Ученые нашей страны впервые в мировой практике создали экспериментальную физическую установку, где концентрированная энергия ультразвука может воздействовать на вещество подобно лазерному лучу. Этот «гиперболоид» создает мощный поток энергии с интенсивностью 150 кВт на квадратный сантиметр поверхности, что равно световому давлению узкого луча лазера, работающего в непрерывном режиме. Пластинка плексигласа, помещенная в такое ультразвуковое поле, мгновенно распыляется. С помощью этой установки можно отрабатывать приемы применения ультразвука в промышленных целях, создавать новые образцы ультразвуковых станков, приборов, устройств.
Чтобы исследовать вещество под электронным микроскопом, прежде всего, необходимо сделать тонкий срез или раздробить и измельчить его. До сих пор это делали в обычной ступке. Теперь не нужно растирать в ней исследуемое вещество. Достаточно поместить в специальную ванночку, нажать на кнопку, и ультразвук не только мгновенно раздробит вещество до мельчайших частиц, но и нанесет их на пленку, которую затем просвечивают электронным лучом микроскопа. Ультразвуковой прибор позволяет расширить сферу применения электронного микроскопа в химии полимеров, биологии, резиновой, нефтеперерабатывающей и в других отраслях промышленности.
Возможности ультразвука в исследовательских процессах на этом не ограничиваются. Инженеры в содружестве с биологами и медиками впервые в мировой практике решили «заглянуть» в живую клетку без вскрытия ее оболочки. Аппаратуру для этого создали сотрудники экспериментального предприятия Института основных технических проблем Польской Академии наук. В аппаратуре функции своеобразного скальпеля выполняет ультразвук. При проведении экспериментов соблюдается абсолютная стерильность, строго выдерживаются режимы давления и температуры. Эта сложная проблема решается в тесном содружестве с нашими специалистами.
Использование ультразвука в научных исследованиях продолжает расширяться и по другим направлениям. Так, например, в Северном научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации предложили использовать ультразвук для измерения скорости течения воды и определения ее расхода в камерах турбин. Этот принцип исследования, как уже говорилось, нашел широкое применение также в химической и металлургической промышленности.
А если, наоборот, нужно не измерять скорость течения жидкости, а ускорять? Ультразвук и здесь пришел на помощь. Вода, бензин и особенно нефть замедляют свое течение из-за трения о стенки трубопроводов. Это, в свою очередь, значительно снижает КПД насосов. Чтобы ускорить протекание жидкости, нужно либо повысить мощность насосов, либо увеличить диаметр трубопроводов, а может быть, и то и другое одновременно. Но это экономически невыгодно. Уменьшить влияние трения на скорость позволяет своеобразная «растряска» жидкости с помощью ультразвука. Этот метод и лег в основу конструкции необычного насоса, который с помощью ультразвука перекачивает воду и бензин в двадцать раз быстрее.
Ультразвуковое устройство представляет собой пустотелый корпус со штуцерами для подвода и отвода жидкости. В корпус вмонтирован поршень, жестко соединенный с виброштоком, а другим концом — с источником ультразвука. Они-то и возбуждают в жидкости колебания ультразвуковой частоты, которые снижают межмолекулярное сцепление в потоке и трение жидкости о соприкасающуюся поверхность. Такое устройство можно применять для ускоренной заправки самолетов.
Сложнее решается задача ускорения прохождения в трубопроводах нефти. Ей необходимо придать скользящую пульсацию, что позволит передавать колебания на значительные расстояния. Использование ультразвука в этих целях обещает большой экономический эффект: затраты на изготовление ультразвуковых устройств незначительны, уменьшатся капиталовложения на прокладку нефтепроводов, сократятся земляные работы. Внедрение ультразвуковых устройств намного повышает пропускную способность действующих нефтяных трубопроводов. Кроме того, для перекачки жидких сред в заданных объемах может быть уменьшен диаметр трубопроводов пропорционально увеличению скорости. Вибрационные насосы с ультразвуковыми устройствами целесообразно устанавливать примерно через каждые 10 км нефтепроводов. Такие устройства могут применяться в металлургии для ускорения разливки расплавленного металла, а также в химической промышленности.
