Волновые процессы и их применение в современных технологиях

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РФ

ГОУ ВПО «Воронежский государственный  технический университет»

Инженерно-экономический  факультет

Кафедра оборудования и технологии сварочного производства

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

 

по дисциплине: «Теоретические основы прогрессивных технологий»

Тема: «Волновые процессы и их применение в современных технологиях»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студентка группы МП-101 В. Ю. Терёхина

Руководитель:___________________В. Ф.Селиванов

 

 

 

 

 

 

 

Воронеж 2011

Замечания руководителя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение	4
1 Волновые процессы	5
1.1 Механические волны	5
1.2 Волны на поверхности жидкости	7
1.3 Электромагнитные волны	8
2 Применение волновых процессов в современных технологиях	13
2.2 Ультразвук и его  использование	16
Заключение	18
Список литературы	21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Теория волновых процессов  – область науки, исследующая  волновые явления различной природы.

С волновыми процессами  человек встречается постоянно. Существует большое многообразие волновых процессов: волны, порождаемые землетрясениями, звуковые волны, распространяющиеся в  воздухе, волны механических колебаний  в натянутых струнах музыкальных  инструментов или в кристаллах кварца, используемые для стабилизации частоты  радиопередатчика, электромагнитные волны, излучаемые антенной, и многие-многие другие. Несмотря на большое разнообразие, в колебательных процессах наблюдаются  одни и те же закономерности, которые  описываются одинаковыми математическими  и физическими моделями и исследуются  общими методами.

Волновые процессы весьма распространены в окружающем нас  мире.  Мы можем встретиться с  волнами  повсюду в нашей повседневной жизни. Естественно, это делает их весьма привлекательными для наблюдения и  изучения их сущности и свойств.

На мой взгляд, просто необходимо рассказать о различных  волновых процессах, упругих и электромагнитных волнах, об использовании волновых процессов в современных технологиях, так как это играет немаловажную роль в нашей жизни.

Цель данной курсовой работы состоит в том, чтобы познакомиться  с понятием волн и волновых процессов, проанализировать использование их в современных технологиях. С  учетом специфики данной темы  и  круга  затронутых вопросов структура  работы позволяет последовательно  ответить в первой на теоретические вопросы, а во второй  узнать практическое использование волновых процессов в технологиях.

 

 

1 Волновые процессы

1.1 Механические волны

 

Среда называется упругой, если между ее частицами существуют силы взаимодействия, препятствующие какой-либо деформации этой среды. Если какое-либо тело совершает колебания в упругой  среде, то оно воздействует на частицы  среды, прилегающие к телу, и заставляет их совершать вынужденные колебания. Среда вблизи колеблющегося тела деформируется, и в ней возникают  упругие силы. Эти силы действуют  на все более удаленные от тела частицы среды, выводя их из положения  равновесия. Постепенно все частицы  среды вовлекаются в колебательное  движение. Волнами называются всякие возмущения состояния вещества или  поля, распространяющиеся в пространстве с течением времени. Например, звуковые волны в газах или жидкостях  представляют собой колебания давления, распространяющиеся в этих средах.

Упругими волнами называются механические возмущения (деформации), которые распространяются в упругой  среде. Тела, вызывающие эти возмущения в среде, называются источниками  волн (колеблющиеся камертоны, струны музыкальных инструментов и т. д.). Упругие волны называются звуковыми  или акустическими, если соответствующие  им механические деформации среды имеют  малые амплитуды.

Отличие упругих волн в  среде от любого другого упорядоченного движения ее частиц состоит в том, что распространение волн не связано  с переносом вещества среды из одного места в другое на большие  расстояния.

Волновой поверхностью (фронтом  волны) называется совокупность точек  среды, колеблющихся в одинаковых фазах. На волновой поверхности фазы колебаний  различных точек в рассматриваемый  момент времени имеют одно и то же значение.

Лучом называется линия, касательная  к которой в каждой точке совпадает  с направлением распространения  волны. В однородной изотропной среде  луч является прямой, перпендикулярной к фронту волны и совпадает  с направлением переноса энергии  волны.

