Концентраторы и волноводы ультразвуковых колебаний. Расчет концентраторов для установок ультразвуковой микросварки. Расчет искусственной освещенности

РАБОТА № 3

Цель работы:

определение оптимальной формы и проведения расчетов параметров и геометрических размеров волноводов - концентраторов для ультразвуковой обработки материалов.

Теоретические положения

Марка материала	Диаметр входного торца волновода D (мм)	Диаметр выходного торца волновода d (мм)	Резонансная длинна L	Узловая плоскость Х 0	Коэффициент усиления К у	Резонансная частота (КГц)

Практическая часть:

Расчет ступенчатого волновода:

f - резонансная частота.

V - скорость звука.

X 0 = L/2; X 0 - положение узловой плоскости - место крепления волновода

K у = N 2 = (D/d) 2 , где D и d диаметр входного и выходного торцов волновода

Сталь: V= 5100

Титан: V= 5072

Решение:

L 1 = 5200/2*27=5100/54=94,4 (мм)

L 2 =5200/54=96,2 (мм)

L 3 =5072/54=93,9 (мм)

X 01 =94.4/2 =47,2 (мм)

X 02 =96,2/2 =48,1 (мм)

X 03 =93,9/2=46,9 (мм)

К у =(1,2) 2 =1,4

Вывод:

В данной работе мы ознакомились с ультразвуковым концентратором со ступенчатым волноводом. Сделали расчет волновода решением дифференциального уравнения,описывающего колебательный процесс при условии,что колебания носят гармонический характер. В процессе работ были найдены диаметры входного и выходного торцов волновода. От его диаметров зависит коэффициент усиления сигнала.

Работа №4

Волноводы – концентраторы - передатчики механической энергии ультразвуковой частоты в зону обработки материалов

Цель работы:

определение оптимальной формы и проведения расчетов параметров и геометрических размеров волноводов- концентраторов для ультразвуковой обработки материалов.

Теоретические положения

Ввод энергии ультразвуковых колебаний в обрабатываемый материал осуществляется комплексом волновод-инструмент. Механизмы взаимодействия с материалом рассматривается ниже, в следующем разделе. В настоящем разделе рассмотрены типовые методики расчета наиболее распространенных форм волноводов и разновидности инструментов, используемых при обработки сварных соединений.

Из ряда параметров, характеризующих свойство волноводов, важнейшими являются колебательная скорость, напряжение и мощность,которые инструмент способен передать в зону обработки. По упрощенной схеме, при заданном значении амплитуды колебательной скорости, расчет волновода сводится к определению его резонансной длинны, входной и выходной площади, и места его крепления.

Формула для расчета волноводов из решений дифференциального уравнения, описывающего колебательный процесс при условии, что колебания носят гармонический характер, фронт волны является плоским и распространяется волна только вдоль оси волновода без потерь.

Лабораторное оборудование и инструменты

При выполнении лабораторного практикума для ознакомления с оборудованием и более полного понимания принципа работы ультразвукового комплекта студентами, на стендах лаборатории имеется широкий выбор разнообразных волноводов (концентраторов), применяющихся с преобразователями различной формы и мощности.

Имеющиеся волноводы представляют группу из 4х наиболее распространенных форм и изготовлены из акустически проницаемых и обладающих необходимыми прочностными характеристиками материалов.

Для удобства восприятия материала, волноводы выполнены с закрепленным на нем рабочим инструментом - наконечником и без него.

Практическая часть:

Расчет конического волновода

L= λ /2 * kl/ , где kl- корни уравнения

tgkl = kl/1 + (kl) 2 N(1-N) 2

2П / λ = k – волновое число

X 0 = 1/k * arctg(kl/a), где a = 1/N-1

K у = √1+ (2П * 1/λ) 2

Решение:

l = 94, 4; λ = 94, 4 * 2= 188, 8

K = 2 * 3, 14 / 188, 8 = 0, 03

Kl = 0, 03 * 94, 4 = 2, 8

tgkl = 2,8 / 1+ (2,8) 2 * 1,2(1-1,2) 2 = 2

а = 1/1,2-1 = 5

Х 0 = 1/0,03 * arctg (2,8/5) = 0,3

К у = √1 + (2*3,14* 1/188,8) 2 = 1

Вывод:

В данной работе мы ознакомились с ультразвуковым концентратором с коническим волноводом. Сделали расчет волновода решением дифференциального уравнения, описывающего колебательный процесс при условии, что колебания носят гармонический характер. В процессе работ были найдены диаметры входного и выходного торцов волновода. От его диаметров зависит коэффициент усиления сигнала.

Данные волноводы широко используются для обработки металлических конструкций в местах сварных соединений, поэтому очень важно правильно рассчитать параметры инструмента для передачи нужной частоты сигнала.

