книги / Применения ультразвука
..pdfизмерении, является средней для напряжений вдоль пути, прой денного ультразвуковым лучом. Имеется лишь ограниченная воз можность обнаружить пики градиентов напряжения.
Полезность ультразвукового подхода заметно уменьшается в материалах, характеризующихся сильным затуханием, таких как пластик, композиционные материалы и определенные неоргани ческие неметаллические компоненты. Хотя ультразвуковые мето ды автоматически калибруются, для повышения достоверности необходимо сравнивать результаты с данными стандартных мето дов, таких как послойный анализ и измерение деформаций с по мощью сверления отверстий.
5.5.Заключение
Вданной главе подробно обсуждается классификация примене ния ультразвука в науке и технике. Для того чтобы дать читателю полное представление о предмете, рассматривается использова ние ультразвуковых волн высоких и низких частот с соответству ющими иллюстрациями. Объяснение низкочастотных высоко интенсивных режимов применения, таких как сварка, очистка, измерение уровня, длины, толщины и т.д., сопровождается опи санием основных принципов и схемами для лучшего понимания читателями. Аналогично высокочастотные низкоинтенсивные режимы применения, к которым относятся измерение расхода, акустическая микроскопия, голография, измерение остаточного напряжения, выносятся для обсуждения вместе с объяснением принципов их работы и примерами. В общем и целом пятая глава дает представление о применениях ультраакустики в науке и тех нике.
Рекомендуемая литература
1.Blitz J, Ultrasonics Methods and Applications, Butterworth, London (1971).
2.Stefans Kocis and Zdenko Figura, Ultrasonic Measurements and Technologies, Chapman & Hall, London (1996).
3.Bergman L, Ultrasound and its Applications in Science and Engineering, IL, Moscow (1956).
4.Anton Puskar, The use of High Intensity Ultrasonics, Elsevier, New York, (1982).
5.Jellison J L, Albright С E, Devine J, Harmon G, Knorovsky G A and Winchell V H, Welding Hand Book, Ed. O* Brien R L, Ameican Welding Society, 2 (1991) 784.
6.Devine J, Welding Design and Fabrication, 1980:
7.Estes C L and Turner P W, Welding Journal, 52(8) (1973) 359.
8.Hazlett T H and Amberkar S M, Welding Journal, 49(5) (1970).
9.Janet Devine, Ultrasonic Welding, Technical Editor Theodore B. Zore, ASM Handbook, ASM International, USA, Vol. 6 (1993) 324.
10.John Potter Shields, Basic Piezoelectricity, Poulsham - SAMS, England, (1966).
11.Uliman W., Tech Rundsch, 29 (1955) 11.
12.Kenneth J Hacias, Gerald J Cormier, Steavan M Nourie, Edward J. Kubel, Guide to Acid, Alkaline, Emulsion and Ultrasonic Cleaning, ASM International, USA (1997).
13.Blandamer M J, Introduction to Chemical Ultrasonics, Academic Press, New York (1973)
14.Babikov O L, Ultrasonics and its Industrial Applications, Consultants Bureau, New York, 1960.
15.Fuchs F J, Ultrasonics Enhance Cleaning, Ringsing, Metlfax, 40(10) (1996) 78.
16.Sanderson M L and Hemp J, Proc Int Conf On Advances in Flow Measurements Techniques, Warwick, Organised by BHRA Fluid Engineering, (1981) 157.
17.Hemp J, Theory of Transit Time Ultrasonic Flow Meter, J Sound and Vibration, 84(1982) 133.
18.Heritage J E, The Performance of Transit Time Flow, Undergood and Disturbed conditions, J. Flow Measurement and Inst, 1 (1989).
19.Sanderson M L, Insight, 41 (1999) 16.
20.Paul J K, Concentration Process. In Fruit and Vegetable Juice Processing, Noyes Data Corporation, New-Jersey, (1975) p 99-100.
21.Shallenbergar P, Ultrasound in Encyclopedia of Nutrition, Food Science and Food Technology, (1993).