В плоской волне волновыми  поверхностями являются бесконечные  плоскости, перпендикулярные к направлению  распространения волны. Лучами являются параллельные прямые, совпадающие с  направлением скорости распространения  волны. Такие волны могут быть получены на поверхности воды с помощью  колебаний очень длинного плоского стержня.

Волна называется поперечной, если частицы среды колеблются в  направлениях, перпендикулярных к направлению  распространения волны. Например, поперечная волна распространяется вдоль натянутого резинового шнура, один конец которого закреплен, а другой приведен в колебательное  движение.

 

 

 

 

 

 

 

Поперечная волна

 

Волна называется продольной, если колебания частиц исходят в  направлении распространения волны. Продольная волна возникает в  длинной спиральной пружине, если один конец подвергается периодически внешнему воздействию. Упругая волна представляет собой распространяющиеся вдоль  пружины последовательные сжатия ее, периодически через время T/2 сменяющие  друг друга (Т - период внешнего воздействия  на пружину).

 

 

 

 

 

 

Продольная волна

 

В газах и жидкостях, которые  не обладают упругостью формы, распространение  поперечных волн невозможно. В твердых  телах возможно распространение  как продольных, так и поперечных волн, связанных с наличием упругости  формы (например, волны, распространяющиеся вдоль струн музыкальных инструментов).

 

1.2 Волны на поверхности жидкости

 

Волны на поверхности жидкости, волны, возникающие и распространяющиеся по свободной поверхности жидкости или на поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей. Волны на поверхности жидкости образуются под влиянием внешнего воздействия, в результате которого поверхность жидкости выводится из равновесного состояния (например, при падении камня). При этом возникают силы, восстанавливающие равновесие: силы поверхностного натяжения и тяжести. В зависимости от природы восстанавливающих сил волны на поверхности жидкости подразделяются на: капиллярные волны, если преобладают силы поверхностного натяжения, и гравитационные, если преобладают силы тяжести. В случае, когда совместно действуют силы тяжести и силы поверхностного натяжения, волны называются гравитационно-капиллярными. Влияние сил поверхностного натяжения наиболее существенно при малых длинах волн, сил тяжести — при больших.

Скорость с распространения волн на поверхности жидкости зависит от длины волны l. При возрастании длины волны скорость распространения гравитационно-капиллярных волн сначала убывает до некоторого минимального значения

                                                      (1)

а затем вновь возрастает (s — поверхностное натяжение, g — ускорение силы тяжести, r — плотность жидкости). Значению c₁ соответствует длина волны

                                                     (2)

При l > l₁ скорость распространения зависит преимущественно от сил тяжести, а при l < l₁ — от сил поверхностного натяжения. Для поверхности раздела воды и воздуха l₁ = 1,72 см.

Причины возникновения гравитационных волн: притяжение жидкости Солнцем  и Луной, движение тел вблизи или  по поверхности воды (корабельные  волны), действие на поверхность жидкости системы импульсивных давлений (ветровые волны, начальное отклонение некоторого участка поверхности от равновесного положения, например местное возвышение уровня при подводном взрыве). Наиболее распространены в природе ветровые волны.

 

1.3 Электромагнитные волны

 

Электромагнитные волны, электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью. Существование электромагнитных волн было предсказано М. Фарадеем в 1832. Дж. Максвелл в 1865 теоретически показал, что электромагнитные колебания не остаются локализованными в пространстве, а распространяются в вакууме со скоростью света во все стороны от источника. Из того обстоятельства, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости света, Максвелл сделал вывод, что свет представляет собой электромагнитные волны В 1888 максвелловская теория электромагнитных волн получила подтверждение в опытах Г. Герца, что сыграло решающую роль для её утверждения.

