Ультразвуковое устройство

Изобретение относится к области ультразвуковой техники и может быть использовано при конструировании ультразвуковых колебательных систем технологического назначения, например, таких, как устройства для очистки (ультразвуковые ванны), диспергирования, гомогенизации, эмульгирования веществ. Ультразвуковое устройство содержит ультразвуковой преобразователь и находящуюся с ним в акустическом контакте волноводоизлучающую систему. Волноводоизлучающая система содержит соосно установленные волноводы изгибных колебаний, разделенные участками волновода продольных колебаний. Волноводы изгибных колебаний расположены в плоскостях, перпендикулярных оси волновода продольных колебаний, на расстоянии λ/4 друг от друга, где λ - длина волны продольных колебаний. Толщина каждого волновода изгибных колебаний, установленного в местах пучности продольных колебаний, составляет λ/15. Толщина каждого из остальных волноводов изгибных колебаний составляет λ/8. Толщины преобразователей установлены расчетно-экспериментальным путем с учетом получения максимально возможной кавитационной способности при озвучивании жидкости. Общая длина излучателя кратна λ/2. Такое выполнение ультразвукового устройства обеспечивает высокую эффективность излучения. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области ультразвуковой техники и может быть использовано при конструировании ультразвуковых колебательных систем технологического назначения, например таких, как устройства для очистки (ультразвуковые ванны), диспергирования, гомогенизации, эмульгирования веществ.

Известно устройство, содержащее преобразователь, концентратор и волновод продольных колебаний, позволяющее получать ультразвуковые колебания большой интенсивности (Гершлаг Д.А., Фридман В.М. “Ультразвуковая технологическая аппаратура”, “Энергия”, Москва, 1976 г., с.134-144). Устройство широко используется в различных технологических процессах, но имеет недостаток, заключающийся в том, что излучающая поверхность волновода имеет небольшие линейные размеры, поэтому объем или площадь обрабатываемого объекта также невелики. Для того, чтобы обработать большой объем или площадь, требуется несколько таких систем, причем в каждой системе необходимо иметь отдельный ультразвуковой генератор и преобразователь, что значительно удорожает технологический процесс.

Этого недостатка лишено ультразвуковое устройство, содержащее преобразователь, концентратор, волновод изгибных колебаний и набор волноводов продольных колебаний, которые расположены перпендикулярно волноводу изгибных колебаний и жестко закреплены на нем в пучностях изгибных колебаний (Буханов А.В., Скачков О.А., “Ультразвуковое устройство” Патент RU №2185896 от 2000.12.13). Устройство имеет высокую производительность процесса, способно обрабатывать большие площади и объемы. Недостатком его является невысокая механическая добротность. Для того, чтобы было эффективное излучение от волноводов продольных колебаний, нужно волновод изгибных колебаний выполнить в виде узкой пластины, которая в этом устройстве является несущей конструкцией, но, с другой стороны, механическая нагрузка волноводов продольных колебаний передается на тонкую пластину волновода изгибных колебаний и влияет на характер ее колебаний, за счет чего резко снижается эффективность излучения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по совокупности существенных признаков является “Устройство для непрерывной цементации и очистки металлических порошков” (Буханов А.Н. Дзнеладзе Ж.И. и др. Патент RU №2049153 от 1993.12.14). Известное устройство содержит в своем составе ультразвуковой преобразователь и находящуюся с ним в акустическом контакте волноводоизлучающую систему, в состав которой входит излучатель, содержащий соосно установленные волноводы изгибных колебаний, разделенные участками волновода продольных колебаний, причем волноводы изгибных колебаний расположены в плоскостях, перпендикулярных оси волновода продольных колебаний. В известном устройстве волноводы изгибных колебаний расположены на расстоянии λ/2 друг от друга. Такая конструкция ультразвукового устройства позволяет обрабатывать достаточно большие объемы и поверхности, но эффективность обработки невелика.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание ультразвукового устройства, позволяющего эффективно обрабатывать большие объемы и поверхности.

Для решения поставленной задачи предлагаемое ультразвуковое устройство, так же как и известное, содержит ультразвуковой преобразователь и находящуюся с ним в акустическом контакте волноводоизлучающую систему, в состав которой входит излучатель, содержащий соосно установленные волноводы изгибных колебаний, разделенные участками волновода продольных колебаний, причем волноводы изгибных колебаний расположены в плоскостях, перпендикулярных оси волновода продольных колебаний. В отличие от известного в предлагаемом ультразвуковом устройстве волноводы изгибных колебаний установлены на расстоянии λ/4 друг от друга, где λ длина волны продольных колебаний, причем толщина каждого волновода изгибных колебаний, установленного в пучностях продольных колебаний, составляет λ/15, толщина каждого из остальных волноводов изгибных колебаний составляет λ/18, а общая длина волноводоизлучающей системы кратна λ/2.

