Ультразвуковой преобразователь для обработки жидких сред

 

1. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ОБРАБ.ОТКИ ЖИДКИХ СРЕД, выполнениь1й в виде ряда установленных соосно и акустически связанньк с вибратором полуволновьк стержневых волноводов, каждый из которых содержит ряд параллельно распределенных по его длине плоских мембран различной толщины, отличающийся тем, что, с, целью повБппения эффективности обработки, мембраны, ближайшие к се;редин€ каждого из волноводов, выполнены с резонансной частотой изгибных колебаний, совпадающей с резонансной частотой вибратора, а остальные мембраны вьшолнены по толщине исходя из соотношения (cos КХ,-/cos КХд 01 S Q где X.., X - коорданаты соответствуюО щих мембрану К - волновое число; Q - механическая добротность мембраны; - толщина мембраны, бли- : § жайшей к середине волно (Л вода-, . . d -толщийа i-й мембраны. с 2.Преобразователь по п. 1, о т личающий .ся тем, что мембраны с толщиной большей или меньшей . толщины мембраны, ближайшей к середине каждого из волноводов, чередуются между собой. 1О 3.Преобразователь по п; 1, о т -, Од ли чающийся тем, что мембра-. Од со ны вьшолнены перфорированными. 4

СОЮЗ. СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК 5П В 06 В. 1/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

Н AQTOPGHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ о 1, „(с„ г..

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР .

ПО ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3530109/24-10 (22) 24. 12. 82 (46). 30.11.84. Бюл. й- 44 (72) В.N.Êîëåøêî и Ю.В.Иешков (71) Институт электроники АН БССР (53) 534.232(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 599857, кл. В 06 В 1/00, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР

У 633617, кл. В 06 В 1/08, 1976.

3. Патент США У 31 11595 кл. 3 10-8. 2, 1963 (прототип) . (54) (57) 1. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ СРЕД, выполненный в виде ряда установленных соосно и акустически связанных с вибратором полуволновых стержневых волноводов, каждый из которых содержит ряд параллельно распределенных по его длине плоских мембран различной толщины, отличающийся тем, что, с, целью повышения эффективности обработки, мембраны, ближайшие к середине каждого из волноводов, выполнены с резонансной частотой изгибных колебаний, совпадающей с резо„„SU„;, 1126334

i нансной частотой вибратора, а остальные мембраны выполнены по толщине исходя из соотношения

2 (сое KX„%os КХ ) "1

Ot где Хд, Х; — координаты соответствующих мембрай, К - волновое число;

Q — механическая добротность мембраны;

d — толщина мембраны, ближайшей к середине волно- Ж вода;

d„ толщина 1-й мембраны.

2. Преобразователь по и. 1, о тл и ч а ю щ и й.с я тем, что мембраны с толщиной большей или меньшей . Я толщины мембраны, ближайшей к середине каждого из волноводов, чередуются между собой.

3. Преобразователь по п. 1, о т - . © л и ч а ю шийся тем, что мембра-. © ны выполнены перфорированными. ©©

ФФ

4ь

f 1126

Изобретение относится к устройст> вам для передачи ультразвуковой

„энергии в жидкие среды и может быть использовано в различных технологических процессах (эмульгировании, дис-5 пергировании, очистке и т.д.), электронной, химической и других отраслях промышленности.

Известен ультразвуковой преобразоатель, содержащий электроакустичес- щ и вибратор, волновод продольных ке лебаний и волновод крутияьных колебаний с акустическим изолятором, в котором на боковой поверхности волновода крутильных колебаний радиально и консольно относительно узла колебаний установлены пластины (13.

Однако такой преобразователь не позволяет получать высокоразвитую излучающую поверхность в большом объеме и равномерное ультразвуковое поле.

Известен также ультразвуковой излучатель, выполненнйй в виде ряда ус. тановленных соосно и акустически связанных с вибратором стержневых волноводов, на одном торце каждого из которых закреплена излучающая мембрана 23.