Теория Максвелла позволила  единым образом подойти к описанию радиоволн, света, рентгеновских лучей и гамма-излучения. Оказалось, что это не излучения различной природы, а электромагнитные волны с различной длиной волны. Частота w колебаний электрического Е и магнитного Н полей связана с длиной волны l соотношением: l= 2pс/w. Радиоволны, рентгеновские лучи и g-излучение находят своё место в единой шкале электромагнитных волн, причём между соседними диапазонами шкалы электромагнитных волн нет резкой границы.

Особенности электромагнитных волн, законы их возбуждения и распространения описываются у Максвелла уравнениями. Если в какой-то области пространства существуют электрические заряды е и токи I, то изменение их со временем t приводит к излучению электромагнитных волн. На скорость распространения электромагнитных волн существенно влияет среда, в которой они распространяются. Электромагнитные волны могут испытывать преломление, в реальных средах имеет место дисперсия волн, вблизи неоднородностей наблюдаются дифракция волн, интерференция волн (прямой и отражённой), полное внутреннее отражение и другие явления, свойственные волнам любой природы. Пространств, распределение электромагнитных полей, временные зависимости E (t) и H (t), определяющие тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации и другие особенности электромагнитных волн задаются, с одной стороны, характером источника излучения, и с другой — свойствами среды, в которой они распространяются. В случае однородной и изотропной среды, вдали от зарядов и токов, создающих электромагнитное поле, уравнения Максвелла, приводят к волновым уравнениям: 

  ; ,                                            (3)

описывающим распространение плоских монохроматических электромагнитных волн:

                                         Е = E0 cos (kr — wt + j)                                     (4)

 Н = H0 cos (kr — wt + j)                                    (5) 

Здесь e — диэлектрическая проницаемость, mÑ — магнитная проницаемость среды, E0 и H0 — амплитуды колебаний электрических и магнитных полей, w — частота этих колебаний, j — произвольный сдвиг фазы, k — волновой вектор, r — радиус-вектор точки; Ñ2 — Лапласа оператор.

Если среда неоднородна  или содержит поверхности, на которых  изменяются её электрические либо магнитные  свойства, или если в пространстве имеются проводники, то тип возбуждаемых и распространяющихся электромагнитных волн может существенно отличаться от плоской линейно-поляризованной волны. Электромагнитные волны могут распространяться вдоль направляющих поверхностей (поверхностные волны), в передающих линиях и в полостях, образованных хорошо проводящими стенками.

Характер изменения во времени Е и Н определяется законом изменения тока I и зарядов e, возбуждающих электромагнитные волны Однако форма волны в общем случае не следует I (t) или e (t). Она в точности повторяет форму тока только в случае, если и электромагнитные волны распространяются в линейной среде (электрические и магнитные свойства которой не зависят от Е и Н). Простейший случай — возбуждение и распространение электромагнитных волн в однородном изотропном пространстве с помощью диполя Герца (отрезка провода длиной l << l, по которому протекает ток I = I0 sin wt). На расстоянии от диполя много большем l образуется волновая зона (зона излучения), где распространяются сферические электромагнитные волны Они поперечные и линейно поляризованы. В случае анизотропии среды могут возникнуть изменения поляризации.

В изотропном пространстве скорость распространения гармонических электромагнитных волн, т. e. фазовая скорость

                                                        (6)

При наличии дисперсии  скорость переноса энергии с (групповая скорость) может отличаться от v. Плотность потока энергии S, переносимой электромагнитными волнами, определяется Пойнтинга вектором: S = (с/4p) [ЕН]. Т. к. в изотропной среде векторы Е и Н и волновой вектор образуют правовинтовую систему, то S совпадает с направлением распространения электромагнитных волн. В анизотропной среде (в том числе вблизи проводящих поверхностей) S может не совпадать с направлением распространения электромагнитных волн.

