 3. 5 раз) снижается такой характерный для наплавки дефект, как пористость наплавленного металлического слоя. Под действием ультразвука снижается степень технологического коробления наплавляемых удлиненных деталей, например коленчатых валов. Ультразвуковое воздействие оказалось эффективным и для упрочнения рабочей поверхности восстанавливаемых деталей после их наплавки. Упрочнение достигается за счет пластического деформирования поверхности инструментом, колеблющимся с ультразвуковой частотой.

Ультразвук используют для пастеризации молока, предпосевной обработки семян с целью ускорения их прорастания и повышения урожайности, стерилизации молока и других жидких пищевых продуктов, лечения животных, отпугивания грызунов от сельскохозяйственных помещений и т. д.

Установлено, что ультразвук интенсивностью 1. 12 кВт/м 2 и частотой от сотен килогерц до нескольких мегагерц можно эффективно использовать для профилактики и терапии болезней глаз, суставов, костей, маститов, раневых инфекций, фурункулеза и других болезней. В ветеринарной практике применяют ультразвуковые аппараты УРСК-7Н, УТС-1, ВУТ-1 и др.

Использование ультразвука для получения информации.

Применение ультразвука для получения информации основано на анализе ультразвукового сигнала, прошедшего через исследуемый объект или отраженного от него. В качестве приемника ультразвука чаще всего применяют пьезоэлектрические преобразователи. Методы получения информации при помощи ультразвука можно разделить на две группы.

Методы, основанные на измерении затухания и скорости распространения ультразвуковых волн в среде. Коэффициент поглощения α и скорость звука с зависят от состава и свойств среды. Эта зависимость может быть использована, например, при построении влагомеров для различных сельскохозяйственных материалов; для определения содержания белка и жира в молоке; для контроля концентрации моющих растворов, применяемых при ремонте сельскохозяйственной техники и т. д.

Методы, основанные на отражении ультразвуковых волн от границы раздела двух сред, применяют в таких областях, как гидролокация (определение положения подводных объектов), дефектоскопия, медицинская и ветеринарная диагностика и др.

В качестве примера использования ультразвука в ветеринарной диагностике можно привести прибор «Су-пор-БМ», предназначенный для раннего определения супоросности у свиней. Принцип действия прибора основан на следующем. Головка излучателя УЗ через слой контактной смазки соприкасается с поверхностью кожи животного. Ультразвуковые волны проникают внутрь тела и распространяются в нем узким пучком. Если свинья супоросная, то в ее матке накапливается жидкость, что сказывается на отражении ультразвукового луча. Прибор работает на частоте 2 мГц. Ценность такого прибора для практики заключается в том, что раннее определение супоросности позволяет экономить корм и снижать затраты рабочего времени на содержание животных.

Аналогичные приборы можно использовать и для прижизненного определения толщины жирового слоя и мышц у свиней.

В технологических процессах магнитные поля обычно используют с индукцией до 4 Тл. Такие поля получают главным образом при помощи электромагнитов и постоянных магнитов.

Постоянные магниты по сравнению с электромагнитами дешевле и проще по конструкции, не требуют электропроводки и источников электропитания, безопасны в пожарном отношении. При их использовании магнитное поле не может внезапно исчезнуть. Основные недостатки постоянных магнитов заключаются в затруднительности регулирования магнитной индукции и ослаблении магнитного поля с течением времени. Последнее обстоятельство вынуждает периодически намагничивать постоянные магниты.

Разновидностью постоянных магнитов являются магнитофоры. Их изготовляют путем формовки смеси из вяжущих веществ (цемента, каучука, смолы и др.) и порошкообразных ферромагнитных наполнителей (оксидных или металлических сплавов). Изделия, полученные таким образом, намагничивают в специальных режимах, после чего на поверхности изделий (магнитофоров) оказывается «записанным» магнитное поле с любыми заданными конфигурацией и числом пар магнитных полюсов на единицу площади.

F м =μ 0 x 0 VHgrad, (8.4)

im4, (8.5)

im5, (8.7)

В сельскохозяйственном производстве магнитную сепарацию применяют для очистки семян культурных растений от семян сорняков и для очистки кормов от ферромагнитных примесей.

Магнитная очистка семян. Ее принцип рассмотрим на примере электромагнитной семяочистительной машины ЭМС-1А, предназначенной для выделения семян сорняков с шероховатой поверхностью (повилика, плевел, подорожник, смолевка, василек, горчак розовый и др.) из семян клевера, люцерны, льна и других мелкосемянных культур, имеющих гладкую поверхность.

