Uniwersytet Łódzki
Wydział Fizyki i Chemii
Kierunek: Chemia
Każdy może do celów niekomercyjnych używać tej pracy wdłuż i wszerz, nawet do swojej pracy, jeśli tytuł jest zbieżny lub zagadnienia są podobne, tylko w spisie literatury chciałbym, żebyście zaznaczyli, że pochodzi od chomika „JAKU”
„Zastosowanie Ultradźwięków w Chemii Zaawansowanych Materiałów”
Recezent: Dr Dżegoż Jebechowski
za żadne wskazówki i okazanie zerowej pomocy od strony powyższej osoby
podczas pisania niniejszej pracy.
Za upierdliwość, zawracanie głowy byle gównem, za żenujące i wredne zachowanie z jego strony, za jego śmierdzące zęby, wszystko to powoduje, że kontakt z nim wyzwala w mojej wyobraźni myśli, w których jego głowa znajduje się w muszli klozetowej, a ja oddaje kał na tą część ciała.
P.S. Kiedyś postawię mu za friko kakaowego stolca na głowie.
Spis treści
1. Wstęp...............................................................................................................4
2. Wielkości kinematyczne pola ultradźwiękowego...........................................4
3. Absorpcja fal sprężystych................................................................................4
4. Zjawisko kawitacji ultradźwiękowej...............................................................5
5. Klasyfikacja metod wytwarzania....................................................................8
5.1. Mechaniczne generatory ultradźwięków.................................................8
5.2. Termiczne wytwarzanie ultradźwięków..................................................8
5.3. Metody optyczne.....................................................................................9
5.4. Odwracalne metody elektrycznego i magnetycznego
wytwarzania i odbioru ultradźwięków...................................................9
5.4.1. Przetworniki piezoelektryczne.........................................................9
5.4.2. Przetworniki elektromagnetyczne....................................................10
5.4.3. Przetworniki magnetostrykcyjne......................................................11
6. Wykorzystanie ultradźwięków w elektronice..................................................12
7. Silniki i sterowniki ultradźwiękowe................................................................12
8. Defektoskopia i mikrodefektoskopia ultradźwiękowa....................................13
9. Mikroskopia ultradźwiękowa..........................................................................14
10. Sensory ultradźwiękowe.................................................................................15
11. Echosondy.......................................................................................................16
12. Echolokacja.....................................................................................................17
13. Zastosowanie ultradźwięków w medycynie....................................................17
14. Sonochemia.....................................................................................................18
14.1. Reakcje jednocząsteczkowe...................................................................21
14.2. Reakcje na granicy faz ciecz – ciecz......................................................23
14.3. Reakcje nieorganometaliczne na granicy faz ciało stałe – ciecz............24
14.4. Heterogeniczne reakcje rozdrobnionych metali.....................................25
14.5. Reakcje związków karbonylowych........................................................25
14.6. Efekt ultradźwięków na polimery...........................................................26
14.6.1. Charakterystyka degradacji ultradźwiękowej.................................27
14.6.2. Zastosowanie ultradźwiękowej degradacji.....................................28
14.6.3. Sonochemiczne modyfikowanie powierzchni polimerów..............29
14.6.4. Sonochemiczne syntezy polimerów...............................................29
15. Sonoluminenscencja........................................................................................31
16. Fuzja jądrowa...................................................................................................33
17. Dyspergowanie ultradźwiękami.......................................................................33
18. Koagulacja ultradźwiękami..............................................................................36
