Experimental Research of the Process of Acoustic Processing of Canvases of Super Thin Basalt Fiber

Elbakian A.G., Sentyakov B.A.

Abstract


The purpose of performing an experimental study of the process of acoustic processing of samples of canvases made from superthin basalt fiber obtained at an operating industrial plant that realizes the duplex technology of their production is to confirm the effect of reducing the content of non-fibrous inclusions in such canvases and to formulate recommendations for assigning parameters for acoustic processing. The problem of reducing the percentage of non-fibrous inclusions in canvas basalt fiber is quite urgent. Their presence reduces the quality of products, non-fibrous inclusions are capable of causing minor injuries on contact with canvases and they are subjects of environmental pollution. The causes of non-fibrous inclusions lie in the physical parameters of the technological process and the technical disadvantages of the equipment in the production of basalt fiber. However, even with the optimal adjustment of the production process, basalt fiber canvases contain a fairly large number of non-fibrous inclusions. Samples of canvases prepared for the experiment were obtained during the adjustment of equipment. Therefore, they contain substantially more non-fibrous inclusions than with the debugged technology of their production, which makes it possible to obtain a more visual effect from the impact on them by sound. A series of experiments with a large number of samples, identical in size and similar visually selected from one section of the web, made it possible to determine the rational frequency and level of the sound acting on them. The average weight of all non-fibrous inclusions dropped from each sample under the influence of a different frequency sound was determined, as well as the percentage of inclusions in the samples before and after the acoustic impact. The presented data give grounds to assert the usefulness of the effect of the acoustic field on the primary canvases already formed to reduce the content of non-fibrous inclusions therein.