Появление квантовых генераторов, в частности лазеров, позволило достичь напряжённости электрического поля в электромагнитных волнах, сравнимых с внутриатомными полями. Это привело к развитию нелинейной теории электромагнитных волн. При распространении электромагнитных волн в нелинейной среде (e и m зависят от Е и Н) её форма изменяется. Если дисперсия мала, то по мере распространения электромагнитных волн они обогащаются т. н. высшими гармониками и их форма постепенно искажается. Например, после прохождения синусоидальной электромагнитной волны характерного пути (величина которого определяется степенью нелинейности среды) может сформироваться ударная волна, характеризующаяся резкими изменениями Е и Н (разрывы) с их последующим плавным возвращением к первоначальным величинам. Ударная электромагнитная волна далее распространяется без существ, изменений формы; сглаживание резких изменений обусловлено главным образом затуханием. Большинство нелинейных сред, в которых электромагнитные волны распространяются без сильного поглощения, обладает значительной дисперсией, препятствующей образованию ударных электромагнитных волн. Поэтому образование ударных волн возможно лишь в диапазоне l от нескольких сантиметров до длинных волн. При наличии дисперсии в нелинейной среде возникающие высшие гармоники распространяются с различной скоростью и существенного искажения формы исходной волны не происходит. Образование интенсивных гармоник и взаимодействие их с исходной волной может иметь место лишь при специально подобранных законах дисперсии.

Электромагнитные волны различных диапазонов l характеризуются различными способами возбуждения и регистрации, по-разному взаимодействуют с веществом и т. п. Процессы излучения и поглощения электромагнитных волн от самых длинных волн до инфракрасного излучения достаточно полно описываются соотношениями электродинамики. На более высоких частотах доминируют процессы, имеющие существенно квантовую природу, а в оптическом диапазоне и тем более в диапазонах рентгеновских и g-лучей излучение и поглощение Электромагнитные волны могут быть описаны только на основе представлений о дискретности этих процессов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Применение волновых процессов в современных технологиях

 

Волновые технологии включают в себя вибротехнику и ультразвуковые технологии, не ограничиваясь каким-либо диапазоном вибрационных воздействий. Основное направление использования  волновых технологий в производстве заключается в возможности с  их использованием эффективно производить  резонансную накачку энергии  в обрабатываемые среды, тем самым  многократно (до нескольких десятков раз) интенсифицировать технологические  процессы обработки материалов в  самых различных отраслях промышленности:

- в нефтедобыче;

- в нефтеперерабатывающей  промышленности и нефтехимии;

- в химической технологии, в частности, при получении  полимеров;

- в агропромышленном комплексе,  в частности, пищевой и молочной  промышленности;

- в машиностроении;

- в строительстве;

- в экологии;

- в бытовой технике  и др.

Научные основы волновой механики и технологии были заложены еще в 1970-1980-е гг. Так, например, было установлено, что твердые частицы и пузыри, взвешенные в колеблющейся жидкости, могут перемещаться односторонне направленно  относительно жидкости. Кроме того, оказалось, что сама жидкость благодаря  волнам может получать значительную постоянную скорость. Наряду с этим пульсации давления в волнах взаимодействуют  с пузырями, приводя в определенных случаях к их схлопыванию и  локальному повышению давления в  поле течения. Такого рода явления могут  происходить как в мало- и средневязких жидкостях, так и в жидкостях  и вязкопластичных средах высокой  вязкости. Эти эффекты необходимы для осуществления различного рода технологических процессов.

В частности, во многих процессах  химической, нефтеперерабатывающей  и пищевой промышленности требуется  быстро создавать однородные эмульсии и суспензии разнообразного состава, организовывать течения жидких сред без застойных зон, обеспечивать пространственные движения сред различной  вязкости, обеспечить диспергирование  взвешенных в жидкости газовых и  твердых включений и т. п. Также  центральными эффектами являются эффект резонансной турбулизации и перемешивания  многофазных систем, эффекты, связанные  с кавитацией, различные эффекты  преобразования волновых и колебательных  движений жидкостей и взвешенных в них включений в монотонные, односторонне направленные движения, а также волновые эффекты пространственного  сдвига в высоковязких средах. Использование  этих эффектов для осуществления  процессов обработки материалов позволило сформулировать фундаментальные  принципы волновых технологий обработки  материалов. Они существенно отличают волновую технологию обработки материалов от традиционных технологий, основанных на использовании мешалок различного рода, экструдеров или сливающихся  потоков. Сформулируем их:

