Распространение ультразвуковых волн во взвесях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

г14

? дарственный комитет российской фвдкращй

по высшему образованию санк!'- петербургский государственный университет

На правах рукописи

Иукел Мейсун

распространение ультразвуковых волн во взвесях

01.04.14 - "Теплофизика и молекулярная физика"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1996

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент Кольцова И.С.

Официальные оппоненты: доктор физико-м8тематяческих наук Сырников С.П., кандидат фиэико-матоматических наук Друхшшн Г.А.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский алактротвхнический университет (г. Санкт-Патербург).

Защита состоится " ¿3___ " ии^Хпт.^_____Х995 г.

на заседании Диссортационногсг Совета Д 063.57.32 ш защите диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук при Санкт-Петербургском государственном университете

(199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9, ауд. 85)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СП0ГУ.

Автореферат разослан " ^Р "с/^у-^^ ^1995 г. Отзывы на автореферат просьба направлять но адресу: 198904, СПб,Ульяновская ул., д. I, ПШ Физики, секретарю спец. совета.

Учшшй секратарь Диссертационного Сонета доктор физ.-мат. наук,

профессор В.А. Соловьем

ОВЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актууьность__темы. Взвеси в дисперсном и пористо«

состоянии - интереснейшие объекта исследований. обладающие многофункциональными свойствами, позволяющими эффективно решать с юс помощью самые разнообразные задачи, связанние с научными исследованиями и техническими применениями. Они приачокают, увлекают наш внимание том, что путей направленного конструирования можно получать бесконечные вариации самих разнообразии их характеристик, в том числа и акустических. Дисперсные системы представляют сооой разнообразнейшие комбинации жидких, твердых и газообразных сред, для исследования свойств которых привлекают самые различные физико-химические методы. Для определония размеров частиц •диспергированной фазы - методы осмотического давления, диффузии, ультрафильтрации, седиментации, нефелометрии. Специфическое проявление электрохимических, электрооптических, вязкостных, тепловых свойств, процессов диффузии в дисперсных системах - все связано с большой величиной удельной поверхности диспергированного вещества, что обуславливает, в частности, развитие адсорбционных явлений во всем объеме дисперсной системы. 'Традиционными методами при изучении физико-химических свойств границ раздела фаз являются методы измерения поверхностного натяжения, определения потенциалов коллоидных частиц, их заряда с помощью электрофореза, капиллярного метода, методов электрооптики. Все эти методы развиваются, начиная с прошлого столетия многочисленными исследователями в различных научных центрах мира и достигли большого совершенства, широко применяются в решении обратных задач, т.е. получения информации о физико-химических свойствах дисперсных систем.

Акустические методы до настоящего времени не получили такого широкого применения, как вышолеречислемше мвтсды, при исследовании дисперсных систем, т.к. до настоящего времени практически нет работ обобщающих основы акустики гетерогенных сред, на основании которых можно решать обратные задачи и создать оазисную основу акустических методой исследования дисперсных

систем. Актуальность тепы диссертации, посвшцонно!» акустическим катодах исследования взвесой, по вызывает сомнения. Акустические волны, распространяясь во взвесях, встречаются с многообразием свойств взвеаюшшх в них нооднородностей, которые отличаются друг от друга по дисперсности» от окруиаюцей среда по агрегатному состоянию, могут ооразошюать некоторую структуру или хаотично распределяться в даспэрсионноЯ среде, вступать или не вступать в межфазные взаимодействия, менять свое положение во времени, коагулировать или диспергировать и т.д. Все это кодируется в сложной картине акустических полой. Дисперсные системы могут гасить акустические волны или оыть для них относительно прозрачными, могут видоизменять снектролышй состав акустического сигнала или пропускать его оеа изменений, в них можно создать такую ситуацию, когда акустическая анергия максимально оудег перекачиваться в рассеянную энергию.

Целью настоящей работы является развитие комплексного подхода к исследованию распространения ультразвуковых волн во взвесях.

Исследуя ослаблении ультразвуковых волн во взвесях, получаем некоторую интегральную характеристику акустического поля -добавочный коэффициент ослабления ультразвуковых волн, который связан с концентрацией неоднородностей, их дисперсным составом, с овмоншши механизмами, протекающими между диспиргировшшой фазой и матрицей, со всеми потерями акустической анергии.

