Инжиниринг переработки и хранения сельскохозяйственной продукции. Часть1 : Ультразвуковые технологии

______________________________________________________________ 

 

М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ 

 

 

 

ИНЖИНИРИНГ ПЕРЕРАБОТКИ  

И ХРАНЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ 

ПРОДУКЦИИ 

 
 

Часть1 Ультразвуковые технологии 

 
 

У Ч Е Б Н О Е  П О С О Б И Е 

 

 
      
 
                                               
                                                
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

САНКТ- ПЕТЕРБУРГ 

2016 

 

УДК 621.311(07)   
 
Составители: М.М. Беззубцева, В.С. Волков 
 
 
Р е ц е н з е н т ы:  
Доктор техн. наук, проф.А.Г. Новоселов (ИТМО), 
Доктор техн. наук, проф. А.П. Картошкин (СПбГАУ) 
 
 
          М.М. Беззубцева, В.С. Волков 
А24: Инжиниринг переработки и хранения сельскохозяйственной продукции. Часть1 
Ультразвуковые технологии – СПб: СПбГАУ, 2016. – 208 с. 
 

                                     
 

        В учебном пособии представлены инновационные электротехнологии переработки и 
хранения сельскохозяйственной продукции с использованием ультразвука, разработанные на 
кафедре «Энергообеспечение предприятий и электротехнологии» СПбГАУ.  
       Учебное пособие составлено в соответствии с рабочей программой дисциплины 
«Инжиниринг переработки и хранения с.-х. продукции» и предназначено для магистров, 
обучающихся по направлению «Агроинженерия» профилям «Энергетический менеджмент и 
инжиниринг энергосистем» и «Электротехнологии и электрооборудование».  
 
                                                                                                                           

 

 
 
 

Рекомендовано к публикации на электронном носителе для последующего размещения в 
электронной сети СПбГАУ, согласно соответствующему договору Учебно-методическим 
советом СПбГАУ. 

 
                                                                                                                          

 
                                                                                            
 
 
 
 
 
 
 
 
                                                                                                           ©    М.М.Беззубцева,  
                                                                                                           ©     В.С. Волков 
                                                                                                           ©    СПбГАУ  
 
 

                          

ПРЕДИСЛОВИЕ 

    

 

 

 

 
          Целью учебного пособия «Инжиниринг переработки и хранения 

сельскохозяйственной продукции. Часть 1 Ультразвуковые технологии» 

является формирование профессиональных компетентных знаний магистров, 

обучающихся 
по 
направлению 
35.04.06 
«Агроинженерия», 
профилю 

«Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем».   

        Задачей учебного пособия  является обеспечение программного обучения 

магистров  знаниями, основанными на методологии  интегрирования 

современных 
достижений 
фундаментальных 
наук, 
интеллектуальной 

собственности  и научных методов проектирования в инновационные 

электротехнологии сельскохозяйственных производств. В пособие включены 

энергоэффективные  электротехнологии, разработанные и внедренные в 

производство АПК в рамках программы научного направления кафедры ЭОП в 

АПК «Обеспечение устойчивого развития сельских регионов путем повышения 

энергоэффективности и энергобезопасности потребительских энергосистем». 

       Учебное пособие состоит из предисловия, пяти глав, заключения и 

библиографического списка.       Основными разделами являются обобщенные 

результаты научных и практических исследований  коллектива сотрудников 

кафедры ЭОП и ЭТ,  опубликованные в монографиях, изобретениях  и научно-

технических статьях. 

       Учебное пособие составлено в соответствии с программными документами 

развития отрасли, а именно,  концепцией развития электрификации сельского 

хозяйства,  Федеральным законом  РФ «Об энергосбережении и о повышении 

энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные 

законодательные акты Российской Федерации»,  стандартами серии управления 

энергоэффективностью BS EN 16001:2009 и ISO 50001, энергетической 

стратегией России на период до 2030 года, стратегией инновационного 

развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на период до 

2020 
года, 
а 
также 
концепцией 
энергетического 
обеспечении 

сельскохозяйственного производства в условиях многоукладной экономики.  