- для эффективного и  энергетически экономного проведения  процессов обработки материалов  в замкнутых объемах следует  возбудить резонансные волны  таких характеристик, при которых  в этих объемах осуществляется  эффект резонансной турбулизации  и перемешивания;

- для обработки материалов  больших объемов используется  принцип секционирования, согласно  которому большой объем разделяется  на ряд динамически взаимодействующих  (резонансных) секций существенно  меньшего объема, в каждой из  которых локально производится  интенсивная обработка материала; 

- однородный состав продукта  обеспечивается циркуляцией обрабатываемых  веществ по всему объему обработки  и между секциями локальной обработки, а также ликвидацией застойных зон во всем объеме обработки. Как циркуляция, так и ликвидация застойных зон могут быть осуществлены путем возбуждения специальных волновых полей в объеме обработки;

- скоростная обработка  больших объемов материалов осуществляется  в проточных системах, в которых  для возбуждения волновых полей  следует преобразовать поступательное  движение обрабатываемой среды  в волновое движение таких  характеристик, которые обеспечивают  эффективную и энергетически  экономную обработку сред. 

Реализацию данных эффектов проиллюстрируем на примере нефтяной промышленности. Суть волновых эффектов, применяющихся в нефтяной промышленности, - в преобразовании волновых и колебательных  движений жидкостей и взвешенных в них включений монотонные, односторонне направленные движения. Так, например, было установлено, что твердые частицы  и пузыри, взвешенные в колеблющейся жидкости, могут перемещаться односторонне направлению относительно жидкости. Кроме того, оказалось, что и сама жидкость благодаря волнам может  получать значительную постоянную скорость. Такого рода явления происходят как  в однородной жидкости, так и в  жидкости, заполняющей узкие каналы, капилляры и поры пористых сред.

Эти движения необходимы для  осуществления различного рода технологических  процессов. В частности, в нефтяной промышленности требуется организовывать течения жидкости в пористых средах, перемещать капиллярно-удержанные капли  нефти, создавать депрессию в  скважинах вблизи перфорации и т. п. Генераторы колебаний для обработки  скважин под разными названиями, как например, скважинные гидродинамические  генераторы колебаний (СГГК) и разными  видоизменениями этого названия (ультразвуковой генератор, кавитационный  генератор, вихревой генератор, роторно-пульсационный, акустический, ультразвуковой и др.) вошли в практику нефтяной промышленности в разных регионах. Такие генераторы используются, например, для обработки призабойных зон нагнетательных и добывающих скважин.

 

2.2 Ультразвук и его использовании

 

Ультразвук широко применяется  в различных физических и технологических  методах. По скорости распространения  звука в среде судят о ее физических характеристиках. Измерения  скорости на ультразвуковых частотах производятся с очень большой  точностью; вследствие этого с весьма малыми погрешностями определяются, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоемкости газов, упругие постоянные твердых тел.

Гидролокация

В конце Первой мировой  войны появилась одна из первых практических ультразвуковых систем, предназначенная  для обнаружения подводных лодок. Пучок ультразвукового излучения  может быть сделан остронаправленным, и (по отраженному от цели сигналу эхо-сигналу) можно определить направление на эту цель. Измеряя время прохождения сигнала до цели и обратно, определяют расстояние до нее. К настоящему времени система, именуемая гидролокатором, или сонаром, стала неотъемлемым средством мореплавания.

Если направить импульсное ультразвуковое излучение в сторону  дна и измерить время между  посылом импульса и его возвратом, можно определить расстояние между  излучателем и приемником, т. е. глубину. Основанные на этом сложные системы  автоматической регистрации применяются  для составления карт дна морей  и океанов, а также русл рек. Соответствующие  навигационные системы атомных  подводных лодок позволяют им совершать безопасные переходы Даже под полярными льдами.