Технический результат, который при этом достигается, - увеличение эффективности работы ультразвукового устройства за счет повышения коэффициента полезного действия. В известном устройстве волноводы изгибных колебаний установлены в точках нахождения максимумов амплитуды продольных колебаний (пучностей). В предлагаемом устройстве волноводы изгибных колебаний установлены не только в точках максимумов амплитуд, но и в точках максимумов напряжений, создаваемых ультразвуковыми колебаниями в волноводах продольных колебаний. За счет этого происходит практическое удвоение коэффициента полезного действия. Но достижение технического результата возможно только при соответствующих толщинах волноводов изгибных колебаний. При отклонении от указанных толщин, т.е. от толщин, равных λ/15 и λ/18, сразу уменьшается коэффициент полезного действия, и практически сводится к нулю.

Совокупность признаков, изложенная в пункте 2 формулы изобретения, характеризует ультразвуковое устройство, в котором акустический контакт ультразвукового преобразователя с волноводоизлучающей системой реализован посредством согласующего звена, установленного между трансформатором преобразователя и волноводом изгибных колебаний толщиной λ/15 излучателя.

Согласующее звено используется в тех случаях, когда возникает необходимость согласовывать выходные параметры ультразвукового преобразователя с параметрами излучателя.

Совокупность признаков, изложенная в пункте 3 формулы изобретения, характеризует ультразвуковое устройство, в котором акустический контакт ультразвукового преобразователя с волноводоизлучающей системой реализован посредством соединения трансформатора преобразователя с волноводом изгибных колебаний толщиной λ/15 излучателя.

Совокупность признаков, изложенная в пункте 4 формулы изобретения, характеризует ультразвуковое устройство, в котором величина диаметра каждого волновода изгибных колебаний кратна длине полуволны изгибных колебаний. Такая величина позволяет получить максимальную амплитуду излучения при минимальной затрате материала.

Совокупность признаков, изложенная в пункте 5 формулы изобретения, характеризует ультразвуковое устройство, в котором края волноводов изгибных колебаний, перпендикулярные оси волновода продольных колебаний, выступающие за его края, образованы вогнутыми сферическими поверхностями. Сферическая поверхность каждой стороны выступающего края волновода изгибных колебаний образует акустическое зеркало, которое концентрирует ультразвуковые колебания в фокусе, образуя узкую область высоких значений амплитуды ультразвуковых колебаний вокруг излучателя.

Совокупность признаков, изложенная в пункте 6 формулы изобретения, характеризует ультразвуковое устройство, в котором излучатель выполнен в виде монолитной конструкции.

Ультразвуковое устройство иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 и 2 приведены схематические изображение ультразвукового устройства с разной реализацией акустического контакта между ультразвуковым преобразователем и волноводоизлучающей системой.

Ультразвуковое устройство содержит ультразвуковой преобразователь 1 и находящуюся с ним в акустическом контакте волноводоизлучающую систему. Стандартный ультразвуковой преобразователь состоит из магнитострикционного 2 или пьезопреобразователя и трансформатора 3. В примере выполнения мы рассматриваем выполнение устройства, на основе магнитострикционного преобразователя. Волноводоизлучающая система содержит соосно установленные волноводы изгибных колебаний 4 и 5, разделенные участками волновода 6 продольных колебаний. Волноводы 4 и 5 изгибных колебаний расположены в плоскостях, перпендикулярных оси волновода продольных колебаний, на расстоянии λ/4 друг от друга, где λ длина волны продольных колебаний. Толщина каждого волновода 4 изгибных колебаний, установленного в местах пучности продольных колебаний, составляет λ/15. Такая толщина будет у всех волноводов, расположенных на расстоянии, кратном λ/2 от ультразвукового преобразователя, а также у первого преобразователя, так как его местоположение совпадает с местоположением пучности продольных колебаний. Толщина каждого из остальных волноводов (5) изгибных колебаний составляет λ/18. Толщины преобразователей установлены расчетно-экспериментальным путем с учетом получения максимально возможной кавитационной способности при озвучивании жидкости. Общая длина излучателя кратна λ/2. Такая длина обеспечивает возможность выполнения отдельных звеньев излучателя одинаковыми, что в свою очередь приводит к увеличению эффективности излучения. На фиг.1 приведен пример выполнения акустического контакта преобразователя с волноводоизлучающей системой за счет жесткой связи трансформатора преобразователя с волноводом 4 изгибных колебаний толщиной λ/15 излучателя. Жесткая связь может быть обеспечена шпилечным соединением.

