Ультразвуковая колебательная система
Владельцы патента RU 2323788:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) (RU)
Ультразвуковая колебательная система для приема и излучения ультразвуковых колебаний в широком диапазоне частот, выполненная по многомодовой многочастотной схеме с корректируемой в требуемом частотном диапазоне амплитудно-частотной характеристикой. Ультразвуковая колебательная система представляет собой рабочий излучающий элемент в виде стержня или полого цилиндра, торцовыми поверхностями акустически и механически связанный с двумя пьезоэлектрическими преобразователями, имеющими ступенчато-переменные по длине частотно-понижающие накладки. Коррекция амплитудно-частотной характеристики обеспечивается за счет сочетания длин и площадей ступеней пьезоэлектрического преобразователя. 3 ил.
Изобретение относится к области акустики и может быть использовано в качестве излучателя или приемника ультразвуковых колебаний в гидроакустике, дефектоскопии, ультразвуковых технологиях.
В практических приложениях акустики существует необходимость излучения и приема ультразвуковых колебаний в широком диапазоне частот. Для этих целей создаются широкополосные преобразователи, подразделяющиеся на нерезонансные и многочастотные резонансные. Нерезонансные преобразователи, например электростатические, характеризуются равномерной АЧХ (неравномерность порядка ±2 дБ) в широком диапазоне частот, но имеют малый коэффициент электроакустической связи и к.п.д., что существенно ограничивает их применение.
Многочастотные резонансные преобразователи, наоборот, имеют достаточно высокий коэффициент электроакустической связи и к.п.д., но их АЧХ имеет значительные подъемы и спады в рабочей полосе частот.
В качестве многочастотных резонансных излучателей ультразвуковых колебаний находят применение ультразвуковые колебательные системы, образованные рабочим излучающим элементом, выполненным в виде стержня или полого цилиндрического тела, торцовыми поверхностями механически и акустически связанного с электроакустическими преобразователями.
Аналогами предлагаемого технического решения являются:
- ультразвуковой преобразователь [1], состоящий из рабочего излучающего элемента в виде стержня или полого цилиндра, торцовыми поверхностями акустически связанного с двумя одинаковыми пьезоэлектрическими преобразователями;
- аппарат для генерации и излучения ультразвуковой энергии [2], состоящий из рабочего излучающего элемента в виде полого цилиндра, одной торцовой поверхностью акустически и механически связанного с пьезоэлектрическим излучателем;
- устройство для передачи ультразвуковой энергии в жидкие или пластичные среды [3], состоящее из рабочего излучающего элемента в виде полого цилиндра, акустически и механически связанного с пьезоэлектрическим или магнитострикционным преобразователем.
Все перечисленные устройства являются многомодовыми излучателями. Всем рассмотренным устройствам присущ общий недостаток - невозможность формирования требуемой амплитудно-частотной характеристики, что не позволяет использовать их в качестве широкополосных преобразователей с заданными функциональными возможностями.
Этот недостаток частично устранен в многочастотном многомодовом ультразвуковом преобразователе [4, прототип]. Преобразователь состоит из четырех рабочих излучающих элементов равного диаметра, длины которых выбираются из ряда 1/8, 1/4, 1/2, 1. Между рабочими излучающими элементами находятся пьезоэлектрические преобразователи. Формирование требуемой характеристики осуществляется за счет различного расположения рабочих излучающих элементов между пьезоэлектрическими преобразователями и за счет коммутации электродов пьезоэлектрических преобразователей в различных комбинациях.
К существенным недостаткам прототипа относятся:
- пониженная механическая прочность и невозможность работы в жидких электропроводящих средах, обусловленные расположением пьезоэлектрических преобразователей между рабочими излучающими элементами, что ограничивает область применения прототипа;
- невозможность получения требуемых значений добротности для каждой рабочей частоты, обусловленная равными диаметрами рабочих излучающих элементов и пьезоэлектрических элементов, что не позволяет обеспечивать одинаковые условия излучения (приема) ультразвуковых колебаний на различных частотах.
Предлагаемое техническое решение направлено на создание устройства, обеспечивающего прием и излучение ультразвуковых колебаний с требуемой амплитудно-частотной характеристикой в заданном диапазоне частот и повышение качества передачи и приема ультразвуковых колебаний.
Технический результат изобретения выражается в создании ультразвуковой колебательной системы, обеспечивающей прием и излучение ультразвуковых колебаний с заданной амплитудно-частотной характеристикой.
Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что в известной ультразвуковой колебательной системе, включающей рабочий излучающий элемент в виде стержня или полого цилиндра, торцевыми поверхностями механически и акустически связанный с цилиндрическими пьезоэлектрическими преобразователями, состоящими из последовательно установленных и акустически связанных между собой рабочей частотно-понижающей накладки, пьезоэлектрических элементов и отражающей частотно-понижающей накладки, каждая рабочая и отражающая частотно-понижающие накладки выполняются ступенчато переменными по длине, причем количество участков одного продольного размера выбирается равным количеству минимумов амплитудно-частотной характеристики собственных механических колебаний рабочего излучающего элемента в заданном диапазоне частот, длины участков одного продольного размера выбираются таким образом, чтобы собственные резонансные частоты преобразователей не совпадали с частотами, соответствующими локальным максимумам на амплитудно-частотной характеристике собственных механических колебаний рабочего излучающего элемента в заданном диапазоне частот, а площади поверхностей участков одного продольного размера выбираются таким образом, чтобы произведения этой площади и среднего геометрического собственных колебательных добротностей рабочего излучающего тела на частотах собственных механических колебаний, смежных с собственной резонансной участка одного продольного размера, были равны для всех участков одного продольного размера.
На фиг.1 показана схема ультразвуковой колебательной системы. Поз.1 соответствует рабочему излучающему элементу, поз.2 - отражательной частотнопонижающей накладке, поз.3 - рабочей частотнопонижающей накладке, поз.4 - пьезоэлектрическим элементам.
Рабочий излучающий элемент имеет набор собственных частот, определяемый выражением:
где i=1, 2, 3 ...; c0 - скорость звука в материале рабочего излучающего элемента, м/с; L0 - длина рабочего излучающего элемента, м.
Для каждой собственной резонансной частоты характерна собственная колебательная добротность рабочего излучающего элемента Q0,i, которая зависит от совокупности параметров самого излучающего элемента и среды, с которой он взаимодействует.
Каждая ступень пьезоэлектрического преобразователя, образованного акустически и механически связанными рабочей поз.3 и отражательной поз.2 частотно-понижающими накладками и пьезоэлектрическими элементами поз.4, имеющая длину Lj, где j=1, 2, 3...N, где N - общее количество ступеней имеет собственную резонансную частоту, определяемую выражением:
где cП - скорость распространения продольной акустической волны в материале пьезоэлектрических элементов, м/с; LП - длина пакета пьезоэлектрических элементов, м; сМ - скорость распространения продольной акустической волны в материале частотнопонижающих накладок, м/с.
Колебательные добротности каждой ступени пьезоэлектрического преобразователя пропорциональны площади торцевых поверхностей этой ступени.
где Q1, Q2, Qj, QN - добротности соответствующей ступени; j=1, 2...N, где N - количество ступеней.
Достижение требуемой амплитудно-частотной характеристики обеспечивается за счет того, что собственные резонансные частоты пьезоэлектрического преобразователя с различными по длине ступенями располагаются в зоне локальных минимумов амплитудно-частотной характеристики рабочего излучающего тела в заданном частотном диапазоне. Так как частоты локальных минимумов лежат примерно посередине между смежными собственными частотами рабочего излучающего элемента (которые соответствуют локальным максимумам на амплитудно-частотной характеристике), то рабочие частоты пьезоэлектрических преобразователей выбираются из условия:
где j=1, 2, 3...K, где K - число ступеней пьезоэлектрического преобразователя, n - наименьший номер собственной резонансной частоты рабочего излучающего тела, попадающей в заданный частотный диапазон.
Длины ступеней пьезоэлектрического преобразователя будут определяться выражением:
Результирующая добротность резонансной подсистемы системы, состоящей из ступени пьезоэлектрического преобразователя, работающего на частоте Fi и двух собственных частот рабочего излучающего тела F0,j+n-1 и f0,j+n, смежных с частотой Fj определяется выражением:
где Qj - добротность j-той ступени пьезоэлектрического преобразователя, то есть является произведение добротности ступени пьезоэлектрического преобразователя на среднее геометрическое добротностей рабочего цилиндрического тела на собственных частотах, смежных с собственной частотой ступени пьезоэлектрического преобразователя.
Для получения наилучшей равномерности амплитудно-частотной характеристики всей ультразвуковой колебательной системы, необходимо, чтобы результирующие добротности всех резонансных подсистем были равны, то есть:
В связи с тем, что добротности рабочего излучающего элемента являются фиксированными, выполнение условия (7) может быть обеспечено только за счет подбора добротностей ступеней пьезоэлектрического преобразователя.
В связи с тем, что добротность ступени прямо пропорциональная ее площади, выражение (7) может быть записано в следующем виде.