 

 

Дефектоскопия

Зондирование ультразвуковыми  импульсами применяется и для  исследований свойств различных  материалов и изделий из них. Проникая в твердые тела, такие импульсы отражаются от их границ, а также  от различных инородных образований  в толще исследуемой среды, таких  как полости, трещины и другие, указывая на их расположение. Ультразвук «проверяет» материал, не вызывая  в нем разрушений. Такими неразрушающими методами контроля проверяют качество массивных стальных поковок, алюминиевых  блоков, железнодорожных рельсов, сварных  швов машин.

Ультразвуковой расходомер

Принцип действия такого прибора  основан на эффекте Доплера. Импульсы ультразвука направляются попеременно  по потоку и против него. При этом скорость прохождения сигнала то складывается из скорости распространения  ультразвука в среде и скорости потока, то эти величины вычитаются. Возникающая разность фаз импульсов  в двух ветвях измерительной схемы  регистрируется электронным оборудованием, и в итоге измеряется скорость потока, а по ней и массовая скорость (расход). Этот измеритель не вносит изменений  в поток жидкости и может применяться  как к потоку в замкнутом контуре, например, для исследований кровотока  в аорте или системы охлаждения атомного реактора, так и к открытому  потоку, например реки.

Ультразвуковая химия

Вышеописанные методы относятся  к категории маломощных, в которых  физические характеристики среды не изменяются. Но существуют и методы, в которых на среду направляют ультразвук большой интенсивности. При этом в жидкости развивается  мощный кавитационный процесс (образование  множества пузырьков, или каверн, которые при повышении давления схлопываются), вызывая существенные изменения физических и химических свойств среды. Многочисленные методы ультразвукового воздействия на химически активные вещества объединяются в научно-техническую отрасль знаний, называемую ультразвуковой химией. В ней исследуются и стимулируются такие процессы, как гидролиз, окисление, перестройка молекул, полимеризация, деполимеризация, ускорение реакций.

Ультразвуковая пайка

Кавитация, обусловленная  мощными ультразвуковыми волнами  в металлических расплавах и  разрушающая окисную пленку алюминия, позволяет проводить его пайку  оловянным припоем без флюса. Изделия из спаянных ультразвуком металлов стали обычными промышленными товарами.

Ультразвуковая механическая обработка

Энергия ультразвука успешно  используется при машинной обработке  деталей. Наконечник из малоуглеродистой стали, выполненный в соответствии с формой поперечного сечения  желаемого отверстия (или полости), крепится твердым припоем к концу  усеченного металлического конуса, на который воздействует ультразвуковой генератор (при этом амплитуда вибраций составляет до 0,025 мм). В зазор между  стальным наконечником и обрабатываемой деталью подается жидкая суспензия  абразива (карбида бора). Поскольку  в таком методе режущим элементом  выступает абразив, а не стальной резец, он позволяет обрабатывать очень  твердые и хрупкие материалы  – стекло, керамику, алнико (Fе-Ni-Со-А1-сплав), карбид вольфрама, закаленную сталь; кроме того, ультразвуком можно обрабатывать отверстия и полости сложной формы, так как относительное движение детали и режущего инструмента может быть не только вращательным.

Ультразвуковая очистка

Важной технологической  проблемой является очистка поверхности  металла или стекла от мельчайших посторонних частиц, жировых пленок и других видов загрязнения. Там, где слишком трудоемка ручная очистка или необходима особая степень  чистоты поверхности, применяется  ультразвук. В кавитирующую омывающую жидкость вводится мощное ультразвуковое излучение (создающее переменные ускорения с частотой до 10⁶ Гц), и схлопывающиеся кавитационные пузырьки срывают с обрабатываемой поверхности нежелательные частицы. В промышленности используется множество видов различного ультразвукового оборудования для очистки поверхностей кварцевых кристаллов и оптического стекла, малых прецизионных шарикоподшипников, снятия заусенец с малогабаритных деталей; применяется оно и на конвейерных линиях.