19. Mycie i czyszczenie ultradźwiękami................................................................37
20. Ekstrakcja i suszenie ultradźwiękami...............................................................38
21. Ogniskowanie wiązek ultradźwiękowych........................................................38
22. Podsumowanie..................................................................................................39
23.Literatura...........................................................................................................40
1. Wstęp
„Ultradźwięki są to fale sprężyste o częstotliwościach większych od słyszalnych (powyżej 16000 Hz), obejmujące szeroki w porównaniu ze słyszalnym zakresem częstotliwości. Ultradźwięki o małych częstotliwościach ( w zakresie kilkudziesięciu kHz) wytwarza i odbiera wiele zwierząt jak: koty, psy, nietoperze, delfiny. Dla nas jednakże interesujące będą ultradźwięki wytwarzane sztucznie aż do najwyższych możliwych częstotliwościach zarówno o małym, jak i dużym natężeniu.”[01]
„Obecnie ultradźwięki mają szerokie aplikacje i obejmują dwie dziedziny, dzieli je się na bierne i czynne zastosowania, to zależy od ich działania na środowisko, w którym się rozchodzą. Do biernych zastosowań jako najważniejsze uważa się spektroskopię i defektoskopię ultradźwiękową, medyczną diagnostykę ultradźwiękową oraz hydrolokację. Do czynnych zastosowań uważa się koagulację i dyspergowanie ultradźwiękowe, medyczną terapię ultradźwiękową, kawitację i wywoływanie sonoluminescencji oraz reakcji chemicznych, rozkruszanie i formowanie ośrodków twardych, spajanie i lutowanie (np. aluminium), mycie ultradźwiękowe, ekstrakcję i suszenie substancji, i wiele innych.”[02]
2. Wielkości kinematyczne pola ultradźwiękowego
x=x0 sin(wt-kx) x-przesunięcie biegnące w kierunku dodatniej fali płaskiej cząstki
u=u0cos(wt-kx) u- prędkość rozchodzenia się fali
a=a0sin(wt-kx) a- przyspieszenie fali
„Ciśnienie spowodowane przez dynamiczną zmianą naprężenia, która została wywołana przez falę względem ciśnienia P0 (np. ciśnienia atmosferycznego w powietrzu lub hydrostatycznego w cieczy, albo występującego w ciele stałym przy działaniu ustalonego naprężenia), to p nazywamy ciśnieniem akustycznym i wtedy p=P-P0 gdzie P jest całkowitym ciśnieniem chwilowym panującym w danym ośrodku.”[03]
„Pole akustyczne może zostać opisane przez wielkości energetyczne, które charakteryzują przenoszenie energii przez falę. Energia, która jest przenoszona w ciągu jednostki czasu nazywa się mocą akustyczną. Energia, która przypada na jednostkę objętości danego ośrodka nazywa się gęstością, a energia, która przechodzi przez jednostkę powierzchni prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali nazywa się gęstością strumienia energii. Średnią gęstość strumienia energii w czasie nazywa się natężeniem fali akustycznej.”[04]
„Wartość natężenia fali, której prędkość rozchodzenia się jest c, można wyrazić wprost jako iloczyn gęstości energii W i tej prędkości
I=Wc
zgodnie z definicją jest to wartość energii, jaka w ciągu jednostki czasu przechodzi przez jednostkę powierzchni prostopadłej do kierunku fali.”[05]
„Rzeczywiste ośrodki w przeciwieństwie do idealnych mają tę cechę, że występują w nich określone odstępstwa od tych praw. W rzeczywistym ośrodku fala, która w miarę rozchodzenia się, ulega tłumieniu (osłabieniu).
Pierwszą przyczyną tych odstępstw jest nieodwracalność procesów rzeczywistych akustycznych, która powoduje absorpcję fal ultradźwiękowych, która ulega zmniejszeniu amplitudy, a więc także jej energii wzdłuż drogi rozchodzenia się. Póki absorpcja jest mała, przejawia się tylko jako dodatkowy efekt wpływu stratności ośrodka na tłumienie fali, która nie wywołuje zmian prędkości rozchodzenia się fali. Wraz ze wzrostem częstotliwości fali, również absorpcja wzrasta, przy czym dla niektórych obszarów bardzo silnie, tak że już na odległościach porównywalnych z długością fali zmiany amplitudy są znaczne. Następuje również zmiana prędkości rozchodzenia się fali, która jest zależna od częstotliwości. Ten efekt nazywamy dyspersją fal akustycznych lub dyspersją dźwięków (najczęściej występuje ona w zakresie ultradźwiękowym). Dla cieczy i ciał stałych dyspersję można w wielu przypadkach pominąć, szczególnie dla małych częstotliwości, ale w gazach występuje ona bardzo silnie już dla
częstotliwości rzędu dziesiątków lub setek kiloherców.