Для передачи ультразвуковых колебаний от преобразователя на рабочий инструмент или в рабочую среду в ультразвуковых установках применяют концентраторы и волноводы; последние имеют постоянную площадь поперечного сечения и цилиндрическую форму.

Волноводы применяют, когда нет необходимости в усилении амплитуды колебаний преобразователя. Концентраторы являются трансформаторами скорости; они имеют переменную площадь поперечного сечения чаще цилиндрической формы. Благодаря такому сечению они преобразуют ультразвуковые колебания малой амплитуды, сообщаемые преобразователем и сосредоточенные на его входном торце, в колебания большей амплитуды выходного торца. Последние сообщаются рабочему органу (инструменту) ультразвуковой установки. Усиление амплитуды происходит из-за разницы площадей входного и выходного торцов концентратора - площадь первого (входного) торца концентратора всегда больше площади второго.

Волноводы и концентраторы должны быть резонансными, т. е. их длина должна быть кратна целому числу полуволн (λ/2). При этом условии создаются наилучшие возможности для согласования их с источником питания, колебательной системой в целом и присоединяемой к ним массой (рабочим инструментом).

Рис. 14. Концентраторы полуволновой длины

В ультразвуковых технологических установках наибольшее применение имеют концентраторы экспоненциальной (рис. 14, а), конической (рис. 14, б) и ступенчатой форм. Последние выполняют с фланцем (рис. 14, в) или без него (рис. 14, г). Встречаются и конические концентраторы с фланцем (например, в преобразователе типа ПМС-15А-18), а также комбинированные концентраторы, у которых ступени выполняют разной формы.

Концентраторы и волноводы могут быть неотъемлемой частью колебательной системы или сменным ее элементом. В первом случае они припаиваются непосредственно к преобразователю. Сменные концентраторы соединяют с колебательной системой (например, с переходным фланцем) посредством резьбы.

У концентраторов площадь поперечного сечения изменяется по определенной закономерности. Основной характеристикой их является теоретический коэффициент усиления К, показывающий, во сколько раз амплитуда колебаний его выходного торца больше амплитуды на входном торце. Этот коэффициент зависит от соотношения N диаметров входного D1 и выходного D2 торцов концентратора: N=D1/D2.

Наибольший коэффициент усиления амплитуды при одном и том же значении N обеспечивается ступенчатым концентратором. У него К=N2. Этим объясняется широкое применение концентраторов ступенчатого типа в различных ультразвуковых установках. Кроме того, эти концентраторы проще других в изготовлении, что подчас является важнейшим условием для успешного применения ультразвуковой обработки . Расчет ступенчатого концентратора гораздо проще, чем концентраторов других типов.

Значение коэффициента усиления амплитуды ступенчатого концентратора принимают с учетом предотвращения возможности возникновения боковых колебаний, что наблюдается при больших коэффициентах усиления (К>8...10), а также его прочностных данных. На практике коэффициент усиления у ступенчатого концентратора принимают равным от четырех до шести.

Резонансную длину ступенчатого концентратора lр определяют из выражения lр=а/2=С/2f, где X - длина волны в стержне постоянного сечения, см; С - скорость продольных волн (для стали С=5100 м/с); f - резонансная частота, Гц.

При монтаже проволочных выводов в СПП для силовой электроники в основном применяется УЗС. Основными параметрами процесса при этом методе микросварки являются: амплитуда колебаний рабочего торца инструмента, которая зависит от электрической мощности преобразователя и конструктивного исполнения колебательной системы; усилие сжатия свариваемых элементов; длительность включения ультразвуковых колебаний (время сварки).

Сущность метода УЗС заключается в возникновении трения на поверхности раздела соединяемыми элементами, в результате чего происходит разрушение оксидных и адсорбированных пленок, образование физического контакта и развитие очагов схватывания между соединяемыми деталями.

Ультразвуковой концентратор является одним из основных элементов колебательных систем микросварочных установок. Концентраторы выполняются в виде стержневых систем с плавно меняющимся сечением, т. к. площадь излучения преобразователя всегда значительно больше площади сварного соединения. Большим, входным, сечением концентратор присоединяется к преобразователю, а к меньшему, выходному, сечению крепится ультразвуковой инструмент. Назначение концентратора – это передача ультразвуковых колебаний от преобразователя в ультразвуковой инструмент с наименьшими потерями и наибольшей эффективностью.

В ультразвуковой технике известно большое количество типов концентраторов. Наибольшее распространение получили следующие: ступенчатый, экспоненциальный, конический, катеноидальный и концентратор типа «цилиндр-катеноида». В колебательных системах установок часто используются конические концентраторы. Это объясняется тем, что они просты в расчете и изготовлении. Однако из пяти вышеперечисленных концентраторов конический обладает наибольшими потерями из-за внутреннего трения, рассеивает наибольшую мощность, а следовательно, больше нагревается. Наилучшей устойчивостью обладают концентраторы с наименьшим значением отношения входного и выходного диаметров для одинакового коэффициента усиления K y . Желательно также, чтобы "полуволновая" длина его была наименьшей. Для целей микросварки обычно применяют концентраторы с 2

Материал концентратора должен обладать высокой усталостной прочностью, малыми потерями, хорошо паяться твердыми припоями, легко обрабатываться и быть сравнительно недорогим.