Keywords


super thin basalt fiber; acoustic field; non-fibrous inclusions

Full Text

Теплоизоляционные материалы из базальтового волокна широко используются в машиностроении и других отраслях промышленности для тепло- и звукоизоляции различных обектов производства. Наличие в таких материалах неволокнистых включений ухудшает их качество, например, повышает теплопроводность, а также качество и безопасность труда рабочих, создающих на основе этих материалов изделия различной геометрической формы. О причинах образования неволокнистых включений в холстах из супертонкого базальтового волокна, получаемых по дуплексной технологии, известно из работы [1, с. 94]. Основной причиной их образования является нарушение технологического процесса, например, неконтролируемое изменение скорости и температуры газового потока, воздействующего на первичные нити расплавленного базальта. В этой же работе впервые были представлены сведения о возможности уменьшения концентрации неволокнистых включений в уже готовых изделиях из базальтового волокна путем воздействия на них акустическим полем. Данное иследование ставит перед собой цель подтвердить пользу и найти рациональные параметры процесса акустической обработки уже сформированных первичных холстов. На рис. 1 приведена схема экспериментальной установки для исследования воздействия акустического поля на образцы из супертонкого базальтового волокна. Источником звука является громкоговоритель 1 типа BD 93 с диффузором диаметром 120 мм, мощностью 40 Вт и рабочим диапазоном частоты создаваемых звуковых колебаний 38…18000 Гц. Громкоговоритель подключен к звуковому генератору типа Г3-33, обеспечивающему изменение частоты в звуковом диапазоне 20…20000 Гц с напряжением на выходе до 14 В. Для измерения массы образцов холстов из супертонкого базальтового волокна и массы выпадающих из них под действием звука неволокнистых включений использовались электронные лабораторные весы GH-252 с ценой деления 0,1 мг. Исследуемые образцы имели одинаковую толщину h и располагались на расстоянии z от громкоговорителя на решетке 4 из проволоки диаметром 2 мм с шагом 20 мм в одном направлении и 40 мм в другом. Опыты проводились следующим образом. Под воздействием звуковых колебаний 2 от нижней поверхности образца холста из базальтового волокна 3 действительно начинались отделяться неволокнистые включения 5. Рис. 1. Установка для акустической обработки образцов холста из базальтового волокна: 1 - источник звука; 2 - звуковая волна; 3 - базальтовый холст; 4 - решетка; 5 - неволокнистые включения; h - толщина холста; z - расстояние от источника звука до холста Первые, предварительные, эксперименты показали, что неволокнистые включения не выпадают из холста при воздействии звука в диапазоне частот 260 Гц … 20 кГц, а существенная реакция наблюдается лишь в диапазоне частот звука 40…160 Гц. Уровень звука при этом был равен 118 ± 2 дБ. Для дальнейших опытов было подготовлено шестьдесят пять образцов холстов из супертонкого базальтового волокна размерами 150×150×8…10 мм и плотностью 13,2…15,1 кг/м3. Все опыты были проведены за пять серий, когда каждые пять образцов подвергались воздействию звуком различной частоты - от 40 Гц через каждые 10 Гц до 160 Гц. Уровень звука при этом составлял 118 ± 2 дБ. В этих опытах замерялась общая масса всех выпавших под действием звука неволокнистых включений из каждого образца без дифференциации их по массе и форме. Результаты опытов представлены на рис. 2, из которого следует, что наибольшее количество неволокнистых включений по их общей массе отделяются от образцов холста под воздействием звука частотой 90 Гц. Следует отметить, что определенная в этих опытах общая масса выпавших неволокнистых включений не позволяет с уверенностью судить об оптимальных параметрах акустической обработки - частоте и уровне звука, при которых из холстов выпадает наибольшее количество включений, так как доля включений в разных образцах различная. Подготовить образцы холстов с одинаковым количеством содержащихся в них неволокнистых включений оказалось невозможным вследствие того, что процессы образования включений имеют случайный характер. Более строго об эффективности акустической обработке рассматриваемых изделий можно судить, если определить массовые доли неволокнистых включений, содержащихся в образцах до и после акустической обработки. Для этого введен показатель эффективности акустической обработки холстов из базальтового волокна - коэффициент уменьшения