Wykład 3

Właściwości aerodynamiczne

Fundamentalne parametry:

• współczynnik oporu aerodynamicznego materiału (zależny od kształtu cząstki i jej stanu)

• szybkość unoszenia, prędkość unoszenia

• żaglowność, żaglowność właściwa

• lotność, współczynnik lotności

Czynniki wpływające na poj. cząstkę:

• ciężar

• jej kształt i rozmiar cząstki

• stan jej powierzchni

• jej położenie w strumieniu powietrza

metoda określania współczynnika oporu aerodynamicznego

zgodnie z prawe Newtona

R=C*Pd*S

R-siła oporu, N

C-wsp. Oporu aerodynamicznego

Pd- ciśnienie dynamiczne, N/m2

m*g= C*Pd*S

m-masa, kg

S- powierzchnia, m2

• każda cząstka ciała stałego znajdującego się w stumieniu płynu podlega działąniu róznego typu sił

• jedna z nich stałą, co do wartości i kierunku jest siła ciężkości G. jest ona równa iloczynowi masy cząstki m i przyspieszenia ziemskiego g

• siła ciężkości dziaal zawsze niezależnie od właściwości płynu oraz kierunku prędkości jego przepływu

• ciśnienie działające na ciało może podzielone na siłę, która dąży do unoszenia obiektu F1 (siła nośna) i siłę, która powstrzymuje jedo ruch ( siła oporu czołowego Fd)

• wypadkową tych sił określa się jako siłe oporu aerodynamicznego Fr

Fr=k*A₂ *$\frac{\text{ρf}*V2}{2}$

k-bezwymiarowy całkowity wsp. Oporu aerodynamicznego

A₂- powierzchnia rzutu cząstki

V-prędkość względna cząstki

ρf- gęstośc płynu kg/m3

Właściwości aerodynamiczne

• zdolność cząstki do stawiania oporu strumieniowi powietrza nazywa się żaglownością

• wielkośc żaglowności wyznacza się stosunkiem powierzchni największego przekroju F do jej ciężaru

K=F/Q

• Żaglownosc włąściwa E ( uwzględniająca działąnie strumienia powietrza na cząstkę i jej położenie w strumieniu)

• E=Q/(C*F)

Żaglownosc właściwa wyraża się jako ciśnienie, konieczne do utrzymania cząstki w stanie zawieszenia, w strumieniu powietrza mającym kierunek pionowy.

Im mniejsza żaglownosc właściwa, tym mniejsza prędkośc powietrza jest potrzebna do wprowadzenia cząstki w stan zawieszenia.

Zdolnośc ziarna do stawiania oporu strumieniowi powietrza określa się jako lotność.

Wsp lotności obliczany jest z równania :

k₀=λ_g*S$\frac{\text{ρs}}{2m}$

Zależny od kształtu cząstki, jej powierzchni, liczby Re, stopnia ograniczoności przepływu tj stosunku średnicy cząstki do średnicy przewodu.

Maszyny do czyszczenia zbóz, których zasada działania opiera się o właściwości aerodynamiczne:

• Maszyny o zmiennej ilości powietrza ( wentylacja wyciągowa, skrzynie aspiracyjne, kolumny aspiracyjne)

• Maszyny o zamknietym obiegu powietrza( duo aspiratory, wialnie)

Właściwości dielektryczne

Materiały mogą być sklasyfikowane na trzy grupy: przewodników, izolatorów i absorbentów.

Materiały, które absorbują promieniowanie mikrofalowe nazywa się dielektrykami, zatem ogrzewanie mikrofalowe odnosi się do ogrzewania dielektrycznego.

Typ materiału	Oddziaływanie z mikrofalami	Zastosowanie
Izolator np. teflon	Całkowicie przepuszczalny, nie ogrzewa się	Naczynia na naświetlone próbki
Przewodnik np. metale	Odbija mikrofale od powierzchni, nie ogrzewa się	Materiał przewodzący, falowody
Absorbent (materiały dielektryczne np. woda)	Częściowo lub całkowicie absorbujących

Efekt ogrzewania w produktach rolniczych jest wynikiem dwóch mechanizmów:

• Dwubiegunowej rotacji- dipolem odpowiedzialnym za ogrzewanie jest woda, która stanowi podstawowy składnik materiałów biologicznych. Odpowiedzią dipoli na oscylujące pole jest zwiększenie energii rotacyjnej i oscylacyjnej, co wpływa na cierne wytwarzanie ciepła.

• Jonowemu przewodnictwu- pole elektryczne powoduje migracje rozpuszczonych jopnów naładowanych dodatnio i ujemnie, w kierunku regionów naładowanych przeciwnie. To powoduje wielokrotne kolizje i rozpad wodorowych wiązań w wodzie.