Семена предварительно обрабатываются магнитным порошком. Порошок хорошо пристает к шероховатой поверхности семян сорняков и не пристает к гладкой поверхности семян культурных растений. Семена, обработанные порошком, поступают на поверхность вращающегося барабана, изготовленного из неферромагнитного материала (латуни). Внутри барабана находится электромагнит, полюсы которого занимают примерно половину окружности сверху донизу. Семена сорняков, покрытые порошком, и излишки порошка притягиваются к поверхности барабана и сбрасываются внизу под барабаном. Семена культурного растения, не покрытые порошком, свободно падают с барабана, не достигнув его нижней части.

Условие удержания семени сорняка на поверхности барабана в нижней части последнего имеет вид

F м >F ц +F g cosβ, (8.8)

На предприятиях комбикормовой широко используют магнитные сепараторы, выделяющие ферромагнитные примеси из зерна и продуктов его измельчения, из мучнистого сырья и комбикормов. В кормоцехах животноводческих комплексов начинают применять магнитную очистку стебельчатых кормов (сена, соломы, сенажа). В МИИСП разработан электромагнитный сепаратор грубых кормов. В сепараторе (рис. 18.1) использован серийный электромагнит постоянного тока М-22 В, подключенный к сети через выпрямительный мост и имеющий установленную мощность 2,2 кВт. При скорости транспортерной ленты конвейера 1,5 м/с, угле наклона магнитной системы 45° и зазоре между немагнитным барабаном и полюсами электромагнита 0,2 м обеспечивается 100 %-ное извлечение ферромагнитных примесей из стебельчатых кормов при их подаче 40 т/ч.

Наиболее изучено физико-химическое действие магнитного поля на водные системы, в частности магнитная обработка воды с целью уменьшения образования накипи.

При магнитной обработке вода пропускается через зазор магнита. После прохождения воды через магнитное поле соли жесткости в основном теряют способность кристаллизоваться на рабочей поверхности теплообменного аппарата и выпадают в виде взвешенных частиц (шлама), легко уносимых потоком воды и улавливаемых в дальнейшем шламоотделителем. Та накипь, которая все же отлагается на стенках аппарата, имеет более рыхлую структуру и значительно меньшую толщину, чем накипь, образующаяся из необработанной воды, и поэтому легко очищается.

По истечении определенного времени вода теряет приобретенные свойства, и ее способность к накипеобразованию становится такой же, как и у необработанной воды. Поэтому время между магнитной обработкой воды и ее поступлением в теплообменный аппарат должно быть не более 1. 4 ч.

Магнитная обработка воды с целью уменьшения накипеобразования эффективна лишь тогда, когда концентрация растворенной в ней свободной двуокиси углерода СО 2 меньше так называемой равновесной концентрации. В этом случае вода перенасыщается по карбонату кальция СаСО 3 (основному накипеобразователю) и становится склонной к образованию его кристаллов. Поэтому эффект противонакипной магнитной обработки воды зависит от времени года. Летом обработка более эффективна, чем зимой, так как потребление СО 2 растениями зимой сокращается.

Рядом экспериментальных исследований установлено, что противонакипный эффект магнитной обработки связан с наличием в воде ферромагнитных примесей (оксидов железа и их гидратов), частички которых в магнитном поле, по-видимому, слипаются и служат затравочными центрами кристаллизации солей жесткости непосредственно в объеме воды, а не на теплообменных поверхностях.

Область возможного применения магнитной обработки воды в сельском хозяйстве не ограничивается, однако, борьбой с накипеобразованием. Результаты некоторых исследований свидетельствуют о том, что магнитная обработка воды способна давать положительный эффект при орошении посевов (урожайность различных сельскохозяйственных культур повышается на 6. 40%), предпосевном замачивании семян (урожайность сахарной свеклы и риса повышается на 7. 16%), рассолении почв (расход промывной воды сокращается на 30. 50 %, вымывание солей увеличивается в 1,2. 2 раза) и т. д.

1. Перечислите основные параметры ультразвука

2. Как проявляется действие ультразвука на физические и биологические объекты?

3. Объясните принцип действия ультразвуковых преобразователей.

4. В каких технологических процессах используют ультразвук?

5. Объясните принцип действия магнитных сепараторов.

6. Какие технологические процессы выполняют, используя магнитные поля?

7. С какой целью и каким образом воду обрабатывают магнитным полем?

spacer nazad spacer

spacer back spacer

spacer top1 spacer

spacer spacer

© ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2006
© Центр дистанционного обучения КрасГАУ, 2006

Источник

Adblock
detector