       Пособие предназначено  для  магистров, может быть использовано в 

дистанционном процессе обучения. Представляет интерес для научных 

работников  и инженерно-технического персонала  энергетических служб 

предприятий АПК. 

В результате изучения теоретического курса, включенного в программу 

изучения дисциплины « Инжиниринг переработки и хранения с.-х. продукции»,  

обучающийся  должен приобрести следующие компетенции: 

- владение логическими методами и приемами научного исследования 

(ОПК-5); 

- способность анализировать современные проблемы науки и производства 

в агроинжерии и вести поиск их решения (ОПК-7); 

- 
способность 
и 
готовность 
организовывать 
самостоятельную 
и 

коллективную научно-исследовательскую работу, вести поиск инновационных 

решений в инженерно-технической сфере (ПК-5); 

- способность проведения инженерных расчетов для проектирования 

систем и объектов (ПК-7); 

- способность проектировать содержание и технологию преподавания, 

управлять учебным процессом (ПК-9). 

 
 

 
 
 
 
 
 

Г Л А В А 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ. ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ. 

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 

 

1.1. Основные закономерности и направления интенсификации 

технологических процессов переработки 

 

По физической природе звук и УЗ ничем друг от друга не отличаются. 

Это упругие колебания в материальных средах. Граница: звук - УЗ для каждого 

человека своя. Для некоторых это 10 КГц, для других - 20 КГц, а встречаются 

уникумы способные воспринимать 50 КГц. Обычно границей УЗ принято 

считать 16...20 КГц. Еще более сложная проблема с определением верхней 

границы УЗ. Возможности человеческого уха здесь не играют роли, и 

приходится отталкиваться от физической природы упругих колебаний, которые 

могут распространяться в материальной среде при условии, длина волны 

молекул больше межатомных расстояний. Длина их волны ~ 1/f. λ= с /f . На 

основании исследований установлено существование УЗ колебаний с частотой 

большей, чем 100 МГц. УЗ более высокой частоты затухает настолько, что 

колебания поглощаются непосредственно у поверхности излучателя. 

На практике используются УЗК < 25 МГц. Такие высокие частоты только 

в кристаллах. Распространение ультразвука описывается волновым уравнением. 

Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, 

жидком или твердом состоянии, в том же направлении, в котором происходит 

смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды. 

Деформация заключается в том, что происходит последовательное разряжение 

и сжатие определенных объемов среды, причем расстояние между двумя 

соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны. Чем больше 

удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и 

разряжения среды при данной амплитуде колебаний. Частицы среды, 

участвующие в передаче энергии волны, колеблются около положения своего 

равновесия. Скорость, с которой частицы колеблются около среднего 

положения равновесия называется колебательной скоростью. Колебательная 

скорость частиц изменяется согласно уравнению: 

V = U sin (2 р f t + G),  

где  V - величина колебательной скорости;  

U -  амплитуда колебательной скорости;  

f  - частота ультразвука; 

t  - время; 

G - разность фаз между колебательной скоростью частиц и переменным 

акустическим давлением. 

Амплитуда колебательной скорости характеризует максимальную скорость, с 

которой частицы среды движутся в процессе колебаний, и определяется 

частотой колебаний и амплитудой смещения частиц среды. 

                                                     U = 2 р fА,  

где А - амплитуда смещения частиц среды.  

Отличие УЗ от обычных звуков заключается в следующем: 

1. УЗ имея большую частоту f обладает значительно более короткими 

длинами волн, которые легко фокусируются (Пример для воды - длина волны 

ультразвуковых колебаний с частотой 150 кГц, распространяющихся в воде, 

где скорость распространения 1500 м/с составит λ = с /f = 1 см). Это позволяет 

формировать более узкое и направленное излучение, (то есть направить 

энергию в нужном направлении и сосредоточить ее в нужном объеме). 