Właściwości akustyczne

Emisja akustyczna

Zakłócenie równowagi, które powstało w czasie t w pewnym punkcie ośrodka dojdzie po odpowiednim czasie do każdego jego punktu. Jest to możliwe na skutek wzajemnego przekazywania energii ruchu sąsiednim cząstkom.

Zjawisko to nosi nazwe ruchu falowego.

W gazach, cieczach mogą propagowac fale podłużne i poprzeczne. W ciałach stałych rozchodzą się fale poprzeczne. Dodatkowo mogą jeszcze w ciałach stałych propagować fale powierzchniowe Rayleigha i Love’a.

Schemat rozchodzenia się fal dźwiękowych

Mechanizm rozchodzenia się fali akustycznej(dźwiękowej) w powietrzu polega na ruchu drgających cząsteczek powietrza i związane z tym obszary zwiększonego i zmniejszonego ciśnienia są przenoszone we wszystkich kierunkach wokół źródła dźwięku, a wytworzona fala dźwiękowa ma charakter fali podłużnej o powierzchni kulistej. Fale dźwiękowe występują również w ciałach stałych a mechanizm rozchodzenia polega na przenoszeniu drgań cząstek ośrodka. Drgania mechaniczne nie mają się jednak rozchodzić w próżni.

Jeżeli drgania mają charakter sinusoidalny, wówczas powstałą falę nazywa się fala akustyczną sinusoidalną lub harmoniczną. Stany ruchu ( fazy ruchu) powtarzaja się okresowo w przestrzeni ( co długość fali λ) oraz w czasie ( co okres drgań T), a wychylenie cząstki drgającej od stanu równowagi nazywa się amplitudą drgań (u) źródła dźwięku zaś liczbe pełnych drgań na sekundę częstotliwością wyrażona w Herzach (Hz).

Sygnał emisji akustycznej powstający w wyniku wyżej wymienionych procesów ma różne amplitudy i czestotliwości.

Rozchodzenie się fali akustycznej odbywa się zawsze w określonym osrodku, któregowłąściwości mechano- akustyczne scharakteryzowane sa za pomocą impedancji.

Impedancja- charakteryzuje oporność układu fizycznego w zakresie przenoszenia energii dostarczonej do tego układu.

Impedancja akustyczna – jest miara sprawności zmiany energii mechanicznej (drgających cząstek ośrodka) i wyrażane jest wzorem:

Z_ak=ρ*c c- prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej [m/s]

Impedancja akustyczna jest wielkością rzeczywista i zależy od właściwości osrodka (gestości) dlatego nazywamy ja często rezystancją akustyczna właściwa ośrodka (oporem akustycznym właściwym). Jednostką impedancji akustycznej właściwej jest [ kg*m²* s^-1] która nazywamy rejlem. Drgania akustyczne zdolne wytworzyć wrażenie słuchowe nazywamy dzwiekami.

Zakłócenie stanu równowagi w ośrodkach sprężystych jakimi są ciała stałe, ciecze i gazy prowadzi do zapoczątkowania lokalnych procesów deformujących i wyzwolenia pewnej porcji energii.

Energia:

• Pracy mechanicznej

• Ciepło

• Fale sprężyste (akustyczne) EA

Fale propagujące w układach sprężystych przyjeto nazywac falami dźwiękowymi lub sygnałem emisji akustycznej(sygnałem EA).

Ponieważ powstawanie sygnału emiski akustycznej jest zawsze związane z jego propagacją, teraminem emisja akustyczna (EA), okresla się zjawisko powstawania i propagacji fal sprężystychna skutek nagłego uwolnienia zmagazynowanej energii w pewnym punkcie badanego ośrodka.

Często używa się skrótu EA od ang terminu acoustic emission. Termin EA nie jest całkowicie ścisły, dotyczy bowiem sygnałów w szerokim paśmie częstotliwości, od infradźwięków do ultradźwięków w zakresie od 10Hz-50Hz.

Prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej jest zależna od właściwości sprężystych i gęstości ośrodka ( a więc od jego ciśnienia i temperatury). W przypadku, gdy ośrodek porusza się, fale dźwiękowe sa unoszone razem z jego cząsteczkami, a prędkość rozchodzenia się zależy od kierunku i prędkości unoszenia.

Zjawiska te zależą głównie od struktury ośrodka i jego niejednorodności oraz elementów znajdujących się w obszarze pola akustycznego.

Źródłem sygnału emisji akustycznej określa się miejsce lub element strukturalny emitujący EA.