22.Earnshaw R G, Ultrasound A new Opportunity for Food Preservation, Ed. Povey MJW and Mason T J, Blackie Publications, New York, (1998).
23.McClements D J, Development in Acoustics and Ultrasonics, IPP, Bristol and Philadelphia, Ed. Povey MJWand McClements D J, (1991) 165.
Рекомендуемаялитература 2 19
24.Chan HWS, Biophysical Methods in Food Research, Blackwell Scientific, Oxford, (1984).
25.Anish Kumar, Thavasimuthu, M and Jayakumar, T, Proceeding ofNDE 98, Trivendram, India, (1998) 54.
26.Anish Kumar, Jayakumar T, Subramanian С V and Thavasimuthu M, J Non-destructive Evaluation, 19(2), (1999) 43.
27.Mary Sansalone, Impact-Echo: The Complete Story, The structural Engineering Journal ofthe American Concrete Institute, 1995.
28.Chia-Chi Chang and Mary Sansalone, ACI Materials Journal, Sept-Oct. (1993) 421.
29.Mary Sansalone and Nicholas J Carino, Concrete International, April (1988) 38.
30.Mary Sansalone and Nicholas J Carino, ACI Materials Journal, March, (1989) 175.
31.Anish Kumar, Baldev Raj, P Kalyanasundaram, T Jayakumar and M. Thavasimuthu, NDT & E International, In press, 2002.
32.Moritz W E, Shreve P L, Proc IEE, 64(6) (1976) 966.
33.Kocis S, Elektrotechnicky Casopis, 35 (1984) 480.
34.Moosby E G, Ultrasonics, 7(1) (1969) 13.
35.Tasman H A, patzold E E, U S Patent, No: 4.195.523, (1978).
36.Commercial Press, Quality Pressure Gauge, Type.2811A, Helvlett - Packard Ltd.,
37.Wells PNT, Physical Principles & Ultrasonic Diagnosis.
38.Kleppe J A, Engineering Applications ofAcoustics.
39.Hall Guide to level Monitoring Instrument and Control System.
40.Commercial Press: Ultrasonic Precision Thickness Gauge, C L 304, Wells, Krautkrammer Blackhurse Road, Letchwork, Herfordshire SG6, G.B.
41.Commercial Press: Precision Ultrasonic Thickness Gauge, Ultrasonics 29 (1991) 181.
42.Commercial Press: New principles for Digital Thickness Gauge, Ultrasonics 22(1984) 150.
43.Tsutsumi M, Ito Y, Masuko M, Ultrasonic in Process measurement of Silicon Wafer thickness, Precision Engineering, 4(1982) 195.
44.Lemons R A and Quate C F, Appl. Phys. Lett., 24 (1974) 163.
45.Lemons R A and Quate C F, Acoustic Microscopy in Physical Acoustics, ed.W P Mason and R N Thurston, Academic Press, New York (1979).
46.Briggs A, An Introduction to Acoustic Microscopy, Oxford, (1985).
47.Briggs GAD, Illett C and Somekh, Acoustic Microscopy for Materials Studies, E A Ash, C R Hill (Edn.). Acoustical Imaging, Plenum, London, (1982) vol. 12, p 89.
48.Atalar A, J Appl. Phys., 50 (1979) 8237.
49.Hildebrand J A and Lam L K, Appl Phy Lett, 42 (1983) 413; J Microsc, 134 (1984) 245.
50.Kim J O, Achenbach J D, Mirkarimi P B, Shinn M and Barnett S A, J Appl Phy, 72(1992) 1805.
220Глава 5. Общие и прогрессивные способы примененияультразвука
51.Pagan A F, Briggs GAD, Chermuszka J T, Scruby C B, J Mater. Sci, 27 (1992) 1202.
52.Lawrence C W, Scruby C B and Briggs GAD, J Mater Sci, 28 (1933) 3635 & 3645.
53.Josep S, Mater. Sci and Engg, A122 (1989) 133.
54.Fossheim’K, Bye T, Sathish S and Heggum G, J Mater Sci, 25 (1988) 1748.
55.Charm K H and Bertoni H L, Ultra Symp Proc, Vol 5, IEEE, Piscataway, N J, (1990) 1333.