Изучая рассеяние ультразвуковых волн, получаем никоторую дифференциальную характеристику акустического поля, т.е. из всех, механизмов потерь выделяются потери акустической анергии, связашше с возбуждением рассеянных волн, что позволяет оценить их вклад в общие потери.

Измеряя скорость ультразвуковых волн, юлучаем информацию оо упругих свойствах взвесей.

Научная новизна диссертации.

Вперяые проведено комплексное исследование ослаоления, рассеяния и скорости ультразвуковых волн во всем диапазона концентраций частиц во взвеси.

Обнаружена связь между структурными перестройками взвесей и изменением величины концентрационного коэффициенте ослаоления

ультразвуковых волн во взвасях.

Выявлена связь ко аду структурными изменениями взвесей и концентрационным коэффициентом скорости ультразвуковых ваш во взвесях.

Доказана доминирующая роль диссияативных потерь в ослаблении акустической энергии ультразвуковых ¡юлн во всей диапазона изменения концентрация частиц исследуемых взввсоЯ путем анализа обобщенного акустического спектра.

Проведены непосредственные измерения рассеянных ультразвуковых волн взвесей стеклянных частиц. Определен энергетический баланс акустической энергии ультразвуковых волн, подтвердивший доминантную роль диссмлативных шторь в исследуемых ■ взвесях.

Определены условия возникновения отрицательного концентрационного- коэффициента дополнительного ослабления ультразвуковых волн во взвесях.

Показана возможность возникновения в пористых толах двух ветвей скоростей: быстрой и медленной.

На защиту выносятся следуюддао основные положения:

1. Изменение концентрационного коэффициента дополнительного ослабления ультразвуковых волн взвесей происходит в областях концентраций частиц, где возникает перестройка структуры взвеси.

В области дисперсной структуры взвесей, где число касаний т-о.

В области кластерной структуры, где число касаний частицы Т е 2 - 4, «Й- < 1.

В области пористой структуры, гда число касаний частицы

•» Ч Л ДЬД ч 4

2. Доминирующая роль диссипативных механизмов потерь акустической энергии ультразвуковых волн, распространяющихся во взвеси во всей диапазоне изменения концентрации частиц взноси.

3. Сильное взаимодействие между частицами взвеси в пористой структуре приводит к "замораживанию" части диссипативных потерь.

4. Доказывается корреляция между изменение!* концентрационного коэффициента ослабления и изменением концентрационного коэффициента скорости.

Изменение концентрационного коэффициента скорости

ультразвуковых РОЛИ во взвесях происходит в областях структурной перестройки взвесей.

В области дисперсной структуры, гдо число касаний чьстицы ■Г = О. . 0.

В области кластерной структуры, где число касаний частики '[ V с - 4, концентрационный козф^лцлецт скорости «роходат чориа шшимум -щ— = и.

В области пористой структуры, где число касании частицы

7 > Л. *{_ > 0.

5. Условия, необходимые для расцепления скорости ультразвуковых волн, расирострашкашхся в пористых взносах, на дне воЧ'ш: быст|»й скорости » МбДЛСШЮЙ.

Практическая иоиность диссертации.

Комплексное исследование ослабления. рассеяния и скорости ультразвуковых волн, распространяющихся во взиосях, позволяет создать базисную основу для решения обратных задач. лежащих в основе акустических методов контроля дисперсных систем.

Связь изменения величины концентрационного коэффициента дополнительного ослаолешя ультразвуковых воли с перестройкой структуры взвеси молот быть использована в технологических процессах в качестве индикатора возникновения пористого состояния взвеси.

Явление; расщшишния скорости ультразвукоиых волн и пористых взвесях на две ьнтьл быстрой и медленной сксцюстей может бить использовано как индикатор возникновения сильное взаимодействия мевд частишии, возникновении шесткости каркаса пористое тела.

Апробация рийотц.

Основные результаты диссертации докладывались на миадународной конференции И«шенорио-физические проблемы новой техники, г. Иосква, 191)4 г., на совещании по Акустике неоднородных сред, г. Новосибирск, 1994 г.

Публикации: Основные результаты опубликованы в одной работе.

Диосерташ.я состоит из введения, четырех глав, заключения и содиркит 129 стр. машинописного текста, 6 таблиц, 25 рисунков и сиисок цитируемой литературы из 122 наименований.