Поэтому многие свойства аналогичны световым лучам. 

2. УЗ может распространяться и в непрозрачных средах, что позволяет 

использовать их для исследования полимеров, металлов и т. п. 

3. Мощность УЗ пропорциональна квадрату частоты, и поэтому, в 

отличие от звуковой мощности - очень велика. Мощность ультразвуковых 

колебаний может достигать сотен киловатт , а интенсивность (энергия через 

единицу площади в единицу времени) - 1 ...100 Вт/см2 .  Следовательно, внутрь 

тела может распространяться очень большая энергия механических колебаний. 

Возникает так называемое звуковое давление. 

Звук 
средней 
громкости 
создает 
давление 
Р, 
которое 
можно 

рассматривать как давление мошки на листочек, плывущий по воде. 

Интенсивность звуковых колебаний, возникающих в момент пушечного 

выстрела равна 0,01 Вт/см2. Мы с Вами легко создаем, даже в лабораторных 

условиях) ультразвуковые колебания с интенсивностью более J=3...5 Вт/см2. 

4. При J=3...5 Вт/см2 давление вводе оказывается равным 5...6 

атмосфер (т.е. в миллион раз превышает давление звука). 

Кроме того, не следует забывать, что это давление меняет свой знак, 

переходя в разряжение с частотой большей 20 тысяч раз в секунду. 

Возможность ввода 
огромных энергий позволяет 
повысить эф-

фективность 
множества 
технологических 
процессов, 
создавать 
новые 

материалы, получать новые вещества, решать многие вопросы техно-

логического контроля и измерений. Эти свойства положены в основу 

применения УЗ. 

Промышленное применение УЗ развивается в двух направлениях: 

1. Применение волн малой интенсивности (низкоэнергетические колебания, 

не приводящие к необратимым изменениям в материалах и телах, через 

которые 
распространяются) 
для 
контроля, 
измерений, 
исследований 

внутренней структуры. 

По применению волн малой интенсивности нами будут рассмотрены 

вопросы измерения технологических параметров с помощью УЗ (уровнеметры, 

расходометры, анализаторы состава газов, жидкости и твердых веществ). 

Основные задачи - измерения технологических параметров 

- расходометры 

- анализаторы свойств вещества 

2. Применение высокоэнергичных колебаний - волн высокой интенсивности 

для активного воздействия на вещества и изменения их структуры и свойств. 

1.2 Использование ультразвуковых колебаний 

В настоящее время активно развивается новая область знаний - 

биоакустика, изучающая формы, способы и системы звукового общения. 

Многие живые существа в процессе эволюции научились использовать свой 

язык для ориентации в пространстве.Ученые выявили и обнаружили множество 

различных ультразвуков, используемых животными. Чаще всего это сигналы 

предупреждения об опасности, выражение угрозы, удовлетворения, победы и 

т. д. 

Развитие биоакустики подогревается не праздным любопытством, а 

требованиями практики. Знания, добываемые биоакустиками, используются 

при проектировании новых приборов. 

Примеры: охрана от птиц аэродромов, защита полей от вредителей, 

управление поведением стадных животных. 

Наиболее 
широко 
ультразвук 
используется 
у 
обитателей 
морей. 

Установлено, что в воде УЗ распространяется со скоростью 5300 км/ч. 

Ничто не может двигаться вводе быстрее, чем УЗ колебания. Если в воздухе 

источник в 100 кВт слышен на расстоянии 15 км, то в воде 1 кВт до 100 км. 

Вода прозрачна для ультразвука, как воздух для света. 

Сегодняшний уровень техники позволяет смоделировать эхолокатор 

дельфина. Но если у дельфина он весит 200 г., то созданный человеком аппарат 

весит более 100 кг. 

1.3. Получение и применение УЗ 

Человек начал использовать ультразвук после открытия в 1880 году 

братьями Жаком и Пьером Кюри пьезоэлектрического эффекта. 