56.Tucker P A and Wilson R G, J Polym. Sci, 18 (1980) 97.
57.Fagam A F, Bell J M and Briggs GAD, Acoustic Microscopy of Polymers and Polymer Composites in A C Roulin-moloney(Ed.) Fractography and Failure Mechanisms of Polymers and Composites, Elsevier Applied Science, Amsterdam, 213 (1989).
58.Dargent P, Noack J C, Saied A and Attal J, Proc ConfUltrasonics Int, (1989) p 751.
59.Hu S, Karpur P and Matikan T E, Review of Progress in Quantitative NDE, 14B ed, D О Thompson and D E Chimenti, Plenum Press, (1995).
60.Bukhny A, Chemosatonskii L A, Khodan A N, Maev R G and Soifer Y M, Solid State Commu, 72 (1989) 1177.
61.Jen C K, Néron C, Bussiere J F, Abe K, Li L, Lowe R and Kushibiki J, Acoustic Microscopy of Claddes Optocal Fibers, IEEE Ultrasonic Symp. Proc., (1989) 831.
62.Rodriquez A, Brigges GAD and Montoto, M, J Microsc, 160 (1990) 21.
63.Seniwa M E et al., Paris International Symposium on Fatigue of Materials, TMS-ASM Fall Meeting, Indianapolis, Indiana, September, 1997.
64.Seniw M E, Conley J G and Fine M E, Materials Science and Engineering A, submitted for publication.
65.Aldridge E E, Acoustical Holography, Merrow Press, (1971).
66. Hildebarnd В P and Brenden В В, Introduction to Acoustical Holography, Plenum Press, New York, (1972).
67. Coffey J M and Whittle M J, Physics in Technology, 7(4), (1976) 146.
68. Holt A E, Conference on Periodic Inspection of Pressurized Components, London, May 1979.
69.Erhard A, Wustenberg H and Kutzner, J Brit J NOT, 21(1), (1979) 39.
70.Kutzner J and Wustenberg H, Paper 3G4,8th World Conf. on NOT, Cannes, (1976).
71.Bussiere J F, Review of Progress in Quantitative NDE, (Ed), Thompson D О and Chimenti D E, Plenum Press, New York, Vol. 18, (1999) p 13.
72.Webster New Collegiate Dictonary, Merriam Webster Inc. Springfield, Mass.
73.Bridenbaugh P R, Shabel B S and Govada A K, Non Destructive Characterisation of Materials II, (Ed) Bussiere J.F., et al., Plenum Press, New York, (1987) p 179.
74.Grove Laboratories, BNF Metals Technology Centre, Wantage, Oxfordshire, England, Metal Progress, March (1985) P-18.
Рекомендуемаялитература
75.Yada Н and Kawashima К, Non Destructive Characterisation of Materials II, (Ed) Bussiere J F, et al., Plenum Press, New York, (1987) p 195.
76.Wadley HNG, Norton S J, BiancanieUo F S and Mehrabian R, NDE Application to Materials Processing, (Ed) Buck О and Wolf A M, ASM, (1987) p3.
77.RandakA, in Proc. On-line Inspection of Steel Products, Int. Iron and Steel Institute, Committee on Technology, Brussels, 1983.
78.Grove Laboratories, BNF MetalsTechnologyCentre, Wantage, Oxfordshire, England, Metal Progress, March 1985, p. 18.
79.American Stress Technologies, Inc, Pittsburgh, PA, USA.
80.Yada H and Kawashima K, in Non-destructive Characterisation of Materials II, Ed. J F Bussiere et ai., Plenum Press, New York, (1987) 195.
81.Wadley HNG, Norton S J, Biancaniello F S and Mehrabian R, in NDE: Application to Materials Processing, Ed. О Buck and A M Wolf, ASM, (1987)3.
82.Pathak L, Rev Sci Instruments, 55(11), (1984) 1817.
83.Heyman J S, Experimental. Mechanics, 17(5), (1977) 183.
84.Kino GS, J ofNondestructive Evaluation, 11(1), (1980) 67.
