книги / Применения ультразвука

лем на передней панели. Таким образом, интерферометр генери­ рует переменное поле заданной частоты. Элемент с жидкостью представляет собой сосуд с двойными стенками, позволяющи­ ми поддерживать постоянную температуру. Для этого осущест­ вляется циркуляция воды, которая проходит из ванночки через внешнюю стенку. В верхней части элемента установлен метал­ лический рефлектор, погруженный в жидкость и соединенный с микрометрическим винтом. С помощью этого винта отражаю­ щую пластину рефлектора, находящуюся в смеси, можно подни­ мать или опускать на нужное расстояние. Для подобных иссле­ дований наименьшая величина смещения составляет 0,001 мм. На дно элемента помещен кристалл кварца. Пластина рефлек­ тора и рабочая поверхность кристалла параллельны друг другу. На кристалл через A/VC-разъем подается переменное поле от ге­ нератора. В результате кварцевый кристалл начинает совершать резонансные колебания и генерировать продольные ультразву­ ковые волны.

Переменное поле внутри интерферометра, в свою очередь, воздействует на кристалл.

Продольные волны, излучаемые кристаллом, проходят через смесь и отражаются от поверхности параллельной ему пластины рефлектора. Если расстояние между пластиной и кристаллом кратно длине звуковой волны, в среде формируются стоячие волны. Это приводит к возникновению акустического резонан­ са, что вызывает изменение разности потенциалов в генераторе, возбуждающем кварцевый кристалл. А именно: анодный ток ге­ нератора принимает максимальное значение. Изменение анод­ ного тока можно измерить микроамперметром, подключенным к генератору. При медленном изменении с помощью микромет­ рического винта расстояния г между пластиной и кристаллом анодный ток уменьшается, а затем опять повышается до макси­ мальной величины, то есть стрелка амперметра совершает одно полное колебание. Микроамперметр показывает максимум и минимум при увеличении/уменыпении расстояния между плас­ тиной и кристаллом. Интервал между максимумом и миниму­ мом анодного тока равен половине длины ультразвуковой волны в смеси. Отметив исходное и конечное положение микрометра для одного полного колебания (максимум—минимум—макси­ мум) и определив все расстояние d, на которое передвигается параллельный отражатель, можно рассчитать число п последо-

Согласно Мэйсону [17], ультразвуковое поглощение в смеси/ растворе можно определить, найдя разность максимального и ми­ нимального показаний тока I. Пусть I и I . — соответственно максимум и минимум тока для известного расстояния г.

где Kd— константа, которая зависит от осциллятора интерферо­ метра и коэффициента отражения рефлектора.

Из соотношения (6.8) получим:

где Kj = in Kd.

Поглощение можно рассчитать с помощью вышеприведенно­ го соотношения. Тем не менее, поскольку изменение тока в мик­ роамперметре происходит неравномерно, поглощение рассчиты­

максимальные и минимальные показания микрометрического винта для 1тахи Imiaтока.

муле (6.8). На рис. 6.2 изображен график зависимости между гшт (средним) и /в виде сплошной линии. Наклон кривой составляет 2а.

Интерферометрический метод можно использовать для изме­ рения скорости или поглощения. Общая точность измерения ско­ рости в данном эксперименте составляет ±5%. Ошибка возникает главным образом из-за формирования стоячих волн внутри жид­ кости. Более того, модуль для элемента жидкости, используемый в данном методе, неидеален для агрессивных жидких смесей. Для лучшего понимания молекулярного взаимодействия нам необхо­ димы точные измерения скорости и поглощения в жидких смесях.

(II) Метод перекрывания эхо-импульсов

Для повышения точности в измерениях скорости ультразвука и коэффициента поглощения многие исследователи применяли метод перекрывания эхо-импульсов [10—13] (см. главу 3). Модуль

с элементом жидкости используемый для измерений скорости и затухания, изображен на рис. 6.3. Время пробега определяется со­ гласно процедуре, описанной в главе 3.

Чтобы измерить скорость ультразвуковых волн в смесях, эле­ мент жидкости (рис. 6.3) сначала проверяется с помощью воды, прошедшей двойную дистилляцию. Ультразвуковая скорость в смесях/растворах рассчитывается по следующей формуле:

где fwи / — время, требуемое ультразвуковой волне для прохожде­ ния туда и обратно в элементе с водой и смесью, Uw— скорость ультразвуковых волн в воде при экспериментальной температуре, ее значение берут из литературы.

Выходное отверстие

Рис. 6.3. Модуль с элементом жидкости — измерение скорости и затухания

Коэффициент поглощения

Коэффициент поглощения a /f в жидкой смеси можно рас­ считать, измерив амплитуды переданного 10и принятого сигнала ультразвуковых волн:

где d — расстояние, пройденное ультразвуковыми волнами в эле­ менте жидкости туда и обратно, 1п 12 и т.д. — амплитуды эхо-сиг­ налов, и — число эхо-сигналов.

Измерив затухание, можно рассчитать коэффициент погло­ щения a /f, если известна частота ультразвуковых волн.