Źródła sygnału emisji akustycznej można podzielić ze wzgl na procesy w nich zchodzące:

• Powstawanie mikropęknięć i ich rozwój (propagacja)

• Ruchy defektów sieci krystalicznej

• Przejścia jonowe i reakcje chemiczne

• Przejścia pomiędzy stanami energetycznymi w atomach

• Ruchy ośrodka i towarzyszące im tarcie

• Niektóre procesy biologiczne (np. zachodzące w tkankach żywych i organizmach)

Obecnie możliwy jest pomiar sygnału emisji akustycznej w b szerokim zakresie częstotliwości i dla różnych zródeł od ok. 0,1Hz do badan sejsmologicznych Az do 100 Hz dla emisji akustycznej w metalach i ceramikach

• Infradźwięki –obszar częstotliwości poniżej 16Hz

• Dźwięki słyszalne- (18 Hz-16kHz), gdzie granica słyszalności przyjęta umownie jako częstotliwość 16kHz (niekiedy przyjmuje się 20kHz)

• Ultradźwięki – powyżej 16kHz

Natężenie dźwięku [W/m²] – średni w czasie przepływ energii przez powierzchnię jednostkową prostopadła do kierunku propagacji fali.

Moc akustyczna źródła [W] – ilość energii jaka źródło dźwięku promieniuje w jednostce czasu.

Poziom natężenia dźwięku wyraża się w decybelach [dB]

Natężenie dźwięku jest wprost proporcjonalne do kwadratu amplitudy. Otrzymujemy:

Pomiary emisji akustycznej:

Sygnał emisji akustycznej propaguje do powierzchni badanego materiału, gdzie może być zarejestrowany.

W celu poprawnego zarejestrowania sygnału EA należy dobrać odpowiednie czynniki do charakteru źródła emisji akustycznej.Należy również zapewnić odpowiedni kontakt czynnika z danym materiałem. Bardzo duże znaczenie na rejestrowany sygnał ma aparatura wzmacniająca i zapisująca. Musi ona charakteryzować się odpowiednią czułością w pełnym zakresie częstotliwości i jednocześnie nie może wprowadzać własnych szumów do rejestrowanego sygnału.

W czasie pomiarów sygnałów EA należy również zadbać o to by wyeliminować szumy pochodzące z otoczenia.

Schemat blokowy zestawu do zapisu EA

Metody pomiaru emisji akustycznej:

1. Za pomocą mikrofonu

2. Kontaktowa

Procesy deformacyjne przebiegaja w skali mikro i makroskopowej, powodując w efekcie emisje sygnału akustycznego. W postaci ciągu impulsów o zmiennej wartości amplitudy sygnału. Od rodzaju procesu zachodzącego w ośrodku i jego kinetyki zależy struktura czasowa sygnałów emisji akustycznej.

W przypadku tak zwanej:

• Emisji dyskretnej – są to grupy pojedynczych impulsów o stosunkowo dużej amplitudzie, natomiast przy

• Emisji ciągłej – mamy do czynienia z ciągiem impulsów o zbliżonych, ale małych amplitudach, których czas trwania jest większy niż przerwy pomiędzy poszczególnymi impulsami.

Deskryptory emisji akustycznej:

• Suma zliczeń – suma zliczeń amplitud faz naprężeniowych przekraczających odpowiedni poziom dyskryminacji

• Tempo zliczeń – suma zliczeń w określonym czasie

• Suma zdarzeń – suma zdarzeń fizycznych

• Tempo zdarzeń – suma zdarzeń jednostce czasu

• RMS – skuteczna wartość napięcia sygnału

• Energia impulsu – definiowana jako (RMS)²

• Częstotliwość maksymalnej intensywności w widmie mocy

• Szerokość pasma częstotliwości sygnałów przekraczających wybrany poziom

• Energia w wybranych pasmach częstotliwości

Odcinek czasu zawierający grupę sygnału EA o charakterze tłumionej sinusoidy nazywamy zdarzeniem EA.

Zdarzenie powstające w odbiorniku EA w postaci sygnału elektrycznego na postać:

Zastosowanie EA w badaniach żywności:

Po raz pierwszy rola dźwięku przy ocenach jakości żywności była badana przez Drake (1963), który wykazał, że dźwięki wytwarzane przez kruszenie wielu środków spożywczych różniły się pod względem amplitudy, częstotliwości oraz cech czasowych.

Autor zasugerował, że dźwięk żucia oraz związane z nimi wibracje mogą być wykorzystane jako uzupełnienie innych metod oceny sensorycznej i mechanicznych właściwości żywności.

Na aktywność akustyczną produktu wpływają:

• Skład chemiczny

• Zawartość wody i aktywność wody

• Technologia wytwarzania

• Struktura

• Metoda i prędkość niszczenia.