Недостатком его является значительная неравномерность ультразвуковых давлений во всем рабочем объе ме жидкости.

Наиболее близким к предлагаемому

1является преобразователь, выполненный в виде ряда установленных соосно З5 и акустически свяэаннып с вибратором полуволновьм стержневых волноводов, каждый из которых содержит ряд параллельно распределенных по его длине плоских мембран различной толщи.ны. Такой преобразователь. обладает большой излучающей поверхностью (3 ).

Недостатками преобразователя являются значительная неравномерность . ультразвуковых давлений в рабочем 4

1 объеме жидкости, большая чувствительность к изменению акустической нагруз" ки, что приводит к уменьшению амппитуд колебательного смещения мембран и снижению эффективности обра" 5О ботки жидких сред.

Цель изобретения — повьппение эффективности ультразвуковой обработки жидких сред.

Поставленная цель достигается тем,55 что s ультразвуковом.преобразователе для обработки жидких сред, выполненном в виде ряда установленных соосно

334 2 и акустически связанных с вибратором полуволновых стержневых волноводов, каждьпЧ из которых содержит ряд lIàраллельно распределенных по его длине. плоских мембран различной толщины, мембраны, ближайшие к середине каждого нз волноводов, выполнены с резонансной частотой изгибных колебаний, совпадающей с резонансной частотой вибратора, а остальные мембраны выполнены по толщине, исходя нз соотношения где З вЂ” толщина мембраны, ближайшей к середине волновода; j †.толщина 1 -ой мембраны;

Х, Х; — координаты мембран с) и d; соответственно;

К - волновое число, Я вЂ” механическая добротность мембраны.

Кроме того, мембраны с толщиной большей и меньшей толщины мембраны, ближайшей к середине каждого из волноводов чередуются между собой и выполнены перфорированными.

Такое выполнение преобразователя способствует созданию в рабочем объеме одинакового по интенсивности и равномерно распределенного по длине волноводов кавитационного поля и позволяет понизить чувствительность излучателя к влиянию дестабилизирующих факторов. Выполнение мембран перфорированными повьппает эффективность обработки за счет эффекта дросселирования и интенсифици- рования массообменных процессов между мембранами.

На чертеже представлены ультразвуковой преобразователь и эпюра распределения амплитуд колебательного смещения волноводов и вибратора.

Ультразвуковой преобразователь содержит волноводы 1»3 с длиной, равной половине длины волны, на которых закреплены разнотолщинные излучающие мембраны 4-8 одинакового диаметра с выполненными в них отверстиями

9. Волноводы жестко связаны с вибратором 10.

Ультразвуковой преобразователь работает следующим образом.

1126334 (соз КХ; tсоз KX ) -1

О где Х вЂ” расстояние, отсчи гываемое от торца полуволнового участка рассматриваемого волновода;

Х Ä X1 — координаты мембраны, ближай» шей к середине каждого из волноводов и i-й мембраны, соответственно; си; — резонансная частота i-й мембраны;

К=2(7/ Л вЂ” волновое число;

8= ;(éî - механическал добротность изгибныхколебаний мембраны

du)- ширина полосы АЧХ изгибин механических колебаний на уровне 1/Г2.

Мембраны целесообразно устанавливать равномерно по длине волйоводов, при этом их количество на каждом вопноведе выбирается из условия полу25 чения необходимой величины излучающей поверхности, равномерности ультразвукового поля и достижения необ« ходнмой амплитуды механических колебаний излучакпцнх мембран.

