Ультразвуковая колебательная система с промежуточным резонатором

 

Изобретение может быть использовано в аппаратах для ударного упрочнения, ультразвукового резания, разборки сопряженных изделий, предотвращения накипеобразования. Система содержит последовательно соединенные между собой электромеханический преобразователь, промежуточный резонатор и резонатор-инструмент. Промежуточный резонатор выполнен в виде полого цилиндра, ось которого перпендикулярна оси преобразователя, а одна из собственных частот колебаний, поляризованных в плоскости поперечного сечения цилиндра, равна частоте колебаний преобразователя. Благодаря выполнению промежуточного резонатора с эксцентричным расположением друг относительно друга наружной и внутренней поверхностей цилиндра и присоединению к нему преобразователя и резонатора-инструмента в местах с различной толщиной стенки расширяются возможности выборов параметров связи и согласования в колебательной системе. Кроме того, снижаются ограничения уровня запасаемой в промежуточном резонаторе реактивной упругой энергии. Полый цилиндр может быть выполнен круговым. По другому варианту наружная и (или) внутренняя поверхности цилиндра выполнены овальными. Габариты системы могут быть уменьшены при расположении преобразователя или резонатора - инструмента внутри полого цилиндра. Система может быть выполнена с несколькими преобразователями и резонаторами-инструментами, присоединенными к цилиндру в различных зонах минимальных изгибающих колебательных моментов. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в ультразвуковых технологических аппаратах для различных обработок - ударного упрочнения, ультразвукового резания, разборки сопряженных изделий, в системах предотвращения накипеобразования и т.п.

Колебательные системы для создания поршневых ультразвуковых колебаний, содержащие механически последовательно соединенные между собой стержневые электромеханические преобразователи, промежуточные резонаторы и стержневые резонаторы-инструменты, общеизвестны. При этом промежуточные резонаторы, именуемые бустерами, служат инструментами выбора параметров согласования и связи между электромеханическими преобразователями и резонаторами-инструментами, с учетом конкретных параметров сопротивления акустической нагрузки последних и диапазона возможных ее изменений (каталог фирмы Branson Ultrasonics Corporation "Ultrasonic horns", p. 12, 1976).

К недостаткам резонаторов-бустеров нужно отнести, во-первых, конструктивную сложность, в особенности с учетом практикуемой защиты от промышленного шпионажа, во-вторых, будучи стержневыми трансформаторами, они имеют ограничения по основным параметрам трансформации, связанные с предельной прочностью, пределом устойчивости и другими особенностями поршневых стержневых систем.

Известны также промежуточные резонаторы в виде отрезков труб с коаксиальными друг другу наружными и внутренними поверхностями, к которым стержневые электромеханические преобразователи и стержневые концентраторы-инструменты присоединены по нормали к оси цилиндрических поверхностей, но под углом друг к другу, отличающимся от 0^o, причем колебания стенок резонатора являются изгибными и поляризованы в плоскости, нормальной оси резонатора [3]. Такое выполнение промежуточного резонатора имеет целью уменьшить протяженность колебательной системы вдоль оси, коаксиальной направлению колебаний. Отметим, что ограниченность параметров трансформации при таком выполнении промежуточного волновода сохраняется.

Изобретение позволяет существенно расширить возможности выбора параметров связи и согласования в колебательной системе, снижая ограничения уровня запасаемой в промежуточном резонаторе реактивный упругой энергии. Для этого в колебательной системе (фиг. З), содержащей последовательно соединенные между собой стержневой электромеханический преобразователь 1.промежуточный резонатор 2, выполненный в виде полого цилиндра, ось которого перпендикулярна оси преобразователя, а одна из собственных частот колебаний, поляризованных в плоскости поперечного сечения цилиндра, равна частоте колебаний электромеханического преобразователя, и стержневой резонатор-инструмент 3, наружная и внутренняя поверхности цилиндра расположены эксцентрично друг относительно друга, при этом преобразователь и резонатор-инструмент присоединены к цилиндру в местах с различной толщиной стенки. Кроме того, полый цилиндр выполнен круговым.

Кроме того, для расширения диапазона выбора параметров согласования и связи между электромеханическим преобразователем и резонатором-инструментом или величины запасаемой в системе реактивной упругой энергии, наружная и (или) внутренняя поверхности цилиндра выполнены овальными (фиг. 4).

Кроме того, для уменьшения габаритов колебательной системы и (или) включающего ее технологического узла электромеханический преобразователь или резонатор-инструмент расположены внутри полого цилиндра (фиг. 5).

Кроме того, для расширения инструментальных возможностей, увеличения запаса реактивной энергии и вводимой в колебательную систему активной энергии, система дополнительно содержит по меньшей мере один электромеханический преобразователь и резонатор-инструмент, при этом электромеханические преобразователи и резонаторы-инструменты присоединены к цилиндру в различных зонах минимальных изгибающих колебательных моментов (фиг. 6 и 7).