Расчет ультразвукового концентратора сводится к определению его длины, входных и выходных сечений, формы профиля его боковых поверхностей. При расчете вводят следующие допущения: а) вдоль концентратора распространяется плоская волна; б) колебания носят гармонический характер; в) концентратор колеблется только вдоль осевой линии; г) механические потери в концентраторе невелики и линейно зависят от амплитуды колебаний (деформации).

Теоретический коэффициент усиления К у амплитуды колебаний экспоненциального концентратора определяется из выражения

где D 0 и D 1 – соответственно диаметры входного и выходного сечений концентратора, мм; N – отношение диаметра входного сечения концентратора к выходному.

Длина концентратора рассчитывается по формуле

(2)

где с – скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале концентратора, мм/с; f – рабочая частота, Гц.

Положение узловой плоскости х 0 (места крепления волновода) выражается соотношением

(3)

Форма образующей профиля катеноидальной части концентратора рассчитывается по уравнению

(4)

где – коэффициент формы образующей; х – текущая координата по длине концентратора, мм.

В данной работе разработана компьютерная программа для расчета параметров пяти типов ультразвуковых концентраторов: экспоненциального, ступенчатого, конического, катеноидального и концентратора «цилиндр-катеноида», реализованная на языке Паскаль (компилятор Turbo-Pascal-8.0). Исходными данными для расчетов являются: диаметры входного и выходного сечений (D 0 и D 1 ), рабочая частота (f ) и скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале концентратора (с). Программа позволяет рассчитать длину, положение узловой плоскости, коэффициент усиления, а также для экспоненциального, катеноидального и концентратора «цилиндр-катеноида» форму образующей с заданным шагом. Структурная схема алгоритма для расчета экспоненциального концентратора представлена на рис. 6.9.

Пример расчета. Рассчитать параметры полуволнового экспоненциального концентратора, если заданы рабочая частота f = 66 кГц; диаметр входного сечения D 0 = 18 мм, выходного D 1 =6 мм; материал концентратора – сталь 30ХГСА (скорость ультразвука в материале с = 5,2·10 6 мм/с).

По формуле (1) определяем коэффициент усиления концентратора .

Рис. 6.9. Структурная схема алгоритма расчета экспоненциального концентратора

В соответствии с выражениями (2) и (3) длина концентратора , положение узловой плоскости мм.

Уравнение (4) для расчета формы профиля концентратора приобретает после подстановок следующий вид:

Расчеты с помощью компьютерной программы профиля образующей экспоненциального концентратора с шагом по параметру х , равным 5 мм, приведены в табл. 6.1. По данным табл. 6.1 конструируется профиль концентратора.

Табл. 6.1. Данные расчета профиля концентратора

х, мм
D х, мм		15,7	13,8		10,6	9,3	8,2	7,2	6,3

В табл. 6.2 приведены результаты расчетов параметров различных типов ультразвуковых концентраторов из стали 30ХГСА (при D 0 = 18 мм; D 1 = 6 мм; f = 66 кГц).

Табл. 6.2. Параметры УЗ концентраторов

* l 1 и l 2 – соответственно длина цилиндрической и катеноидальной части концентратора.

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к конструкциям ультразвуковых колебательных систем. Техническим результатом изобретения является увеличение амплитуды колебаний при одновременном снижении потребляемой энергии, уменьшение габаритных размеров и массы. Ультразвуковая колебательная система выполнена из расположенных на формирующей колебания поверхности концентратора пакетов пьезоэлектрических элементов. На пакетах пьезоэлементов расположены отражающие накладки, поверхность которых, противоположная к пьезоэлементам, выполнена плоской или ступенчато переменной по диаметру. Концентратор имеет узел крепления и оканчивается поверхностью с рабочим инструментом. Формирующая и излучающая поверхности концентратора имеют в сечении прямоугольную форму одинаковой длины, а отношение их поперечных размеров выбирается из условия обеспечения заданного коэффициента усиления концентратора. Суммарная длина отражающей накладки, пакета пьезоэлементов и участка концентратора до узла крепления равна шестой части длины волны ультразвуковых колебаний. Длина участка концентратора, на котором осуществляется плавный радиальный переход и участка с поперечным размером, соответствующим излучающей поверхности, равны шестой части длины волны ультразвуковых колебаний. 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2284228

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к конструкциям ультразвуковых колебательных систем, и может быть использовано в технологических аппаратах, предназначенных для обработки больших объемов жидких и жидкодисперсных сред, обеспечения воздействия на большую поверхность ультразвуковыми колебаниями высокой амплитуды, например, в проточных аппаратах или при реализации прессовой шовно-шаговой сварки (формирования герметизирующих швов большой протяженности).