Для уменьшения чувствительности преобразователя к влиянию различных дестабилизирующих факторов мембраны с толщиной меньше и больше толщины мембраны, ближайшей к середине волновода, устанавливаются чередуиицимися по направлению от середины этого. волновода к его торцам, т.е. между их толщиной соблюдается соотношение

Ы lо1 Ъд 0Ы >8

0 Выполнение мембран перфорированными позволяет как стимулировать процессы массообмена, протекающие . между отдельными, разделенными мембра

::нами объемами жидкости, устранить

5 зоны с пониженной циркуляцией среды, так и дополнительно повысить эффективность диспергирования за счет дросселирования в отверстиях мембран, а также способствует обра0 зованию интенсивных турбулентных потоков и микровихрей в обрабатывае.мой жидкости, что оказывает благотворное влияние на получение эмульсий, суспензий, процессы очистки и

5 т.д. Отверстия перфорации распределены по поверхности каждой излучающей мембраны равномерно. Диаметр отверстий и плотность перфорации (степень

Возбуждаемые в вибраторе 10 упругие колебания по волноводам 1-3

I передаются излучающим мембранам 4-8 и далее обрабатываемой среде.

Толщина излучающей мембраны 4do ближайшей к середине каждого из волноводов, т.е. находящейся вблизи узла продольных колебаний соответствующего волновода и испытывающей действие наименьшей возбуждающей силы среди всех мембран, выбирается известным образом так, чтобы резонансная частота 1 изгибных колебаний этой мембраны совпадала с резонансной частотой вибратора 10, в результате чего в мембране 4 возбуж- даются резонансные изгибные колеба- ния °

Следующие мембраны 5 и 6- закреплены на волноводах в местах, где амплитуда смещений продольных копебаний всегда больше, чем в месте закрепления мембраны 4 и поэтому их толщийа изменяется таким образом, что бы амплитуда механических колебаний этих мембран и величина создаваемого ими в объеме жидкости ультразвукового поля совпадала с этими же величинами настроенной в резонанс мембраны 4.

При этом резонансная частота мембраны 5 расстраивается в меньп1ую сторону от резонансной частоты вибратора 10: f+ (Ю, .а резонансная частота f мембраны 6 - в большую: Е что достигается соответ-, ствующим выбором. толщины мембран 5 и 6 3

ы, ыо Ы, .где и — толщина i-й мембраны.

Резонансные частоты мембран ? и 8, располсюкенных в пучностях продольных колебаний волноводов, в еще большей 4 степени расстраиваются относительно резонансной частоты вибратора fpдо получения амплитуды механических колебаний мембран 7 и 8 и интенсивности создаваемого ими ультразвуко-. 4 вого поля, также совпадакзцими с ана.)погичными величинами мембран 4-6: ю 4 ь 8 причем толщина мембраны 7 уменьшается, а мембраны 8 - увеличивается по 5 сравнению с толщиной мембран 4-6: 1 о 1р 7

Необходимое для получения равномерного кавитационного поля отношение толщины д; -й мембраны к тол- 5 щине d мембраны, ближайшей к середине каждого из волноводов, определяется иэ математического выражения

Г о „1+ д,„+ 7.

2 2

1126334

Заказ 8594/6 ; Тираж 466 Подписное

Филиал ППП аФват ° t.Ужгород,,ул.Проектная, 4 перфорацни) зависят от вязкости обрабатываемой среды и увеличиваются с ее ростом, а отношение площади отверстий перфорации к полной площади поверхности мембраны находится в пре- 5 делах 0,01-0, 5.

При меньшем соотношении влияние перфорации на процессы массообмена, протекающие между отдельными, разде- 1О ленными мембранами объемами жидкости, становится незначительным, а при большем — недопустимо уменьшается величина излучающей поверхности мембран и объем кавитационного поля. 15

Таким образом, предлагаемый преобразователь имеет существенные преимущества по сравнению с прототипом, позволяя повысить эффект обработКи жидких сред, например, эмульгирования, диспергирования, очистки, пропитки и т.д.

Использование преобразователей с резонансными частотами 36 н 72 кГц с тремя соосными волноводамн в каждом излучателе и шестью излучающими мембранами на каждом волноводе позволяет увеличить однородность и степень дисперсности суспенэий в 1,5-1,8 paSR °