85.Hsu N N, Experimental Mechanics, 14(5), (1974) 169.
86.EPRIN P - 3523 - L D, Project T 107 - 5, May 1984.
ГЛАВА 6
УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЖИДКИХ СМЕСЕЙ И РАСТВОРОВ
6.1. Введение
Жидкости, жидкие смеси (многокомпонентные) и растворы на шли широкое применение [1—3] в химической, текстильной, кожаной и атомной промышленности. Изучение и понимание термодинамических и передающих свойств жидких смесей и рас творов имеют большое значение для их применения в этих отрас лях. Исследования многокомпонентных (состоящих из двух, трех компонентов) смесей и растворов проводились с помощью инф ракрасного излучения (IR) [4,5], эффекта Рамана (комбинацион ного рассеяния света) [6], ядерного магнитного резонанса (NMR) [7] и диэлектрического метода [8]. Как и многие другие методики, измерение параметров ультразвуковых волн в жидких смесях и растворах является важным инструментом, позволяющим изучать физико-химические свойства растворов и смесей.
6.2.Виды молекулярного взаимодействия
Вжидких смесях возможные взаимодействия происходят как между одинаковыми, так и между разными молекулами. Эти вза имодействия делятся на два вида: дальнее и ближнее. Дальнее взаимодействие включает электростатическую индукцию и дис персионные силы, возникающие при тесном сближении взаимо действующих молекул без перекрывания электронных облаков. С другой стороны, ближнее взаимодействие, к которому относятся диполь— диполь, диполь — индуцированный диполь, перенос заряда, комплексное образование и водородная связь, имеет мес то тогда, когда молекулы сближаются еще теснее, что приводит
к значительному перекрыванию электронных облаков. Дальние взаимодействия характеризуются строгой направленностью.
Через силы межмолекулярного взаимодействия можно изу чать образование комплексных соединений вжидкостях и раство рах. В идеальной жидкой смеси при перемешивании происходит изменение объема или энтальпии. Когда смешивают две или бо лее жидкостей, полученная смесь не является идеальной. Таким образом, отклонение от идеальности объясняется на основе моле кулярных взаимодействий компонентов жидких смесей.
6.3. Ультразвуковое исследование молекулярных взаимодействий
Измерение скорости ультразвука наряду с прочими данными, такими как плотность, вязкость, проводимость и коэффициент поглощения, использовалось для изучения различных видов мо лекулярных взаимодействий в жидких смесях, ионного взаимо действия в смешанных растворах соли, структурных изменений в полимерных растворах и т.д. Достоверность вышеперечисленных экспериментальных данных ограничена. Для того чтобы получить дополнительную информацию о природе и силе молекулярных взаимодействий в жидких смесях, рассчитывают соответствую щие акустические параметры, такие как длина свободного пробе га частицы Lj, адиабатная сжимаемость (3ad, свободный объем Vp внутреннее давление изоэнтропическая сжимаемость р;е, акус тический импеданс Z, коэффициент поглощения a / f ,и их избы точные параметры.
Другими важными параметрами, которые используются для объяснения природы, силы и порядка молекулярных взаимодейс твий в многокомпонентных жидких смесях и растворах, являются избыточные термодинамические функции, такие как избыточная длина пробега LfE, избыточный свободный объем Vе, избыточ ное внутреннее давление %Еи избыточная изотермическая сжи маемость Избыточные термодинамические функции чувс твительны к силам межмолекулярного взаимодействия, а также к размеру молекул. Данные о скорости ультразвука и плотности использовались многими исследователями для объяснения вза имодействия растворенных веществ и растворителей с помощью нескольких эмпирических, полуэмпирических и статистических
теорий растворов в случае жидких смесей. Кажущаяся молярная сжимаемость фЛ, кажущийся молярный объем фи, число сольвата ции Snи относительная связь RAявляются параметрами, которые помогают понять взаимодействие растворенных веществ с рас творителями, растворителей с растворителями, растворенных ве ществ с растворенными веществами, а также свойства создания/ разрушения структуры соли/полимеров.