Еще одна проблема — неполное сгорание топлива. Это серьезный недостаток многих промышленных горелок, приводящий к образованию копоти и загрязнению воздуха газами. Его нет у горелок, в которых горючая смесь приготавливается ультразвуком. Вот как это делается. Воздух с парами топлива перемешивается в специальной камере, которую называют камерой звучания, поскольку именно в ней возникают колебания воздуха ультразвуковой частоты. Причина их появления — узкие щели, сквозь которые проходит воздух. Устойчивость ультразвуковых колебаний поддерживается кольцевой полостью, опоясывающей камеру звучания.
И наоборот, ультразвук способен «усмирять» пламя горелки. Секрет этого эффекта кроется во взаимодействии ультразвуковых волн с низкочастотной вибрацией, возникающей в пламени горелки. Ультразвуковые волны, пронизывая пламя, уничтожают опасную пульсацию. Специалисты считают, что ультразвуковые горелки смогут работать на газе среднего и высокого давления. Сейчас промышленные горелки работают в основном на давлении примерно 0,01 МПа, давление в газопроводах для дальней транспортировки значительно выше. Применение ультразвуковых горелок позволит обойтись без газораспределительных станций. Помимо всего прочего, ультразвук помогает формировать факел. А это значит, что топки станут значительно компактнее.
Имеется еще одна зависимость между горением и ультразвуком. Пламя отражает ультразвуковые волны, являясь как бы зеркалом для ультразвука. Предполагают, что отражение вызывается различной плотностью газов в самом пламени и его газовом окружении. Открытие привлекло внимание пожарных и было использовано в приборе, предназначенном для обнаружения возгорания.
Чаще начали использовать ультразвук в строительстве и на производстве. Так, например, его начали применять для погружения свай и шпунтов. Испытания показали, что ультразвуковым вибропогружателем можно забивать сваи почти в два раза быстрее, чем паровым молотом. При этом установлено, что колебания грунта в районе забивания сваи значительно меньше, чем при использовании других сваезабивочных средств.
Ультразвук в 10 раз повышает производительность изготовления эмалей. Простота конструкции и высокая производительность ультразвуковой установки выгодно отличают ее от обычных устройств. Кроме того, она позволяет получать красители необычайно высокого качества. Ультразвуком можно разжижать лаки, что позволяет сэкономить 50–70 % растворителя. Кроме того, лак после обработки ультразвуком высыхает на поверхности изделий значительно быстрее.
На текстильных предприятиях используют ультразвук для приготовления шлихты. Ультразвуковая установка позволяет приготовить шлихту значительно быстрее и при более низкой температуре, в результате чего сокращается потребление пара, экономится крахмал и химические расщепители. Кроме того, эта шлихта обладает хорошей клейкостью, устойчива в работе и при длительном хранении, улучшает качество основ и снижает обрывность их на ткацких станках.
Ультразвук помогает также работникам бумажного производства. Благоприятное воздействие ультразвуковых колебаний на волокнистую массу дало толчок новому направлению в конструировании размалывающей аппаратуры — созданию ультразвукового центробежно-пульсационного аппарата. Волокнистая рафинерная масса, обработанная в нем, может быть использована в технологическом потоке для выработки бумаги. Внедрение аппарата на целлюлозно-бумажном комбинате дает большой экономический эффект.
Английские полиграфисты использовали ультразвук для очистки бумажных отходов от типографской краски и остатков покрытий из пластмасс, каучука, металлов. После того как крупные куски инородных материалов отсортируются, измельченная бумажная макулатура уносится водой в трубу, где находится ультразвуковой вибратор. Под воздействием ультразвука неволокнистые включения легко отделяются и ослабевают связи между волокнами. В результате образуется волокнистая масса, которая направляется в технологический поток для выработки бумаги.