15 Часов в отсутствие акустического поля

Рисунок 4 - Динамика релаксации акустических параметров раствора изопропилового спирта (2,28%) в воде непосредственно после перемешивания среды, подвергавшейся воздействию акустического поля (f₀ = 4601900 Гц). На 1690 с и на 2110 с выполнено кратковременное возмущение среды: перетекание жидкости на 10% и 100% объема резонатора с последующим возвращением этой жидкости в системе сообщающихся сосудов

a) раствор воды (2%) в изопропиловом спирте (f₀ = 4607750 Гц);

b) четыреххлористый углерод (f₀ = 4605570 Гц)

с) раствор альбумина яичного (2%) в воде после размешивания сухого вещества в течение 20 минут (f₀ = 4601250 Гц). Наблюдаемый характер вариаций состояния среды оставался неизменным (с нарастанием длительности периода пульсаций частоты) на интервале до 20000 с.

d) раствор альбумина яичного (2%) в воде, перемешанный после 20000 с выдержки в предыдущем режиме измерений (f₀ = 4598600 Гц).

e) раствор глицина (2%) в воде (f₀ = 4602700 Гц). Раствор предварительно выдержан в резонаторе в течение 15 часов в отсутствие акустического поля

Рисунок 5 - Динамика релаксации акустических параметров жидких сред

4 Обсуждение результатов

Представленные результата экспериментальных исследований иллюстрируют два вида функциональных зависимостей:

• Рисунок 2 - вариации частоты генерации в зависимости от концентрации смеси веществ;

• Рисунки 3, 4, 5 – кинетика формирования дальнего порядка в жидкой среде.

• Область неоднозначной функциональной зависимости, наблюдаемая на рисунке 2 в соседних интерференционных порядках, обусловлена, в соответствии с (1.1), изменением фазы на π в приемном кварцевом резонаторе при прохождении частоты собственного резонанса.

Наблюдаемое смещение положения частот ω_r и ω_a в соответствующих областях частотной дисперсии связано с различным состоянием динамического равновесия сорбции и десорбции компонентов раствора на поверхности электрода приемного кварцевого резонатора при изменении концентрации. Этот график иллюстрирует альтернативный вариант известного аналитического метода «кварцевого микровзвешивания» [3] в жидкости, причем, с высокой точностью и без наложения мешающих факторов в виде излучения, рассеянного стенками сосуда.

Время выдержки среды в каждой точке задания аргумента является, по сути, второй переменной, так как среда перестраивается под влиянием акустического поля. Высокая инструментальная точность измерений позволяет регистрировать данный процесс. Результаты исследований, представленные на рисунках 3 - 5, свидетельствуют о возникновении дальнего порядка в жидкости, обладающей геометрической анизотропией структурных образований, под действием акустического поля. На рисунке 3 представлена динамика релаксации раствора изопропилового спирта (2,28%) в воде под воздействием ультразвука (f₀ = 4609225 Гц). Раствор предварительно выдержан в резонаторе в течение 15 часов в отсутствие акустического поля. При механическом нарушении упорядоченности среды, находящейся в ультразвуковом поле, динамика восстановления дальнего порядка (рисунок 4) имеет другой вид. Возможно, что это объясняется частичным сохранением элементов структурной упорядоченности. На рисунке 5,а представлена аналогичная зависимость для раствора воды (2%) в изопропиловом спирте (f₀ = 4607750 Гц). Наблюдаемые вариации сжимаемости жидкости в виде затухающих колебаний собственной частоты резонатора, вероятно, обусловлены установлением дальнего порядка в жидкости под воздействием когерентного ультразвукового поля. Изменение плотности среды приводит к изменению частоты акустических колебаний, что входит в противоречие с установившимся порядком. Возникает обратная связь, что и проявляется в виде затухающих колебаний. Возможным действующим механизмом является периодическая перегруппировка ориентированных молекул вследствие поглощения ультразвука. По амплитуде релаксационных колебаний (Рисунок 3) в этом случае можно оценить межплоскостное расстояние в созданной периодической структуре.

Генерация существует на частоте ω, для которой выполняется условие баланса фаз (1.1). Это эквивалентно тому, что фазовая задержка φ для акустического сигнала удовлетворяет условию:

_(4.1)

Полный дифференциал от фазовой задержки может быть представлен в виде:

_(4.2)

Процесс релаксации среды в акустическом поле в данном случае соответствует выбору целого числа элементов решетки на длине волны ультразвука. Если последней итерацией частоты считать (рисунок 3): Δf/f₀ ≈ 10^-5 и этому соответствует размер одного элемента периодической структуры, то из (4.2) для выбранных условий следует:

(4.9)

Наиболее простая по виду симметрии жидкая среда – четыреххлористый углерод структурируется в акустическом поле за минимальное время (рисунок 5,b; f₀ = 4605570 Гц). Характер релаксационных процессов белковой структуры альбумина в ультразвуковом поле не имеет явно выраженных закономерностей (рисунок 5,с; 2% белка после размешивания сухого вещества в течение 20 минут, f₀ = 4601250 Гц). Вероятно, это связано с наложением разных процессов – изменения пространственной структуры белка при набухании в воде и упорядочение под акустическим воздействием. При разрушении установившихся структурных образований коллоидного раствора белка перемешиванием, наблюдается установление дальнего порядка в когерентном ультразвуковом поле (рисунок 5,d). На рисунке 5,e представлена динамика релаксации 2% раствора глицина в воде (f₀ = 4602700 Гц). Раствор предварительно выдержан в резонаторе в течение 15 часов в отсутствие акустического поля.

Заключение

Основным элементом разработанных аппаратных средств ультразвуковых исследований является одночастотный генератор продольных акустических волн, формируемых в объеме одномерного резонатора, заполненного жидкостью [4]. В работе рассмотрены физические основы построения высокодобротной ультразвуковой резонансной системы, формирующей одномодовое поле бегущих акустических волн в заполненном жидкостью измерительном объеме одномерного резонатора.

Вследствие высокой эффективной добротности цепи частотной селекции генератора, частота ультразвуковых волн, как следует из результатов эксперимента и теоретических оценок, с относительной точностью до 10^-9 определяется физическими свойствами жидкости. Модельные эксперименты показали, что высокое спектральное разрешение аппаратных средств позволяет регистрировать как малые структурные изменения жидкости под воздействием внешних факторов, так и влияние малых уровней ультразвукового излучения на формирование дальнего порядка в жидкой среде.

Представляется целесообразным применение разработанного метода для исследования кинетики биохимических реакций и анализа жидких сред, как под воздействием создаваемого акустического поля, так и при изменениях состава жидкости и изменяющихся внешних условий - температуры, давления, напряженностей электрического и магнитного полей, освещенности, интенсивности проникающих излучений.

Предложенный метод внутрирезонаторной ультразвуковой спектроскопии высокого разрешения по функциональным признакам является акустическим аналогом внутрирезонаторной лазерной спектроскопии высокого разрешения.