Drugą przyczyną odstępstwa od praw idealnych jest niejednorodność ośrodków rzeczywistych, ale z punktu widzenia rozchodzenia się fal ważna jest wielkość niejednorodności w stosunku do długości fali. W niejednorodnych ośrodkach propagacja fal towarzyszy efektom rozpraszania i dyfrakcji, co jest także przyczyną ich osłabienia. Gdy długość fali zostaje porównywana z rozmiarem niejednorodności, ośrodka nie można już traktować jako ciągłego. Również dla wielkości efektów rozpraszania i dyfrakcji w zastosowaniach ultradźwięków są ważną notatką dla rozpoznawania niejednorodności ośrodków (defektoskopia ultradźwiękowa).”[06]
„Kawitacja to zjawisko, które polega na wytworzeniu w cieczy przez falę ultradźwiękową o dużym natężeniu (powyżej pewnego progu zwanego progiem kawitacji) pulsujących pęcherzyków, które pojawiają się w trakcie lokalnych rozerwań ciągłego ośrodka pod wpływem dużych sił rozciągających, które występują w fazie, w której następuje rozrzedzenie fali. W miejscach, gdzie powstają rozerwania ośrodka powstają na początku mikroskopijne kawerny, które szybko w porównaniu z okresem fali przyjmują kształt kulistych pęcherzyków, wypełniają się na drodze dyfuzji do wewnątrz pęcherzyka cząsteczkami pary nasyconej cieczy lub gazu w niej rozpuszczonego. Niektóre z nich mogą przetrwać kolejną fazę, której następuje zgęszczenie fali (w ciągu której większość z nich znika pod wpływem sił ściskających), rozrastają się i pulsują w sposób wymuszony w następnych fazach fali ultradźwiękowej „przeżywając” pewien czas, aby w pewnej chwili (podczas jakiegoś zgęszczenia fali) nagle zapaść. Zjawisko zapadania się pęcherzyków stanowią źródło lokalnych fal udarowych, które pochodzą od wielu pęcherzyków tworzących szum (hałas) kawitacyjny, który można usłyszeć, towarzyszy nadźwiękawianej i kawitującej cieczy. Szum ma szerokie i gęste widmo częstotliwości, w którym także występują składowe, które są związane z wymuszonym nieliniowym ruchem drgających pęcherzyków.”[07]
Rys.1) Rysunek przedstawia widmo szumu kawitacyjnego chaotycznie drgającego pęcherza; gdzie fp jest częstotliwością ultradźwiękowej fali wymuszającej o ciśnieniu akustycznym pA; p0 – ciśnienie odniesienia.(rysunek i informacja pochodzą ze „Ultradźwięki i ich zastosowania” Antoni Śliwiński str. 107)
Rys.2) Rysunek przedstawia erozję kawitacyjną na powierzchni czołowej niklowego przetwornika
magnetostrykcyjnego dużej o mocy częstotliwości, który pracuje w wodzie po dłuższym czasie
użytkowania. (rysunek i informacja pochodzą ze http://rsrch.com/saturna/sonofusion.html)
Rys.3) Rysunek przedstawia lejkowaty kształt pęcherzyka kawitacyjnego, który oddziałuje z powierzchnią metalu w fazie przed zapadnięciem się. (rysunek i informacje pochodzi ze http://pluto.asp.washington.edu/harlett2/artqwww/acoustic/medical/litho.html)
Legenda: compression – sprężanie, rarefaction – rozrzedzenie, bubble forms – formy pęcherzyka, bubble grows in successive cycles – pęcherzyki rosną w kolejnych cyklach, reaches unstable size – osiągnięcie nietrwałego rozmiaru, undergoes violent collapse – ulega gwałtownemu zapadaniu się pęcherzyka.
Rys.4) Rysunek przedstawia powstawanie pęcherzyka kawitacyjnego wraz z jego zapadaniem się, które powoduje powstanie fali uderzeniowej. (rysunek pochodzi ze www.sonochemistry2.htm)
Legenda: radians – promień pęcherzyka, time – czas.
Rys.5) Rysunek przedstawia wzrost i zapadanie się pęcherzyka kawitacyjnego w czasie. (rysunek i informacje pochodzą ze Elsevier 1997, Ultrasound and polar homogeneous reactions ze strony 191, Ants Tuulmets)
Legenda: in the cavity – we wnętrzu, in the bulk media – na zewnątrz pęcherzyka, intense shear forces – intensywne fale uderzeniowe, extreme conditions on collapse – ekstremalne warunki podczas zapadania się pęcherzyków, atmospheres – atmosfery.
Rys.6) Rysunek przedstawia warunki panujące we wnętrzu pęcherzyka kawitacyjnego. (rysunek pochodzi ze www.sonochemistry2.htm)
„Metody wytwarzania i odbioru ultradźwięków dzieli się zazwyczaj w zależności od sposobu przetwarzania ich energii. Jeśli przetwarzamy energię pierwotną w energię fali ultradźwiękowej – mówimy wtedy o generatorach lub nadajnikach; jeżeli jest odwrotnie odbieramy energię ultradźwiękową jako pierwotną i jest przetwarzana na inny rodzaj energii – mówimy wtedy o odbiornikach ultradźwiękowych. Energia pierwotna w nadajniku zasila źródło drgań, która pozwala na wytwarzanie fali sprężystej o danej częstotliwości. Fala ultradźwiękowa padając na układ w odbiorniku, powoduje pobudzenie go do drgań , rejestrujemy to jako energię przez niego otrzymaną od fali. Nadajniki i odbiorniki obejmują się pod wspólną nazwą przetworników ultradźwiękowych. Są one często odwracalne, to oznacza, że ten sam układ może działać albo jako nadajnik, albo jako odbiornik, chociaż na ogół nie zawsze musi z taką samą sprawnością (czułością) w każdą stronę. Ta ostatnia cecha, powoduje, że u niektórych przetworników metody przetwarzania również dzieli się na odwracalne i nieodwracalne.