• 7

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во впадении обоснована актуальность тема, сформулированы задачи исследования, их научная новизна, положения, выносимые на зициту, а так же структура диссертации.

Первая глава носит обзорный характер. В ней рассмотрена иодель слабо концентрированных дисперсных сред. Предполагается, что когда расстояние между частицами превышает их размеры г»т то взаимодействие между акустической волной и конкретной частицей не зависит от наличия других частиц в матрице. При облучении частицы ультразвуком на границе частица-матрина возбуждаются вторичныо волны: тепловые, вязкие, рассеянные.. Потери акустической энергии характеризуются дополнительным коэффициентом ослабления, определяемым механизмами рассеяния, теплообмена, вязких потерь:

ла = а3 + аг + су

В теориях, посвященных потерям акустической анергии во взвесях, обобщенное выражение для дополнительного коэффициента ослабления:

Ла = - 4 -4-, У <г'п + '

^ к'И пФо п

где N - число частиц. Ап - амплитудный коэффициент вторичгах

волн. Упрощенное выражение для коэффициентов потерь получается в

случае, когда размеры частиц меньше длины облучающей волны.

Рассматривается размерно-частотная плоскость, построенная на координатах размер частицы - частота, представленная для водных взвесей на рис. I.

Показывается, как с помощью деления плоскости на энергетические • области воэбуядоня длинноволновых, средних, коротковолновых тепловых, вязких и рассеянных юли можно провести классификацию механизмов потерь и построить обобщенный акустический спектр взвег.ей.

По спектру определить полосы релаксационных, ризонаненнх частот доминирующие механизмы потерь акустической знерти во взвесях.

В этой же главе рассматривается процесс возбуждения резонансных мод частиц взвеси на основной частоте и гармониках.

Вторая глава посвящена обзору теорий распространения

10' 101 10' 10' 10н

И, см

1* 3'

т 1 3 2

10

10е

юв V? Гц

Рис. I

Частотно-размерная плоскость водной дисперсной среды с зонами возбуждения 1, 1'— рассеянных, 2, 7!— тепловых, 3, 3'— вязких волн при взаимодействии ультразвука с неод-породпостлмя соответствующих размеров.

акустических волн в пористшс средах, описывается модель пористых сред, их классификация.

Рассматриваются основные акустические уравнения и волновые уравнения для пористых тел. Подробно рассматривается методика решения волновых уравнений для пористых тел, предложенная И.А. Чабан, на основе модели микронеоднородных сред. Обсуждаются различные нелокальные релаксационные процессы в пористых телах. Описывается глобулярная модель, паркаляционная теория, использованные лри обсуждении полученных экспериментальных результатов.

Третья_ гушм_ носит методический характер. Описывается радиотехническая часть установки. Акустические модули установок для измерения коэффициентов ослабления, рассеяния и скорости звука.

Лается краткое описание методик измерения коэффициентов ослабления, рассеяния и скорости ультразвуковых волн во взвесях. Проводится анализ всех источников погрешностей измерений. Приводятся критерии готовности установок к работе.

В чотвертой глава приводятся результаты комплексного исследования распространения ультразвуковых волн во взвесях.

В $1 приводится информация о выбранных объектах исследования. В работе исследовались взвеси стеклянных частиц. Сферическая форма, относительная монодисперсность фракций, Известные данные о физических параметрах, необходимые для теоретических расчетов, возможность сравнивать полученные результаты наших исследований с результатами исследований других авторов - все зто делало взвеси стеклянных частиц подходящими для проведения комплексных исследований.

В {2 приводятся результаты концентрационных измерений дополнительного коэффициента ослабления ультразвуковых волн в диапазоне частот 1-30 Ш'ц в различных взвесях стеклянных частиц, а на частотах I Ш'ц, 3 МГц ио взвесях, средний размер частиц которых П = 12,5 мкм, во всем диапазоне изменения концентраций частиц.

Результаты измерений ■ концентрационной зависимости прадставлшш на графике рис.2. Анализ зависимости Да = 1(п) покапал изменение хода концентрационной кривой при переходе

I'2

Kiiiim:» г|>гщцп1ш,'ш .<;и1исим1чст1, допил нитоль-Hiii'u ослаблении ультразпукошлх мили во нанеси стеклянных частик. i> — .'Ш Гц.