На фиг. 1 изображена схема соединения элементов в предлагаемой колебательной системе; на фиг. 2 показаны варианты распределения экстремальных значений колебательных смещений в предлагаемой колебательной системе; на фиг. 3 - предлагаемая колебательная система с круглым промежуточным резонатором; на фиг. 4 - дополнительные конфигурационные возможности варьирования свойств промежуточного резонатора; на фиг. 5 - ультразвуковая колебательная система с электромеханическим преобразователем, расположенным внутри полости промежуточного резонатора; на фиг. 6 - ультразвуковая колебательная система с несколькими резонаторами-инструментами; на фиг. 7 - ультразвуковая колебательная система с несколькими электромеханическими преобразователями.

В колебательной системе, показанной на фиг. 3, стержневой электромеханический преобразователь 1 возбуждается от источника электрического напряжения на частоте своих резонансных колебаний, поляризованных вдоль оси. Поскольку ось полого цилиндра, служащего здесь в качестве промежуточного резонатора 2, перпендикулярна оси преобразователя 1, создаваемые последним в месте их соединения колебания поляризованы в плоскости поперечного сечения промежуточного резонатора и нормальны к образующей его цилиндрической поверхности. Эти колебания возбуждают колебания полого цилиндра как единого резонатора и достигают значительных амплитуд, когда частота возбуждения равна одной из собственных частот колебаний трубы, поляризованных в плоскости ее поперечного сечения. Из-за эксцентриситета наружной и внутренней цилиндрических поверхностей цилиндра между точками присоединения к ней электромеханического преобразователя 1 и резонатора-инструмента 3 возникает пространственное распределение толщины стенки и значит характеристического сопротивления, что определяет соответствующую трансформацию механических возмущений между этими точками. Трансформированные в промежуточном резонаторе колебания возбуждают колебательные явления в резонаторе-инструменте 3, причем промежуточный резонатор выступает здесь в качестве волновода, передающего колебания, согласующего трансформатора и резонатора связи, накапливающего реактивную упругую энергию при некотором выбираемом в достаточно широких пределах собственном характеристическом сопротивлении. Резонатор-инструмент 3 в свою очередь передает колебания в нагрузку R_4h_0, условно показанную здесь в виде активного демпфера.

Такое выполнение промежуточного резонатора в ультразвуковой колебательной системе позволяет использовать существенно более простые конструктивные и технологические решения, чем при использовании традиционных бустеров; Существенно расширить возможности выбора параметров промежуточного резонатора как колебательного контура - фильтрующей способности, величины запасаемой в системе реактивной упругой энергии, характеристик его в качестве регулятора связи и согласования между преобразователем и полезной нагрузкой.

На фиг. 4 показаны широкие дополнительные возможности варьирования свойств промежуточного резонатора выбором конфигурации его образующих.

На фиг. 5 изображена ультразвуковая колебательная система, габариты которой в направлении поляризации колебаний уменьшены за счет расположения электромеханического преобразователя во внутренней полости промежуточного резонатора.

На фиг. 6 и 7 показано, как при использовании высоких номеров собственных частот колебаний промежуточного резонатора в пучностях колебательных смещений, т.е. в зонах минимальных значений колебательных изгибающих моментов, могут устанавливаться дополнительные резонансные электромеханические преобразователи и (или) резонаторы-инструменты, связь и согласование между которыми обеспечивается общим промежуточным резонатором, причем расширяются инструментальные возможности колебательной системы в целом, могут быть увеличены потребляемая системой мощность, запасаемая в ней реактивная упругая энергия и т.д.

Формула изобретения

1. Колебательная система для создания поршневых ультразвуковых колебаний, содержащая последовательно соединенные между собой стержневой электромеханический преобразователь, промежуточный резонатор, выполненный в виде полого цилиндра, ось которого перпендикулярна оси преобразователя, а одна из собственных частот колебаний, поляризованных в плоскости поперечного сечения цилиндра, равна частоте колебаний электромеханического преобразователя, и стержневой резонатор-инструмент, отличающаяся тем, что наружная и внутренняя поверхности цилиндра расположены эксцентрично друг относительно друга, при этом преобразователь и резонатор-инструмент присоединены к цилиндру в местах с различной толщиной стенки.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что полый цилиндр выполнен круговым.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что наружная и(или) внутренняя поверхности цилиндра выполнены овальными.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что электромеханический преобразователь или резонатор-инструмент расположен внутри полого цилиндра.

5. Система по любому из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит по меньшей мере один электромеханический преобразователь и резонатор-инструмент, при этом электромеханические преобразователи и резонаторы-инструменты присоединены к цилиндру в различных зонах минимальных изгибающих колебательных моментов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7