содержания неволокнистых включений в образце холста KНВ, определяемый отношением (1) где w0 и w1 - массовая доля неволокнистых включений в образце до и после обработки соответственно, %, которые, в свою очередь, определяются выражениями: (2) где m0 и m1 - соответственно, масса неволокнистых включений в образце до и после обработки; M0 и M1 - соответственно, масса образца до и после обработки. Значения m0, m1, M0, M1 получены при помощи электронных лабораторных весов GH-252 с ценой деления 0,1 мг. Для следующей серии опытов было подготовлено двадцать четыре образца размерами 150×150×8…10 мм и плотностью 13,2…15,1 кг/м3 с целью определения коэффициента уменьшения содержания неволокнистых включений в образце холста KНВ (формулы (1), (2)) при значениях частоты воздействующего звукового поля f = 70 Гц, f = 90 Гц и f = 100 Гц и уровня звука L = 100 дБ и L = 118 дБ соответственно. Результаты замеров m0, m1, M0, M1 и вычислений w0, w1 и m2 (масса выпавших неволокнистых включений из холста супертонкого базальтового волокна в процессе акустической обработки) представлены в табл. 1. Рис. 2. Зависимость общей массы всех выпадающих под действием звукового поля неволокнистых включений от частоты звука Таблица 1. Массовая доля неволокнистых включений (НВ) в холстах из супертонкого базальтового волокна до и после акустической обработки № опыта Масса холста до обработки M0, мг Масса выпавших НВ m2, мг Масса холста после обработки M1, мг Масса оставшихся НВ m1, мг Массовая доля НВ в холсте до обработки ω0, % Массовая доля НВ в холсте после обработки ω1, % Коэффициент уменьшения массовой доли НВ KНВ Среднее значение Частота звука 70 Гц, уровень 100 дБ, напряжение генератора U = 12 В, время воздействия t = 40 с 1 998,7 5,8 992,9 76,3 8,22 7,68 1,070 1,087 2 897,9 4,5 893,4 64,3 7,66 7,20 1,064 3 639,5 8,0 631,5 64,6 11,35 10,23 1,109 4 1501,6 22,9 1478,7 187,1 14,02 12,69 1,105 Частота звука 90 Гц, уровень 100 дБ, напряжение генератора U = 12 В, время воздействия t = 40 с 5 1126,2 14,6 1111,6 88,8 9,18 7,99 1,149 1,145 6 773,3 7,1 766,2 40,8 6,19 5,32 1,164 7 771,2 3,7 767,5 29,5 4,30 3,84 1,120 8 682,0 13,1 668,7 78,18 13,41 11,69 1,147 Частота звука 110 Гц, уровень 100 дБ, напряжение генератора U = 12 В, время воздействия t = 40 с 9 425,1 4,0 421,1 39,7 10,28 9,43 1,090 1,070 10 960,6 4,1 956,5 70,2 7,73 7,34 1,053 11 825,2 4,5 820,7 54,3 7,13 6,62 1,077 12 1037,2 4,3 1032,9 84,2 8,63 8,15 1,059 Окончание табл. 1 № опыта Масса холста до обработки M0, мг Масса выпавших НВ m2, мг Масса холста после обработки M1, мг Масса оставшихся НВ m1, мг Массовая доля НВ в холсте до обработки ω0, % Массовая доля НВ в холсте после обработки ω1, % Коэффициент уменьшения массовой доли НВ KНВ Среднее значение Частота звука 70 Гц, уровень 118 дБ, напряжение генератора U = 12 В, время воздействия t = 40 с 13 606,0 41,7 564,3 42,7 13,93 7,57 1,840 1,723 14 1045,8 73,4 972,4 86,4 15,28 8,89 1,719 15 434,7 24,3 410,4 37,8 14,29 9,21 1,552 16 448,5 34,59 413,91 37,2 16,00 8,99 1,780 Частота звука 90 Гц, уровень 118 дБ, напряжение генератора U = 12 В, время воздействия t = 40 с 17 582,9 42,4 540,5 29,8 12,39 5,5 2,253 2,368 18 996,9 44,3 952,3 53,6 9,82 5,63 1,744 19 704,9 37,7 667,2 32,2 9,92 4,83 2,054 20 482,7 85,1 397,6 27,0 23,22 6,79 3,42 Частота звука 110 Гц, уровень 118 дБ, напряжение генератора U = 12 В, время воздействия t = 40 с 21 805,1 40,3 764,8 29,8 8,71 3,90 2.233 1,850 22 545,2 16,4 528,8 22,3 7,10 4,22 1,682 23 648,3 26,8 621,5 33,3 9,27 5,36 1,729 24 697,1 40,6 656,5 47,0 12,57 7,16 1,756 Как видно из таблицы, масса выпавших из образцов под действием звука неволокнистых включений пропорциональна уровню звука L, так как показатель KНВ при уровне звука L = 118 дБ гораздо выше по сравнению с аналогичным показателем при уровне звука L = 110 дБ. Как и в предыдущих опытах, наблюдается наибольшее уменьшение содержания неволокнистых включений в образцах после акустической обработки звуком частотой 90 Гц, при этом массовая доля неволокнистых включений в холстах из базальтового волокна при уровне звука L = 118 дБ уменьшается в среднем в 2,4 раза. Для более четкого понимания практической пользы акустической обработки введем еще один показатель эффективности НВ% - процент массовой доли неволокнистых включений, выпавших в процессе обработки, от массы всех включений, содержащихся в образце до обработки: (3) где m1 - масса неволокнистых включений в образце, оставшихся после обработки; m2 - масса неволокнистых