6.5.2. Плотность

Плотность р чистых жидкостей, жидких смесей и растворов мож­ но определить с помощью сравнительного метода измерений. Берется чистый и сухой пикнометр (10 мл), и измеряется его вес wr Пикнометр наполняют контрольной жидкостью, например во­ дой, прошедшей двойную дистилляцию, и погружают в водяную ванночку, температура которой контролируется. Температуру можно поддерживать на любом постоянном уровне. Пикнометр погружают в ванночку на определенное время, чтобы температура воды в нем сравнялась с температурой воды в ванне. Уровень воды в пикнометре доходитдо определенной отметки, а после этого из­ меряют вес (w). Масса воды определяется как mw(= w, — w2), то есть объем пикнометра устанавливается путем взвешивания воды при экспериментальных температурах. После того как показания пикнометра с водой приняты за стандартные, жидкость, плот­ ность которой нужно измерить, наливают в пикнометр и опреде­ ляют массу т смеси при экспериментальной температуре, такой же, как и в опыте с водой. Воспользовавшись нижеприведенным соотношением, рассчитывают плотность неизвестной смеси при любой экспериментальной температуре. Плотность воды при раз­ личных температурах берется из литературы [15—16].

Точность измерения плотности в данном методе зависит от точности определения веса и составляет порядка ±0,1 кг-м-3.

6.5.3. Вязкость

По аналогии с измерением плотности вязкость т| смеси можно измерить с помощью сравнительного метода. Для измерения ис­ пользуется вискозиметр Освальда (емкость 10 мл). Вискозиметр наполняют водой, прошедшей двойную дистилляцию, а затем погружают в ванночку с водой. Проходит некоторое время, пре­ жде чем вода в вискозиметре достигнет экспериментальной тем­

пературы. С помощью соответствующего устройства отсасывают воду над отмеченным уровнем, а потом ей позволяют спокойно заполнять пространство. Отмечают время, необходимое для за­ полнения водой. После этого воду заменяют смесью, вязкость которой нужно определить. Используя ту же самую процедуру, определяют время, требуемое смеси для заполнения пространства при экспериментальной температуре. Зная время для контроль­ ной жидкости (воды) и для смеси, рассчитывают вязкость неиз­ вестной смеси:

(6.14)

где T|w, и tw— вязкость, плотность и время заполнения для кон­ трольной жидкости, то есть воды; р и г —плотность и время за­ полнения для смеси. Вязкость воды при различных температурах берется из литературы [15,16].

Точность измерения вязкости зависит от точности определе­ ния времени и плотности и составляет ±0,001 мН с м-2.

6.6. Поведение ультразвуковых волн в чистых жидкостях, смесях и газах

В следующих разделах на обсуждение выносится природа распро­ странения ультразвуковых волн в чистых жидкостях и газах.

6.6.1. Чистые жидкости и двухкомпонентные смеси

В чистых жидкостях, жидких смесях и газах могут распростра­ няться только продольные ультразвуковые волны. Подробное ис­ следование распространения ультразвуковых волн в жидкой сре­ де приводится в разделе 2.5 главы 2. Вчистых жидкостях ижидких смесях скорость распространения ультразвуковых волн задается следующим соотношением:

(6.15)

где и (Зй — адиабатная и изотермическая сжимаемость. Значения скорости ультразвука, плотности и температурного

коэффициента для наиболее распространенных жидкостей при­ водятся в табл. 6.1.

Табл. 6.1 Скорость ультразвука в наиболее распространенных жидкостях

В большинстве жидкостей и жидких смесей скорость ультра­ звуковых волн зависит от температуры. В чистых жидкостях ско­ рость ультразвука уменьшается с повышением температуры, од­ нако если речь идет о воде, то данное правило не действует. В воде скорость, наоборот, возрастает с повышением температуры, что происходит вплоть до 347 К. После прохождения максимума 347 К при дальнейшем повышении температуры скорость начинает снижаться (рис. 6.4). Первоначальное повышение скорости уль­ тразвуковых волн в воде вплоть до того момента, как температура достигнет 347 К, обусловлено молекулярными связями, а сниже­

ние скорости определяется диссоциацией этих связей. Обычно для жидкостей зависимость скорости ультразвука от температуры в общем виде можно записать так:

где Т — разница между экспериментальной (ТарК) и абсолютной температурой, равной 273 К (то есть Т — 273), U0— скорость в жидкости при первоначальной температуре Т, TcoeJf—абсолютный температурный коэффициент.

Рис. 6.4. Зависимость распространения ультразвука в водеоттемпературы

Вчистых жидкостях и жидких смесях скорость ультразвуковых волн зависит от частоты. Объяснение природы подобной зависи­ мости ультразвуковых волн базируется на измерениях коэффици­ ента поглощения.

Скорость распространения ультразвуковых волн в многоком­ понентных (двух-, трехкомпонентных) смесях зависит от концен­ трации отдельных компонентов. Вжидких смесях изменение ско­ рости может быть линейным или демонстрировать максимумы и минимумы, что зависит от природы молекулярных взаимодейс­ твий отдельных компонентов смеси. В случае водных и мыльных растворов скорость ультразвука повышается до достижения опре­