На фиг.2 приведен пример выполнения акустического контакта преобразователя 1 с волноводоизлучающей системой в виде согласующего звена 7. Его использование может быть продиктовано необходимостью либо акустического согласования, либо механического отделения излучателя от преобразователя, для того, чтобы обеспечить защиту преобразователя от повреждения. На чертеже приведен пример выполнения согласующего звена с коэффициентом согласования, равным 1. Длина согласующего звена всегда равна λ/2, поэтому его введение не меняет конструкцию излучателя.

Рассматриваемое ультразвуковое устройство является высокоамплитудной системой. В таких системах очень важным моментом является передача ультразвуковой энергии с минимальными потерями. Выполнение излучателя в виде монолитной конструкции обеспечивает отсутствие потерь в точках соединения волноводов продольных и изгибных колебаний.

Благодаря выполнению краев волноводов изгибных колебаний, выступающих за края волноводов продольных колебаний в виде вогнутых сферических поверхностей 8 (фиг.1) обеспечивается концентрация ультразвукового излучения в области краев излучателя и достижение в этой области мощного ультразвукового излучения.

Диаметр излучателей изгибных колебаний, равный половине длины волны изгибных колебаний, является оптимальным с точки зрения получения максимальной амплитуды ультразвуковых колебаний. С другой стороны, при выполнении излучателя в виде монолитной конструкции для экономии материала желательно, чтобы разница между диаметрами излучателей изгибных и продольных колебаний была не очень велика. В рассматриваемом примере диаметр волновода изгибных колебаний составляет 4/3 диаметра волновода продольных колебаний, что позволяет выполнить излучатель в виде монолитной конструкции.

Выбор общей длины излучателя, кратной λ/2, обеспечивает выполнение излучателя в виде регулярной структуры, что является фактором, обеспечивающим эффективность излучения.

Ультразвуковое устройство работает следующим образом. При подаче на обмотку возбуждения магнитострикционного преобразователя 2 тока высокой частоты в нем возникают продольные упругие колебания, которые усиливаются трансформатором 3 и передаются на волноводоизлучающую систему. В волноводе изгибных колебаний 4 продольные колебания преобразуются в изгибные, часть которых излучается, а часть преобразуется в продольные. Так как часть волноводов изгибных колебаний установлена в местах расположения пучностей продольных колебаний, преобразование колебаний одного вида в другой происходит оптимальным образом. Другая часть волноводов расположена в местах расположения пучностей напряжений, поэтому преобразование также происходит оптимальным образом.

1. Ультразвуковое устройство, содержащее ультразвуковой преобразователь и находящуюся с ним в акустическом контакте волноводоизлучающую систему, в состав которой входит излучатель, содержащий соосно расположенные волноводы изгибных колебаний, разделенные участками волновода продольных колебаний, причем волноводы изгибных колебаний расположены в плоскостях, перпендикулярных оси волновода продольных колебаний, отличающееся тем, что волноводы изгибных колебаний установлены на расстоянии λ/4 друг от друга, где λ - длина волны продольных колебаний, причем толщина каждого волновода изгибных колебаний, установленного в местах расположения пучности продольных колебаний, составляет λ/15, толщина каждого из остальных волноводов изгибных колебаний составляет λ/18, а общая длина излучателя кратна λ/2.

2. Ультразвуковое устройство по п.1, отличающееся тем, что акустический контакт ультразвукового преобразователя с волноводоизлучающей системой реализован посредством согласующего звена, установленного между трансформатором преобразователя и волноводом изгибных колебаний толщиной λ/15 излучателя.

3. Ультразвуковое устройство по п.1, отличающееся тем, что акустический контакт ультразвукового преобразователя с волноводоизлучающей системой реализован посредством соединения трансформатора преобразователя с волноводом изгибных колебаний толщиной λ/15 излучателя.

4. Ультразвуковое устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что величина диаметра каждого волновода изгибных колебаний кратна длине полуволны изгибных колебаний.

5. Ультразвуковое устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что края волноводов изгибных колебаний, перпендикулярные оси волновода продольных колебаний, выступающие за его края, образованы вогнутыми сферическими поверхностями.

6. Ультразвуковое устройство по п.1 или 2, или 3, отличающееся тем, что излучатель выполнен в виде монолитной конструкции.