Do metod nieodwracalnych należą między innymi metody mechaniczne, aero- i hydromechaniczne, termiczne i optyczne, do metod odwracalnych natomiast metody elektryczne i magnetyczne.”[08]
„Mechaniczne układy drgające, takie jak płytki, struny oraz wszelkiego rodzaju gwizdki i syreny (które wykorzystują przepływ płynu) zostały uznane jako pierwsze generatory fal ultradźwiękowych. Mechaniczne układy przepływowe do wytwarzania ultradźwięków ma zastosowanie w powietrzu i cieczach, i są to zazwyczaj syreny i piszczałki, które umożliwiają wytworzenie dużych mocy akustycznych przy częstotliwościach, które nie przekraczają kilkudziesięciu kHz. Powszechnymi generatorami w ośrodkach gazowych tego typu są np. syreny ultradźwiękowe, generator Hartmana, używane do koagulacji dymów, czy też piszczałka Pohlmana-Janowskiego, która jest używana do tworzenia emulsji.
Metoda udarowa jest jedną z ciekawszych metod mechanicznego wytwarzania ultradźwięków o stosunkowo szerokim widmie częstotliwości, która polega na wytworzeniu deformacji przy zderzeniu stałych ciał sprężystych np. uderzenie małej kulki stalowej o bryłę ciała stałego, co powoduje powstanie fal sprężystych, których częstotliwości mogą sięgać 100 kHz. Gdy zmniejszamy masę uderzającej kulki, rośnie szerokość widma częstotliwości. Udarowa zasada polega np. wytwarzanie sygnałów ultradźwiękowych o bardzo szerokim ciągłym widmie sięgającym 1-1,5 MHz w konstrukcjach stalowych przez strumień cząsteczek, np. gdy uderzamy strumieniem sprężonego powietrza niesionych ziaren piasku, i które uderzają o powierzchnię konstrukcji. Udarowe metody wytwarzania ultradźwięków można uzyskać o większych częstotliwościach, które polegają na ich wzbudzaniu w ciałach stałych przez strumień cząsteczek czy atomów, a także cząsteczek elementarnych. Mechanizm generacji ultradźwięków polega na uzyskiwaniu tutaj (przy uderzeniach cząstek) makronaprężeń i lokalnych nagrzewań ośrodka, które stają się źródłem deformacji ośrodka, co powoduje powstanie fal sprężystych.
Wykorzystanie zjawiska tarcia między ciałami stałymi należy do mechanicznych metod wytwarzania ultradźwięków szerokopasmowych. Generowanie sygnały są zależne od prędkości poruszania się i stanu trących o siebie powierzchni.”[09]
„To proces wytwarzania dźwięków przez światło, która za pośrednictwem zamiany energii fali elektromagnetycznej na ciepło i następnie na energię sprężystą.
Źródłem fal ultradźwiękowych o dużym natężeniu jest wytwarzane przez silnie źródło światła zwykle ciepło, na przykład laser impulsowy.
Podstawowymi źródłami termicznymi ultradźwięków są wyładowania elektryczne w płynach. Gdy stosuje się periodyczne lub impulsowe nagrzewania przewodników, a także wyładowania iskrowe można uzyskiwać w cieczach stosunkowo duże natężenie dźwięków i ultradźwięków. Jednak wydajność takich źródeł nie jest duża, ale przy wytwarzaniu bardzo krótkich impulsów uzyskiwane moce mogą być znaczne. Na przykład, uzyskanie mocy akustycznych rzędu 100 kW można uzyskać przez rozładowanie baterii kondensatorów przez iskrownik w wodzie w ciągu 1 ms. Generowany przez takie źródło dźwięk ma szerokie widmo rozciągające się od częstotliwości słyszalnych do dużych częstotliwości ultradźwiękowych.
Przy wytwarzaniu ciągłej fali akustycznej w metodzie termicznej wykorzystuje się ciepło Joule’a-Lenza, które jest wytwarzane przez przewodnik, przez który prąd stały zmodulowany prądem zmiennym o danej częstotliwości. Przez przewodnik może płynąć strumień jonów. Płynący prąd jonowy, który jest modulowany z dużą częstotliwością stanowi drgające źródło wytwarzające ultradźwięki. Metodami tego rodzaju osiągnięto ultradźwięki o częstotliwościach, które osiągają kilkaset kHz.”[10]
Qrik