Сущность его заключается в следующем: если деформировать пластину 

кварца, то на ее гранях появляются противоположные по знаку электрические 

заряды. "Пьезо" - по гречески "дарить". 

Впервые этот эффект обнаружен у горного хрусталя (разновидности 

кварца). 

Получение электрического сигнала при сжатии - прямой пьезо-эффект. 

Но оказалось, что существует и обратный пьезоэффект. Если прикладывать к 

пластине переменное напряжение, то кристалл начинает сжиматься и 

расширяться с частотой прикладываемого напряжения U. 

Прямой пьезоэффект 
позволил создать приемники, а 
обратный 

пьезоэффект излучатели УЗ колебаний. Кварц был дорог и малоэффективен. 

Многочисленные 
попытки 
привели 
к 
созданию 
искусственных 
пье-

зоматериалов на основе титаната бария и цирионата титаната свинца. У этих 

материалов пьезоэффект в 100 раз больше, чем у кварца. 

Аналогичные материалы были обнаружены среди магнитных материалов 

и получили название магнитострикторов. 

Оказалось, что помещение ферромагнитного материала в  направленное 

вдоль него магнитное поле приводит к изменению геометрических размеров 

стержня. До последнего времени в УЗ технологических установках 

использовались именно они, поскольку пьезоматериалы уступали им по ряду 

свойств. Но в последние 10 лет развитие пьезоматериалов шло настолько 

бурно, что были созданы сотни типов пьезоматериалов отличающихся по 

характеристикам 
и 
назначению. 
Они 
оказались 
способны 
заменить 

магнитострикторы во всех имеющихся разработках и позволили создать новые 

уникальные аппараты и технологии. 

На основе магнитострикторов и пьезокерамических материалов и 

элементов разрабатываются преобразователи. Преобразователь обеспечивает 

преобразование энергии электрических колебаний в энергию механических 

колебаний и вводит ее в обрабатывающиеся среды. 

Одно из основных направлений технического прогресса связано с 

дальнейшим развитием и совершенствованием промышленных технологий. 

Однако современные требования охраны окружающей среды и рацио-

нального природопользования исключают безоглядную технизацию и интен-

сификацию производства «любой ценой». На первый план выдвигаются требо-

вания совершенствования существующих и создания новых технологий, обес-

печивающих максимальное снижение материальных затрат и энергетических 

загрязнений. 

Наиболее эффективно эти проблемы решаются за счет использования но-

вых источников (или видов) энергии, более полного использования исходного 

сырья и минимизации вредных отходов. 

В связи с этим очень перспективным направлением интенсификации тех-

нологических процессов является использование энергии механических колеба-

ний ультразвуковой частоты высокой интенсивности. 

Эффективность УЗ воздействий на различные технологические процессы 

подтверждена многочисленными исследованиями и опытом более чем тридца-

тилетнего применения УЗ технологий на ряде предприятий различных отраслей 

промышленности, позволившими установить следующее: 

1. Применение ультразвуковых колебаний высокой интенсивности 

обеспечивает 10....1000 кратное ускорение процессов, протекающих между 

двумя или несколькими неоднородными средами (растворение, очистка, 

обезжиривание, дегазация, крашение, измельчение, пропитка, эмульгирование, 

экстрагирование, 
кристаллизация, 
полимеризация, 
предотвращение 

образование накипи, гомогенизация, эрозия, химические и электрохимические 

реакции и многие другие). При этом увеличивается выход полезных продуктов 

(например, экстрактов) и им придавались дополнительные свойства 

(например, биологическая активность и стерильность), также удается получить 

вещества с новыми свойствами (например, тонкодисперсные эмульсии и 

суспензии). 

2. Использование ультразвуковых колебаний позволяет осуществлять 

технологические процессы, не реализуемые, или сложно реализуемые, 

традиционными методами - обеспечивать размерную обработку (сверление, 

снятие фасок, выполнение пазов) хрупких и твердых материалов, таких как