В состав любого ультразвукового технологического аппарата входят источник электрических колебаний высокой частоты (электронный генератор) и ультразвуковая колебательная система.

Ультразвуковая колебательная система состоит из пьезоэлектрического преобразователя и концентратора с рабочим инструментом. В ультразвуковом преобразователе колебательной системы происходит преобразование энергии электрических колебаний в энергию упругих колебаний ультразвуковой частоты. Концентратор выполнен в виде объемной фигуры переменного сечения из металла, в которой отношение площадей поверхностей, контактирующих с преобразователем и оканчивающихся рабочим инструментом (излучающей УЗ-колебания), определяет необходимый коэффициент усиления.

Известны ультразвуковые колебательные системы, имеющие большие площади излучающей поверхности . Все известные колебательные системы выполнены по конструктивной схеме, объединяющей пьезоэлектрические или магнитострикционные полуволновые преобразователи и резонансные (кратные половине длины волны ультразвуковых колебаний) концентраторы ультразвуковых колебаний. Их продольный размер соответствует длине волны ультразвуковых колебаний, а поперечный размер превышает половину длины ультразвуковых колебаний в материале концентратора.

Недостатком аналогов является сложное распределение амплитуды колебаний на излучающей поверхности за счет коэффициента Пуассона материала концентратора, что не позволяет обеспечить одинаковое ультразвуковое воздействие вдоль всей излучающей поверхности, например, при получении качественного протяженного шва.

Наиболее близким, по технической сущности, к предлагаемому техническому решению является ультразвуковая колебательная система по патенту США 4363992 , принятая за прототип.

Ультразвуковая колебательная система состоит из нескольких полуволновых пьезоэлектрических преобразователей, установленных на одной из поверхностей (формирующей УЗ-колебания) концентратора, оканчивающегося рабочим окончанием (инструментом) определенной формы и размера. Преобразователи выполнены в виде последовательно установленных и акустически связанных между собой тыльной частотно-понижающей накладки, пакета из четного числа кольцевых пьезоэлектрических элементов и частотно-понижающей излучающей накладки. Излучающая поверхность преобразователя акустически связана с формирующей УЗ-колебания поверхностью концентратора. Продольный размер концентратора соответствует половине длины волны УЗ-колебаний в материале концентратора. Концентратор выполнен в виде объемной фигуры переменного сечения из металла, в котором отношение площадей поверхностей, контактирующих с преобразователями (формирующей УЗ-колебания) и оканчивающихся рабочим инструментом (излучающей УЗ-колебания), определяет необходимый коэффициент усиления.

Концентратор имеет сквозные пазы, позволяющие исключить неравномерность распределения амплитуды колебаний вдоль излучающей поверхности концентратора (т.е. исключить деформацию концентратора, перпендикулярную направлению действия силы). Это позволяет обеспечить одинаковое ультразвуковое воздействие вдоль всей излучающей поверхности.

Прототип позволяет частично устранить недостатки известных колебательных систем, однако обладает следующими общими существенными недостатками.

1. Известная ультразвуковая колебательная система, состоящая из ультразвуковых преобразователей и концентратора, является резонансной системой. При совпадении резонансных частот преобразователей и концентратора обеспечивается максимальная амплитуда ультразвуковых колебаний рабочего инструмента и, соответственно, максимальный ввод энергии в обрабатываемые среды. При реализации технологических процессов рабочий инструмент и часть концентратора погружаются в различные технологические среды или подвергаются статическому давлению на излучающую поверхность. Влияние различных технологических сред или внешнего давления эквивалентно появлению дополнительной присоединенной массы к излучающей поверхности концентратора и приводит к изменению собственной резонансной частоты концентратора и всей колебательной системы в целом. При этом нарушается оптимальное частотное согласование преобразователя и концентратора. Рассогласование ультразвукового преобразователя и концентратора приводит к уменьшению амплитуды колебаний излучающей поверхности (рабочего инструмента) и уменьшению вводимой в среды энергии.

Для устранения этого недостатка при проектировании и изготовлении колебательных систем осуществляют предварительное рассогласование преобразователя и концентратора по резонансной частоте так, чтобы при появлении нагрузки и понижении собственной частоты концентратора она соответствовала собственной частоте преобразователя и обеспечивался максимальный ввод энергии. Это существенно ограничивает области применения такой ультразвуковой колебательной системы и является недостаточным, поскольку в большинстве реализуемых технологических процессов происходит изменение величины присоединенной массы (например, переход от водной или масляной сред к их эмульсии, возникновение и развитие кавитационного процесса, приводящего к образованию облака парогазовых пузырьков и снижающих присоединенную массу в любой жидкой среде) в ходе реализации самого процесса, что приводит к снижению эффективности ввода ультразвуковых колебаний.

