3.1. Методика и установка
Схема
использовавшейся установки представлена
на рис. 1. Рабочая емкость представляет
собой цилиндр из нержавеющей стали
диаметром 10 см и высотой 16 см.
Пьезокерамический фокусирующий
излучатель 1 диаметром 65 мм вмонтирован
через отверстие в днище емкости с помощью
тефлоновой крышки, навинчиваемой на
емкость. Резонансная частота излучателя
f0
– 720 кГц. На уровне фокального пятна
излучателя в боковой поверхности емкости
выполнено окно, в котором установлен
световод фотоумножителя 4. 
Рис. 1. Схема экспериментальной ячейки: 1-излучатель, 2-фокальное пятно, 3-кавитационная область, 4-фотоумножитель, 5-гидрофон, 6-светонепроницаемый короб, 7, 8 – на осциллограф, 9–от генератора; а-выходные сигналы гидрофона(верхний) и фотоумножителя (нижний)
Торец емкости, противоположный излучателю, снабжен конической крышкой, покрытой изнутри звукопоглощающей гофрированной резиной, чем обеспечивается режим, близкий к режиму бегущей волны. Гидрофон 5 вмонтирован через крышку ёмкости таким образом, что его приемный пьезокерамический элемент диаметром 2 мм и толщиной 0,25 мм находится за фокальным пятном излучателя на расстоянии 25 мм от него. Выходные сигналы фотоумножителя L и гидрофона Н (после предварительного усиления) подавались на запоминающий осциллограф и анализировались с использованием компьютера.
В экспериментах использовался фокусирующий излучатель. Это обеспечивает возникновение кавитации вдали от излучателя и отсутствие её в слое жидкости, прилегающем к излучателю. В результате, кавитация не оказывает влияния на эффективность передачи звуковой мощности в жидкость.
4. Результаты исследований и обсуждение
На рис.2 приведены результаты одновременной регистрации приложенного к излучателю напряжения U, (верхний график), интенсивности звуколюминесценции L (средний график) и выходного сигнала гидрофона H (нижний график) от времени t при плавном увеличении напряжения U на излучателе. Регистрация величин выполнялась в режиме пиковых значений.
Рис. 2. Динамика развития кавитационной области при плавном увеличении напряжения на излучателе: T = 30 ms, τ = 3 ms.
Свечение с интенсивностью выше уровня фоновых помех в приведенном на рис.1 примере возникает на 14-й секунде после начала эксперимента. Этот момент отмечен на рисунке стрелкой Th1. Незадолго до возникновения ЗЛ отмечено отклонение выходного сигнала гидрофона от линейной зависимости от времени. Одновременно с возникновением ЗЛ меняется характер зависимости H(t), а именно: появляется значительный разброс импульсов, регистрируемых гидрофоном.
При некотором критическом значении напряжения U наклон зависимости L(t) изменяется скачком, т.е. скорость роста интенсивности ЗЛ резко увеличивается. Этот момент отмечен на рисунке как Th2 – второй порог. Быстрый рост интенсивности ЗЛ сопровождается соответствующим быстрым падением выходного сигнала гидрофона (как и увеличением разброса пиковых значений H)..
На рис.3 приведены спектры кавитационного шума для различных интенсивностей ультразвука, соответствующих упомянутым выше стадиям развития кавитационной области.
При интенсивности ультразвука ниже порога ЗЛ, т.е. ниже порога нестационарной кавитации, спектр включает, как правило, не более двух первых гармоник. При возникновении ЗЛ спектр значительно расширяется: появляются более высокие гармоники (до 10f0,). Увеличение интенсивности ультразвука приводит к дальнейшему расширению спектра в сторону высокочастотных составляющих и возникновению широкополосного шума. При переходе к третьей стадии развития кавитационной области в спектре кавитационного шума появляется непрерыная составляющая – широкополосный шум.
|
|
|
|
|
|
а)
в)
б)
г)
Рис. 3. Спектры кавитационного шума для различных интенсивностей ультразвука: T = 10 ms, τ = 5 ms, а) I = 0.5 Iпор, б) I = Iпор, в) I = 3 Iпор, г) I = 5 Iпор.
Рис. 3. Спектры кавитационного шума для различных интенсивностей ультразвука: T = 10 ms, τ = 5 ms, а) I = 0.5 Iпор, б) I = Iпор, в) I = 3 Iпор, г) I = 5 Iпор.
Рис. 3. Спектры кавитационного шума для различных интенсивностей ультразвука: T = 10 ms, τ = 5 ms, а) I = 0.5 Iпор, б) I = Iпор, в) I = 3 Iпор, г) I = 5 Iпор.