Экспериментальные данные о скорости, плотности и вязкос ти применялись для расчета вышеперечисленных акустических параметров. Прежде чем мы обсудим необходимые для этого свя зи, давайте посмотрим, каким образом можно измерять скорость и затухание ультразвуковых волн, распространяющихся в смесях. Скорость и коэффициент поглощения в жидкостях измеряют с помощью ряда методов. В случае жидких смесей предпочтение отдается методу незатухающей волны (CW) [9] и методу перекры вания эхо-импульсов (РЕО) [10—13]. Для лучшего понимания чи тателями объясняются оба метода и их применение в измерениях скорости и коэффициента затухания.
В последующих разделах под соответствующими заголовками предпринимается попытка предоставить читателю важную ин формацию следующего рода:
(I) Подготовка многокомпонентных жидких смесей для изме рения скорости, коэффициента поглощения и т.д.
(II) Методы измерения скорости, поглощения, вязкости и плотности.
(III) Поведение ультразвуковых волн в чистых жидкостях, двухкомпонентных смесях и газе.
(IV) Теории скорости ультразвука в смесях и растворах.
(V) Акустические параметры, полученные из скорости и дру гих данных.
(VI) Обзор акустических исследований жидких смесей, элект ролитных и полимерных растворов.
6.4. Подготовка многокомпонентных жидких смесей
Химические вещества, используемые для подготовки требуемых смесей, должны иметь класс Analar (AR) и пройти стандартную очистку [14,15]. Все очищенные вещества следует хранить пропу-
Подготовка многокомпонентных жидких смесей 2
щенными через молекулярное сито. Чистота веществ проверяется путем измерения плотности и сравнения с величинами, приве денными в литературе [6].
Двух- и трехкомпонентные жидкие смеси различного состава можно приготовить одним из трех способов:
1)мольная доля
2)массовая доля
3)объемная доля
6 .4 .1 . Мольная доля
Мольную долю х. в многокомпонентных жидких смесях можно получить из следующего соотношения:
(6.1)
где Щ и М. — соответственно, вес и молекулярная масса компо нента и
Значения i считают равными 1,2,3 и т.д., что зависит от числа смешиваемых компонентов. К примеру, если смесь двухкомпо нентная, / принимает значения 1 и 2. Следовательно, общая моль ная доля будет составлять х, + х/=1. Аналогично для трехкомпо нентной смеси: х;+ х2+ ху=1.
6.4.2. М ассовая доля
Массовая доля w. в многокомпонентных жидких смесях рассчи тывается по формуле:
(6.2)
1=1
где буквенные обозначения являются стандартными для исполь зуемых величин.
6 .4 .3 . Объемная доля
Объемную долю ф;. в многокомпонентных жидких смесях можно вычислить тремя разными способами.
Способ I (через объем).
Объемная доля ф(. в многокомпонентных смесях рассчитыва ется так:
(в-З)
Х Г
ы\
где V.— объем чистой жидкости L Прочие буквенные обозначе ния являются стандартными.
Способ II (через молярный объем).
Объемную долю ф! в многокомпонентных жидких смесях можно определить через молярный объем:
r!= ,x,v“ . |
(6-4) |
Х * ,Г ,
i=i
где Vmi— молярный объем чистой жидкости /. Способ III (через избыточный объем).
Объемную долю в многокомпонентных смесях получают через избыточный объем:
<Р, =■ *У, |
(6.5) |
Ъ*У,+У‘
;=1
где Vе — избыточный объем жидких смесей.
6.5. Методы измерения
Экспериментальные методы, используемые для измерения ско рости, коэффициента поглощения, плотности и вязкости жидких смесей и растворов, рассматриваются в следующих разделах.
6.5.1. Скорость ультразвука и коэффициент поглощения
Скорость U и коэффициент поглощения (a/f) ультразвуковых волн в смесях и растворах, как правило, измеряют с помощью ин терферометра (незатухающая волна) и метода перекрывания эхоимпульсов.
(I) Интерферометр — метод незатухающей волны Интерферометр состоит из двух частей: высокочастотного ге
нератора и измерительного модуля. Экспериментальная установ-