включений, выпавших при обработке. Используя известные формулы (4)-(8) обработки результатов и определения погрешности [2, с. 11] и формулу (3), вычислим пределы показателя НВ% при каждом из шести сочетаний (f = 70 Гц и L = 110 дБ; f = 79 Гц и L = 110 дБ; f = 110 Гц и L = 110 дБ; f = 70 Гц и L = 118 дБ; f = 90 Гц и L = 118 дБ; f = 110 Гц и L = 118 дБ) выходных параметров звукового поля, представленных в табл. 1: (4) где <НВ%> - среднее арифметическое значение процента массовой доли неволокнистых включений, выпавших в процессе обработки, от массы всех включений, содержащихся в образце до обработки; - сумма значений всех опытов; n - число опытов; (5) где - отклонение значения каждого опыта от среднего; (6) где S<НВ%> - доверительный интервал; (7) где - отклонение; t - коэффициент Стьюдента (3,2 для надежности p = 0,95), то есть то, во сколько раз нужно увеличить стандартный доверительный интервал, чтобы при определенном числе испытаний n получить надежность p: (8) Результаты вычислений занесем в табл. 2. Таблица 2. Процент массовой доли выпавших неволокнистых включений НВ% в процессе акустической обработки холстов из базальтового волокна № опыта Уровень звука L, дБ Частота вуковой волны f, Гц НВ%, % 1, 2, 3, 4 100 70 5…12 5, 6, 7, 8 100 90 11…16 9, 10, 11, 12, 110 110 3,5…10 13, 14, 15, 16 118 70 38…53 17, 18, 19, 20 118 90 38…79 21, 22, 23, 24 118 110 37…58 Большой разброс показателя НВ% объясняется неоднородностью разных образцов: невозможно подобрать два образца даже с примерным одинаковым содержанием количества или массовой доли неволокнистых включений. Однако просматривается некоторая закономерность. Как видно из табл. 2, массовая доля выпавших неволокнистых включений НВ% в процессе акустической обработки от всей массы неволокнистых включений, которые содержались в образце до обработки, пропорциональна уровню звука L. А максимум показателя НВ% в зависимости от частоты воздействующего приходится на f = 90 Гц, при которой при уровне звука L = 118 дБ доля выпавших включений может достигать до 80 %. Таким образом, в результате экспериментального исследования процесса акустической обработки подтверждена возможность практического ее использования в целях уменьшения содержания неволокнистых включений в первичных холстах из супертонкого базальтового волокна и улучшения условий труда людей, работающих с ними, и предложены следующие рекомендации для дальнейшего изучения явления выпадения неволокнистых включений под действием звука и назначения рациональных параметров процесса акустической обработки при его внедрении в производство: - при практическом использовании следует исследовать распределение звукового поля в удаленности от источника звука, а также учесть необходимое время обработки, которое, в свою очередь, будет зависеть от создаваемого уровня звука в точке взаимодействия звукового поля с первичным холстом; - явление отделения неволокнистых включений от холста из базальтового волокна под действием звука может быть объяснимо возникновением физического резонанса, когда частота звукового воздействия совпадает с собственной частотой колебания неволокнистых включений. Однако массы отдельных выпавших включений на определенной частоте сильно разнятся между собой, поэтому для точной оценки данного явления следует дополнительно изучить колебательные свойства этих частиц; - эффективность акустической обработки будет наибольшей при частоте воздействующего звука 90 Гц; - при конструировании оборудования для акустической обработки необходимо обеспечить возможность регулировки расстояния от источника звука до поверхности образца в пределах расстояния, которое обеспечит уровень звука в точке взаимодействия на уровне не ниже 118 дБ; - скорость движения конвейера и количество громкоговорителей должны быть выбраны так, чтобы поверхность образца была подвержена воздействию звука в течение 20-40 с.

Galleys

PDF (Русский)
References References

Сентяков Б. А., Тимофеев Л. В. Технология производства теплоизоляционных материалов на основе базальтового волокна. - Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2004. - 232 с.

Ахматов А. С. Лабораторный практикум по физике. - М. : Высш. шк., 1980. - 360 с.




DOI: http://dx.doi.org/10.22213/2413-1172-2017-2-68-71

Article Metrics

Metrics Loading ...

Metrics powered by PLOS ALM


Copyright (c) 2017 Bulletin of Kalashnikov ISTU

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.


ISSN 1813-7903 (Print)
ISSN 2413-1172 (Online)