областей концентраций 10-15 % и 30-35 Для объяснения полученных результатов привлекалась перкаляционная теория я глобулярная модель пористых тел.

В 53 приводятся результаты экспериментальных исследований рассеяния ультразвуковых волн во взвесях. Рассеяние измерялось при изменении угла от О до 140°. Зкспорииентальныо данные сравнивались с теоретическими, рассчитанными по формула:

= 1<2и + 1 )31ит1т1'п(Созв) (2и + 1)51пппРг1(Оозв)Соз(Т1и-т)п) Фазовые углы 1)п определялись но таблицам. Но индикатриссам определялся вклад механизма рассеяния в ослабление ультразвуковых волн, распространяющихся во взвесях. Полученные данные об энергетическом балансе подтвердили предскезаннув доминирующую роль диссипативных процессов в ослаблении ультразвуковых волн в водных взвесях при КН < 1.

В 54 строится обобщенный акустический спектр, который позволяет выяснить роль механизмов ослабления акустической энергии во взвесях. Исследование концентрационной зависимости дополнительного коэффициента ослабления в исследуемой полосе частот показало доминирующую роль диссипативных потерь в исследуемых взвесях.

{5 посвящен измерению концентрационной зависимости скорости ультразвуковых шли во взвесях. Результаты измерений представлены ;щ рис. 3. При малых концентрациях 10-15 % четко прослеживается тенденция к уменьшению скорости с ростом концентрации частиц

Мл

взвеси 0. В области концентраций 15-35 % скорость

ультразвуковых воли достигаэт минимума -д^- = О, затем с ростом концентрации частиц скорость начинает увеличиваться, > о.

Полученные результаты обсуждались с точки зрении аддитивной теории. Анализ полученных результатов позволил предсказать условия расщепления скорости ультразвуковых волн в пористой взвеси на две ветви скоростей: быстрой и медленной.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Проведенные комплексные экспериментальный исследовании

Рис. з. Заниеимосчь скорости ультрамиуковых ноли от концентрации чги'дии но нанеси. V = 3МГц. данные ра-

боты |121|.

с

ослабления, рассояния и скорости ультразвуковых волн во взвесях стеклянных частиц позволяют сделать следующие ншюды.

С ростом концентрации частиц происходят структурние

изменения взвеси. Граничные области подхода от одной структуры к

другой можно определить по характеру изменения концентрационного

коэффициента дополнительного коэффициента ослабления

ультразвуковых волн. В области концентраций от О до 10-Го %, в

области существования изолированного и относительно равномерного

распределения частиц в матрице -д— » I. В области концентраций

от 15 - 20 % до 35 - 40 % величина концентрационного коэффициента

уменьшается: 1, Это область возникновения кластерной

структуры во взвесях, где возникают двоЯяыв или тройные контакты-

меаду частицами. При концентрации частиц превышающих 40 % в

области возникновения пористой структура взвеси, где число

контактов частиц бочьше четырех, значение концентрационного

коэффициента дополнительного ослабления заметно возрастает: 0Аа . ,

ЭгТ"

На основании проведенных исследований можно предположить, что для того чтобы концентрационный коа№шиент дополнительного ослабления прошел через максимум и ослабление ультразвуковых волн начало уменьшаться о ростом концентрации твердой фазы во взвоси и попало в область линейной зависимости от концентрации пор нукно существенно уменьшить диссипатишыа потери в пористых осадках, исключить подвижность частей каркаса относительно друг друга, создать жесткость в конструкции каркаса, например, путем спекания стеклянных частиц.

Акустический спектр дополнительного ослабления ультразвуковых .волн во взвесях при изменении концентрации указывает на доминантную роль диссипативных процессов в ослаблении акустической энергии во всем диапазоне изменения концентрации частиц вплоть до состояния осадка.

Экспериментальные измерения рассеянных волн от частиц взвоси позволили непосредственно определить энергетический.баланс и так ко подтвердить теоретически рассчитанную доминирующую роль диссипативных потерь при распространении ультразвуковых волн в исслодуемых взвесях.