2. Проблема оптимального согласования преобразователя и концентратора по частоте усугубляется необходимостью согласования волновых сопротивлений жидких и жидкодисперсных сред с твердыми пьезокерамическими материалами преобразователей. Для оптимального согласования коэффициент усиления концентратора должен составлять 10-15 . Столь высокие коэффициенты усиления можно получить только ступенчатыми концентраторами, но они, при таких коэффициентах усиления, усугубляют зависимость собственной резонансной частоты от нагрузки, требуют малого по размеру выходного сечения при значительной длине (соответствующей четверти длины волны ультразвуковых колебаний в материале концентратора), что приводит к уменьшению излучающей поверхности, потере динамической устойчивости и появлению изгибных колебаний. По этой причине используемые на практике колебательные системы имеют коэффициент усиления не более 3...5, что делает их непригодными для обеспечения высокоинтенсивных ультразвуковых воздействий на различные технологические среды.

Кроме основных недостатков, обусловленных применяемой конструктивной схемой построения колебательных систем, прототип имеет несколько недостатков, обусловленных технологическими и эксплуатационными особенностями их изготовления и применения.

1. Ультразвуковая колебательная система с двумя и более пьезоэлектрическими преобразователями (диаметром до 40...50 мм) может иметь длину излучающей поверхности более 200...250 мм при ширине более 5 мм. В этом случае собственные резонансные частоты пьезоэлектрических преобразователей отличаются, что обусловлено допустимыми по нормативной и конструкторской документации различиями в электрических и геометрических параметрах пьезоэлектрических элементов, частотно-понижающих накладок, различиях в усилиях сжатия при сборке преобразователя и т.п. При этом возбуждение механических колебаний резонансного концентратора осуществляется преобразователями с различными рабочими частотами, некоторые из которых не совпадают с резонансной частотой концентратора. Особенно трудно осуществить согласование в колебательной системе с несколькими разными по частоте преобразователями и ступенчатым концентратором, имеющим максимальный коэффициент усиления. Поскольку при этом снижается эффективность ультразвукового воздействия, даже по сравнению с колебательной системой такого же размера, но с одним преобразователем.

2. Невозможность выполнения сложнопрофильной излучающей поверхности (например, для одновременного формирования двух сварных швов и разрезки материала между ними), так как в этом случае каждый продольный размер обуславливает собственную резонансную частоту концентратора, которая не соответствует резонансной частоте преобразователей (эффективно осуществляется только одна из операций - формирование шва или резка материала).

3. Невозможность создания ультразвуковых колебательных систем с расширенной полосой пропускания, по сравнению с резонансными системами.

4. Двухполуволновая колебательная система с рабочей частотой 22 кГц имеет продольный размер не менее 250 мм и при длине излучающей поверхности в 350 мм весит не менее 10 кг. При этом крепление колебательной системы осуществляется на участке минимальных колебаний: либо в центре преобразователя, либо в центре концентратора. Такое крепление приводит к низкой механической устойчивости и невозможности обеспечения точности воздействия. Оптимальное крепление в центре масс обеспечивать невозможно из-за больших амплитуд механических колебаний и неизбежного демпфирования колебательной системы.

Выявленные недостатки прототипа обуславливают его недостаточную эффективность, ограничивают функциональные возможности, что делает его непригодным для использования в высокопроизводительных, автоматизированных производствах.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков существующих колебательных систем и создание новой колебательной системы, способной обеспечить излучение ультразвуковых колебаний с равномерным распределением амплитуды вдоль излучающей поверхности концентратора (рабочего инструмента) с максимальной эффективностью при всех возможных нагрузках и изменениях свойств обрабатываемых сред и параметров колебательной системы, т.е., в конечном счете, обеспечить повышение производительности процессов, связанных с ультразвуковым воздействием при одновременном снижении потребляемой энергии.

Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что ультразвуковая колебательная система, содержащая пьезоэлектрические элементы и концентратор, выполнена из параллельно расположенных на формирующей ультразвуковые колебания поверхности концентратора и акустически связанных с ней пакетов из четного количества последовательно установленных пьезоэлектрических элементов. На пакетах пьезоэлементов расположены акустически связанные с пьезоэлектрическими элементами отражающие накладки. Противоположная контактирующей с пьезоэлементами поверхность выполнена плоской или ступенчато переменной по диаметру, а размеры и количество ступенек выбраны из условия получения заданной полосы пропускания. Концентратор имеет узел крепления и оканчивается излучающей ультразвуковые колебания поверхностью с рабочим инструментом. Формирующая и излучающая поверхности концентратора имеют в сечении прямоугольную форму одинаковой длины, а отношение их поперечных размеров выбирается из условия обеспечения заданного коэффициента усиления концентратора. Суммарная длина отражающей накладки, пакета пьезоэлементов и участка концентратора до узла крепления равна шестой части длины волны ультразвуковых колебаний в материале концентратора. Размеры участка концентратора, на котором осуществляется плавный переход, и участка с поперечным размером, соответствующим излучающей поверхности, равны шестой части длины волны ультразвуковых колебаний в материале концентратора, причем плавный переход выполнен радиальным, а его размеры выбраны из условия:

