ВВЕДЕНИЕ 4
1 Акустическая левитация 7
1.1 Акустической левитацией 7
1.2 Радиационная сила 9
1.3 Плотность и скорость звука в воздухе в зависимости от температуры 10
2 Численное моделирование левитационной установки для плавки частиц 13
2.1 Обоснование выбранной геометрии 13
2.2 Численное моделирование акустических процессов 15
2.3 Оценка давления 17
2.4 Аналитическая оценка требуемой мощности инфракрасного излучения 19
2.5 моделирование акустических процессов и разработка способа ввода и
вывода частиц из зоны высокой температуры на основе ультразвуковой левитации 19
3 Экспериментальные исследования 23
3.1 Создание и описание экспериментальной установки 23
3.2 Плавка частиц пенопласта в ультразвуковом поле 25
3.1 Плавка частиц ABS пластика в ультразвуковом поле 26
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 29
СПИСОК ИСПОЛЬЗУМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 30
Акустическая левитация представляет собой устойчивое положение весомого объекта, поддерживаемого "стоячей" звуковой волной.
Благодаря возможности фокусировки ультразвука, а также отражения и преломления явление ультразвуковой левитации достаточно изучено в таких областях как: гидролокация, медицина, дефектоскопия, акустическая голография, а также при определении размеров объектов и определения уровней жидкости [1-2]. Так, например учеными из Токийского университета (Япония) [1] было изучено что, при помощи ультразвука возможно поднимать и удерживать в воздухе объекты малых размеров. Для реализации явления они используют четыре акустических массива (решетки), с помощью которых могут двигать объект в трех направлениях. В настоящее время устройство, разработанное учеными, способно удерживать предметы размерами не более двух миллиметров. [1]
В Бристольском университете учеными были проведены экспериментальные исследования акустической левитации пластикового мячика диаметром 1,6 сантиметр. Для левитации были использованы волны почти в два раза короче, чем объект. В представленном эксперименте использовалась установка в виде «чаши» из ультразвуковых излучателей. Мячик поддерживался в воздухе на высоте 1см за счет фокусировки ультразвукового поля, создаваемого ультразвуковыми излучателями [2].
Данные экспериментальные исследования показывают, что левитация частиц в стоячих волнах обладает наибольшей устойчивостью и не требует дополнительной фокусировки ультразвукового поля [1-2].
Действие левитации происходит для частиц произвольной формы, при условии, что частицы должны быть размером меньше половины длины волны.
Обзор литературы показал, что явление ультразвуковой левитации ранее не рассматривалось в условиях повышенных температур. На сегодняшний день в разных отраслях промышленности есть необходимость в плавке тех или иных материалов или частиц, которые далее уже могут применяться в самых 4
разных прикладных задачах: от создания светоотражающих шариков для дорожной краски, до производства различных деталей медицинских приложений. Существующие технологии уже довольно устарели и требуют больших энергозатрат. В настоящее время производители ищут альтернативные пути плавки частиц. Оригинальным решением данной проблемы является плавка частиц инфракрасным излучением в условиях ультразвуковой левитации.
В данной научно-исследовательской работе предлагается рассмотреть возможность использования эффекта ультразвуковой левитации для плавки частиц. Данный эффект ранее нигде не рассматривался, но при этом представляет собой большой интерес. При высоких температурах плотность воздуха снижается, скорость звука повышается и снижается сила акустического давления [5]. Ультразвуковая левитация позволит контролировать процесс нагревания и оплавления за счет фокусировки инфракрасного излучения, а также обеспечить контролируемое нахождение частиц в области нагрева. Частиц в виде микросфер разных размеров используют в различных областях, например: мелкие частицы стекла добавляют в светоотражающую краску для дорог и дорожных знаков, также микрочастицы могут использоваться в медицине, в строительной и автомобильной промышленности, а также в производстве бытовых и клейких материалов [5]. Получение микросфер с использованием предлагаемого эффекта (ультразвуковой левитации) позволит создавать микросферы, во- первых, более качественные за счет контроля температуры и времени нахождения частиц в области высоких температур, во-вторых, позволит повысить производительность за счет скорости оплавления.
В работе необходимо провести аналитические расчеты акустической левитации частиц при разных температурах, далее провести численное моделирование акустической левитации при высоких температурах. Необходимо решить задачу не слипания частиц в узлах стоячей волны. Разработать схему экспериментальной установки. Собрать лабораторный макет экспериментальной установки. Провести первичные тестовые эксперименты. Сравнить полученные результаты с численной моделью. Провести анализ и сделать выводы о возможности применения ультразвуковой левитации для плавки частиц.
Цель работы: Разработка метода и реализация плавки частиц в условиях ультразвуковой левитации
Для достижения данной цели необходимо выполнить следующие задачи:
1. Проведение численного моделирования ультразвуквуковой левитации различного размера и плотности.
2. Изготовление двух решеток с множеством ультразвуковых излучателей.
3. Изготовление инфракрасных нагревателей на основе фокусирующих зеркал.
4. Реализация рабочей установки для плавки частиц в ультразвуковом поле.
5. Проведение экспериментов с частичками пенопласта и ABS пластика
Выполненные работы:
• Проведено численное моделирование ультразвуковой левитации частиц различного размера и плотности.
• В результате численного моделирования были определены необходимые и достаточные условия левитации при выбранных параметрах.
• Разработана схема установки для реализации левитационной плавки частиц.
• Создана экспериментальная установка, состоящая из двух ультразвуковых решеток с множеством излучателей и инфракрасных нагревателей на основе фокусирующих зеркал.
• Проведен ряд экспериментов по плавке частиц различного размера.
• Экспериментально доказана возможность плавки частиц
пенопласта и ABS пластика в условиях ультразвуковой левитации.
Путем аналитических расчетов и численного моделирования показана возможность обеспечения левитации и управления левитирующими частицами в зоне больших температур. Также проведены экспериментальные исследования по плавке частиц пенопласта и ABS пластика в ультразвуковом поле.
Предложена установка для плавки различных частиц в ультразвуковом поле на основе стоячих волн.
Теоретические расчеты и эксперименты показали возможность левитации и плавки частиц в условии больших температур, что было экспериментально доказано.