Доказана корреляция концентрационных зависимостей

It

дошшштельнох'о ослабления и скорости ультразвуковых волн. Конивнтршионные коэффициенты обои* акустических параметров мчняилгся при пврастройка структура взвеси. В области дисперсного состояния до 10 % концентрации, где число касаний частиц стремится к нулю, -щ— » 1, <0. В области возникновения кластерной структуры с числом касаний частиц от 2 до 4 величина концентрационного коэффициента дополнительного коэффициента становится меньше единицы <. 1, а концентрационный

коэффициент скорости проходит через минимум. В области возникновения пористой структуры, где число касаний частицы становится' больше 4, концентрационный коэффициент коэффициента дополнительного ослабления ультразвуковых волн становится больше единицы, в концентрационный коэффициент становится положительным:

öc s п

Сопоставление наших результатов с результатами Плона делает вероятным определение области концентраций и условий,при которых возможно разделонио концентрашюнной зависимости продольной скорости ультразвука во взваси на две ветви: вотвь быстрой скорости с -д— > U, и ветвь медленной скорости с < 0.

Таким образом, проведенные комплексные экспериментальные исследования ослабления, рассеяния я скорости ультразвуковых волн во всем диапазоне изменения концентрации частиц взвеси позволили определить области особых точек концентрационных коэМициантов этих параметров и связать их со структурными перестройками во взвесях.

выводы.

1. Проведено комплексное исследование ослабления, рассеяния и скорости ультразвуковых волн во взвесях стеклянных частиц в диапазоне концентраций от 0,05 % до 50 % объемных в области частот 1-30 МГц. Средний размер частиц взвесей: 80 А, 12,5 мкм, 50 мкм.

2. Обннрунена связь между изменением величины концентрационного коэффициента ослабления и структурой взвеси, описываемой в рамках шркаляционной теории,

3. Было показано, что в малоконцэнтрйрованных взвесях от 0,05 % до 10 % оОьемных, где число касаний 7 = 0. ~ 1.

При концентрациях от 10 Я до 35 - 40 где 7 е 2 - 4, в области возникновения кластерных структур, < 1.

В области концентрация, превышающих 35 - 40 %, где число касаний у > 4. -¡^р- > 1.

4. Установлено,что изменение концентрациошюго коэффициента скорости ультразвуковых волн во взвесях происходит в тох ха концентрациоwшх областях, где изменяется концентрационные коэффициенты ослабления: -g^-r- <. О при у - ü, -jj-j— = О при 1(2-4, > 0 при 7 > 4.

5. Путей непосредственного измерения рассеянных ультразвуковых волн взвесей стеклянных частиц, определения энергетического баланса и анализа обобщенного акустического спектра доказала доминирующая роль диссинативных потерь в ослаблении акустической энергии во всем диапазоне измеренных концентрация от 0,05 % до 55 Ж в полосе частот X - 3 МГц.

6. Определены условия возникновения отрицательного концентрациошюго коэффициента дополнительного ослабления ультразвуковых волн во взвесях и условия появления в пористых телах двух ветвей скоростей: быстрой и медленной, что объяснено возникновением сильных взаимодействий между частицами, создающих жесткость каркаса пористых тел.

Основные результаты диссертации опубликованы : I. Кольцова И.С., Кукол Найсуи //Акустические иэгибные волну в тонкослойных композиционных материалах// Сборник Инжонврно-физичоскив проблемы новой техники, г. Москва, 1994, С. 122 - 123:

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА:

1. Исакович U.A. //О распространении звука в вмульсиях// 1ЭТФ. 1948, Т. 18. * 10. С. 905 - 912.

2. Ратинская И,А. // 0 затухании звука в вмульсиях// Акуст. хурн. 1962, Т. 8, № 2, С. 210 - 215.

3. Alleffj-a J.R., Ilawley S.A. // Attenuation of Sound in Suspensions liiid Bnulslona: Theory and experiments// Jour. AcouuL. Soc. Amer. 1ЭТ1. V. 61, * 5, P. 1545 - 1564.

4. Blot ПЛ. // (ienerallKed theory of Acoustic Propagation in

Forons DlsBlpatiYe Media// J. Acouat. Soc. Amer. 1962, V. 34, » 9, p 1, F. 1254 - 1264.

5. Чабан И.A. // Затухание звука в грунтах и горит породах// Акуст. «урн. 1993. Т. 39. В. 2, О. 362 - 369.

6. Кольцова И.С. // Рассеяние и поглощение ультразвуковых волн в гетерогенных системах.// Акуст. журн. 1966, 1'. 31, В. 2. с. 271 - 273.