Проведенный анализ возможных конструктивных схем построения колебательных систем позволил установить, что большая часть принципиальных ограничений, присущих двухполуволновой конструктивной схеме колебательной системы, может быть устранена применением колебательных систем, объединяющих в полуволновой конструктивной схеме пьезоэлектрический преобразователь и концентратор с высоким коэффициентом усиления и любым по размерам рабочим инструментом.

Выполненная по полуволновой конструктивной схеме колебательная система представляет собой единую резонансную колебательную систему и все изменения ее параметров приводят только к рассогласованию с электронным генератором. Отсутствие практических конструкций таких колебательных систем обусловлено невозможностью их реализации на основе использующихся, до последнего времени, магнитострикционных преобразователей и сложности практической реализации на основе современных пьезокерамических элементов из-за необходимости их размещения в максимуме механических напряжений, а также из-за отсутствия электронных генераторов, способных обеспечить оптимальные режимы питания такой колебательной системы при всех возможных изменениях ее резонансной частоты (до 3...5 кГц).

Предлагаемое техническое решение поясняется фиг.1, на которой схематично представлена ультразвуковая колебательная система, содержащая пьезоэлектрические элементы 1, отражающие резонансные накладки 2 и концентратор 3. Конструктивно колебательная система выполнена из параллельно расположенных на формирующей ультразвуковые колебания поверхности 4 концентратора 3, и акустически связанных с ней пакетов из четного количества последовательно установленных пьезоэлектрических элементов 1 (на фиг.1 показана колебательная система с двумя пакетами пьезоэлементов). На каждом из пакетов, состоящих из четного числа пьезоэлементов (обычно двух или четырех), расположены акустически связанные с ними отражающие накладки 2, противоположная контактирующей с пьезоэлементами поверхность которых выполнена плоской 5 или ступенчато переменной по длине 6, а размеры и количество ступенек 7 выбраны из условия получения заданной полосы пропускания. Концентратор 3 имеет узел крепления 8 и оканчивается излучающей ультразвуковые колебания поверхностью 9 с рабочим инструментом 10. Формирующая 4 и излучающая 9 поверхности концентратора имеют прямоугольную форму одинаковой длины L, а отношение их поперечных размеров D 1 , D 2 выбирается из условия обеспечения заданного коэффициента усиления концентратора. Суммарная длина отражающей накладки 2, пакета пьезоэлементов 1 и участка концентратора до узла крепления равна шестой части длины волны ультразвуковых колебаний в материале концентратора. Размеры участка концентратора, на котором осуществляется плавный переход, и участка с поперечным размером, соответствующим излучающей поверхности, соответствуют шестой части длины волны ультразвуковых колебаний в материале концентратора, причем плавный переход выполнен радиальным, а его размеры выбраны из условия:

где L z - длина плавного перехода; D 1 , D 2 - поперечные размеры формирующей и излучающей поверхности концентратора.

Ультразвуковая колебательная система работает следующим образом.

При подаче электрического питающего напряжения от генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты (на фиг.1 не показан), соответствующей собственной частоте колебательной системы, на электроды пьезоэлектрических элементов 1, происходит преобразование энергии электрических колебаний в ультразвуковые механические колебания за счет пьезоэлектрического эффекта. Эти колебания распространяются в противоположные стороны и отражаются от граничных поверхностей отражающей накладки и концентратора (рабочего инструмента). Поскольку вся длина колебательной системы соответствует резонансному размеру (половине длины волны ультразвуковых колебаний) - происходит выделение механических колебаний на собственной резонансной частоте колебательной системы. Наличие ступенчато-радиального концентратора позволяет увеличить амплитуду колебаний излучающей поверхности, по сравнению с амплитудой колебаний, на противоположной контактирующей с пьезоэлементами поверхности отражающей накладки. Величина амплитуды колебаний на излучающей поверхности зависит от коэффициента усиления концентратора, определяемого как квадрат отношения площадей формирующей и излучающей поверхностей концентратора, имеющих в сечении прямоугольную форму одинаковой длины.

Узел крепления 8 концентратора 3 (фиг.1) расположен на участке, близком к узлу минимальных механических ультразвуковых колебаний, что обеспечивает минимальное демпфирование ультразвуковой колебательной системы, т.е. максимальную амплитуду колебаний излучающей поверхности и отсутствие колебаний на узлах крепления колебательной системы в технологические линии.

В связи с тем, что получение аналитических соотношений геометрических размеров для практических расчетов при конструировании колебательных систем затруднено из-за отсутствия ряда точных данных о распространении ультразвуковых колебаний в телах переменного сечения из чередующихся различных материалов, при выборе параметров колебательной системы использованы результаты численного моделирования, совместно с графическими зависимостями практического исследования колебательных систем с различными соотношениями поперечных размеров формирующей и излучающей поверхностей концентратора D 1 , D 2 и различными по длине участками колебательной системы . Экспериментальные исследования позволили установить, что максимальный коэффициент электромеханического преобразования обеспечивается при условии смещения пьезоэлектрических элементов от участка минимальных колебаний (максимальных механических напряжений) таким образом, что суммарная длина отражающей накладки, пакета пьезоэлементов и участка концентратора до узла крепления равна шестой части длины волны ультразвуковых колебаний в материале концентратора. Выбор размера участка концентратора, на котором осуществляется плавный переход равным шестой части длины волны ультразвуковых колебаний в материале концентратора и его формы, по приведенной формуле, обеспечивает необходимый коэффициент усиления и минимальные механические напряжения на границе перехода между участком плавного перехода и участком с поперечным размером, соответствующим излучающей поверхности. Результаты экспериментальных исследований колебательных систем с различными соотношениями поперечных размеров формирующей и излучающей поверхностей концентратора D 1 , D 2 представлены на фиг.2 а, 6, в, где показаны графики зависимости основных параметров колебательной системы: изменение собственной резонансной частоты f(a), коэффициента усиления М р (б), и максимальных механических напряжений max (в) от радиуса плавного перехода. Из полученных зависимостей установлено, что при любых соотношениях поперечных размеров формирующей и излучающей поверхности концентратора D 1 , D 2 минимальное влияние на собственную резонансную частоту происходит при

При этом коэффициент усиления приближается к максимально возможному, и обеспечивается значительное снижение механических напряжений в зоне размещения пьезоэлементов.

Проведенные экспериментальные исследования позволили подтвердить правильность полученных результатов и разработать практические конструкции колебательных систем при различных соотношениях поперечных размеров формирующей и излучающей поверхности концентратора D 1 , D 2 .

Так, в колебательной системе при поперечном размере излучающей поверхности равном D 2 =10 мм и при поперечном размере формирующей колебания поверхности D 1 , равном 38 мм (т.е. при использовании наиболее широко применяемых кольцевых пьезоэлементов внешним диаметром 38 мм), разработанная колебательная система обеспечит усиление ультразвуковых колебаний, выработанных пьезоэлементами, не менее чем в 11 раз (см. фиг.2).

Аналогичные результаты получены и для других значений D 2 .

Так, при использовании кольцевых пьезоэлементов с внешним диаметром 50 мм в предложенной колебательной системе и обеспечении коэффициента усиления 10...15, поперечный размер излучающей поверхности концентратора D 2 может быть равен 16 мм.

Для получения коэффициента усиления, равного 10...15 в созданной колебательной системе при размере D 2 =20 мм, D 1 будет равен всего 70 мм, что также легко реализуемо на практике (пьезоэлементы диаметром 70 мм производятся серийно).

Таким образом, при обеспечении амплитуды колебаний пакета из двух пьезоэлектрических элементов, равной 5 мкм (напряжение питания не более 500...700 В), амплитуда колебаний излучающей поверхности колебательной системы составит 50...75 мкм, что является достаточным для реализации максимально эффективного режима развитой кавитации при обработке жидких и жидкодисперсных сред, осуществления сварки полимерных материалов и размерной обработки твердых материалов.

Разработанная ультразвуковая колебательная система обеспечивала коэффициент полезного действия (коэффициент электроакустического преобразования) не менее 75% (при излучении в воду).

Выполнение отражающей накладки со ступенчато изменяющимся продольным размером (т.е. выполнение противоположной контактирующей с пьезоэлементами поверхности ступенчато переменной по диаметру), позволяет сформировать несколько различных резонансных размеров по длине колебательной системы. Каждому из этих резонансных размеров соответствует собственная резонансная частота механических колебаний. Выбор количества и размеров ступенек позволяют получить необходимую полосу пропускания (т.е. обеспечить работу колебательной системы в диапазоне частот, определяемых максимальным и минимальным продольными размерами отражающей накладки).

Технический результат изобретения выражается в повышении эффективности ультразвуковой колебательной системы (увеличении амплитуды колебаний, вводимых в различные среды) за счет обеспечения оптимального согласования со средами и электронным генератором. Продольный габаритный размер колебательной системы уменьшен в 2 раза, а масса в 4 раза по сравнению с прототипом.

Разработанная в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института Алтайского государственного технического университета ультразвуковая колебательная система прошла лабораторные и технические испытания и была практически реализована в составе установки для выполнения продольного шва длиной 360 мм при герметизации пакетов для упаковки сыпучих продуктов.

Серийное производство созданных колебательных систем запланировано на 2005 год.

Источники информации

1. Патент США №3113225, 1963 г.

2. Патент США №4607185, 1986 г.

3. Патент США №4651043, 1987 г.

4. Патент США №4363992 (прототип), 1982 г.

5. Ультразвуковая технология. Под ред. Б.А.Аграната. - М.: Металлургия, 1974.

6. Хмелев В.Н., Попова О.В. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве. Барнаул, Изд-во АлтГТУ, 1997, 160 с.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ультразвуковая колебательная система, содержащая пьезоэлектрические элементы и концентратор, отличающаяся тем, что выполнена из параллельно расположенных на формирующей ультразвуковые колебания поверхности концентратора и акустически связанных с ней пакетов из четного количества последовательно установленных пьезоэлектрических элементов, на которых расположены акустически связанные с ними отражающие накладки, противоположная контактирующей с пьезоэлементами поверхность которых выполнена плоской или ступенчато-переменной по диаметру, а размеры и количество ступенек выбраны из условия получения заданной полосы пропускания, концентратор имеет узел крепления и оканчивается излучающей ультразвуковые колебания поверхностью с рабочим инструментом, формирующая и излучающая поверхности концентратора имеют в сечении прямоугольную форму одинаковой длины, а отношение их поперечных размеров выбирается из условия обеспечения заданного коэффициента усиления концентратора, суммарная длина отражающей накладки, пакета пьезоэлементов и участка концентратора до узла крепления равна шестой части длины волны ультразвуковых колебаний в материале концентратора, размеры участка концентратора, на котором осуществляется плавный переход, и участка с поперечным размером, соответствующим излучающей поверхности, соответствуют шестой части длины волны ультразвуковых колебаний в материале концентратора, причем плавный переход выполнен радиальным, а его размеры выбраны из условия

где L z - длина плавного перехода;

D1, D2 - поперечные размеры формирующей и излучающей поверхности концентратора.

Для расчета ультразвукового трансформатора скорости, роль которого в рассматриваемой схеме выполняет ступенчатый концентратор, воспользуемся общей формой уравнения продольных колебаний (2.1). Поскольку и в данном случае справедливо допущение о том, что концентратор имеет собственную частоту и осуществляет гармонические колебания, решение уравнения (2.1) можно представить в виде

Аналогично для цилиндра, эквивалентного по массе алмазной выглаживающей головки с элементами крепления к концентратору колебаний, можно записать

, (2.18)

где с 4 - скорость звука в материале цилиндра, эквивалентного по массе выглаживающему инструменту с элементами крепления.

Граничные условия для колебательной системы с началом координат в точке O 2 могут быть записаны как

При ; (2.19)

при ; (2.20)

при , (2.21)

где E 4 - модуль упругости на растяжение материала конструктивного элемента выглаживающей головки; S 3 и S 4 - площади поперечного сечения малой по диаметру ступни концентратора и эквивалентного цилиндра соответственно; a 2 - длина ступени малого диаметра концентратора; b - высота эквивалентного цилиндра.

При условии (2.19) из уравнения (2.17) получаем

;

. (2.22)

Учитывая первую часть условия (2.20), из уравнений (2.17) и (2.18) получим

Вторая часть условия (2.20) может быть преобразована к виду

. (2.24)

Длину ступени большего диаметра концентратора определим из выражения (2.27), учитывая, что, вследствие отсутствия на конце ступенчатого концентратора нагрузки в виде алмазной выглаживающей головки с элементами крепления, и :

. (2.28)

Для трансформатора скорости с 1/2 - волновой акустической системой, когда длина одной ступени равняется 1/4 и , имеем

Для цилиндра, эквивалентного по массе выглаживающей головке с элементами крепления, можно записать

. (2.30)

. (2.31)

б) 3/4 - волновой ультразвуковой вибрационный привод

Колебательная система такого привода имеет одну возможную точку крепления, что позволяет уменьшить длину привода на 1/4 акустической волны . Для возможности жесткого крепления пьезоэлектрический составной преобразователь в такой схеме обычно выполняют несимметричным (рис.2.3). При этом ступень меньшего диаметра трансформатора скорости с инструментом выглаживания присоединяют непосредственно к пучности колебаний, которая находиться на торце составного преобразователя. Поэтому эту ступень следует рассматривать в качестве нагрузки пьезоэлектрического преобразователя, что соответственно накладывает особенности на расчет одной из его частотопонижающих накладок.

Для случая гармонических колебаний привода в соответствии с расчетной схемой (рис.2.3) решение общего уравнения (2.1) продольных колебаний можно записать в виде

, (2.32)

. (2.33)

Граничные условия в соответствии расчетной схемой можно представить как