Так как сумма площадей всех ступеней равна площади поперечного сечения пьезоэлектрического преобразователя, площадь каждой ступени определяется по формуле:
где S0 - площадь поперечного сечения пьезоэлектрического преобразователя.
На фиг.2 представлены примерные виды амплитудно-частотных характеристик рабочего излучающего элемента (фиг.2а) пьезоэлектрического преобразователя (фиг.2б) и результирующей характеристики ультразвуковой колебательной системы (фиг.2в).
Предложенные УЗКС были практически реализованы при создании ультразвукового аппарата для осуществления процессов ультразвукового эмульгирования, ультразвуковой очистки и ультразвуковой экстракции с возможностью задания рабочей частоты в соответствии с требуемыми параметрами процесса и габаритными размерами технологического объема. Длина излучающего элемента L0=2 м. Нижняя граница частотного диапазона fH=18 кГц, верхняя граница частотного диапазона fH=25 кГц. Материал излучающего элемента - титановый сплав ВТ-14. Излучающий элемент - труба, наружный диаметр 60 мм, толщина стенок 4 мм. Скорость звука в материале с=4810 м/с. Набор собственных частот и измеренных для них добротностей представлен в таблице 1.
| Таблица 1 | ||
| Набор собственных частот для излучающего элемента | ||
| Номер моды | Собственная частота, кГц | Добротность |
| 14 | 16,835 | 320 |
| 15 | 18,038 | 391 |
| 16 | 19,24 | 407 |
| 17 | 20,443 | 485 |
| 18 | 21,645 | 506 |
| 19 | 22,848 | 490 |
| 20 | 24,05 | 564 |
| 21 | 25,253 | 542 |
На амплитудно-частотной характеристике имеется 7 минимумов. Соответственно, число ступеней пьезоэлектрического преобразователя должно быть равным 7. Каждый преобразователь выполняется с использованием пакета пьезоэлектрических элементов диаметром 38 мм и общей длиной LП=0,013 м. Скорость распространения продольной акустической волны в пьезоэлектрической керамике cП=2600 м/с. Длины ступеней пьезоэлектрического преобразователя рассчитываются в соответствии с выражением (5), а площади ступеней - в соответствии с выражением (9).
Полученный набор длин ступеней каждого пьезоэлектрического преобразователя и их площадей представлен в таблице 2.
| Таблица 2 | ||
| Набор длин и площадей ступеней пьезоэлектрических преобразователей | ||
| Номер ступени | Длина, м | Площадь, см2 |
| 1 | 0,127 | 0,21 |
| 2 | 0,118 | 0,19 |
| 3 | 0,110 | 0,17 |
| 4 | 0,103 | 0,15 |
| 5 | 0,097 | 0,15 |
| 6 | 0,092 | 0,14 |
| 7 | 0,087 | 0,14 |
Ультразвуковой технологический аппарат, укомплектованный созданной колебательной системой, обеспечил повышение производительности различных технологических процессов не менее чем в 2 раза за счет возможности установления оптимальной частоты УЗ воздействия.
В настоящее время в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института разработаны и мелкосерийно выпускаются широкополосные ультразвуковые колебательные системы технологического и исследовательского назначения, имеющие диапазон частот 18 кГц-25 кГц при неравномерности амплитудно-частотной характеристики не более ±12 дБ. Средняя колебательная добротность составляет 270, что существенно выше, чем у нерезонансных преобразователей. Внешний вид ультразвуковой колебательной системы с длиной рабочего излучающего элемента 2 м, диаметром рабочего излучающего элемента 60 мм, мощностью 3 кВт и электронного генератора для ее питания представлен на фиг.3.
Список источников
1. Ultrasonic transducer: pat. 5200666: USA: ICL H01L 41/08 / Martin Walter, Dieter Weber; assigner Martin Walter Ultraschalltechnik G.m.b.h; app. num.: 665995, applied: 07.03.1991: pub. 06.04.1993.
2. Apparatus for generating and radiating ultrasonic energy: pat. 4537511: USA: ICL B01F 11/02 / Karl Frei; assigner Telesonic AG Fur Electronische Entwicklung Und Fabrikation; app. num.: 594229, applied: 28.03.1984: pub. 27.08.1985.
3. Device for transferring ultrasonic energy into liquid or plasty medium: pat. 5994818: USA: ICL H01L 41/08 / Vladimir Abramov et. al.; assigner Tech Sonic Gesellschaft Fur Ultraschall-Technologie m.b.H; app. num.: 09/051876, applied: 17.10.1996: pub. 30.11.1999.
4. Multifrequency ultrasonic transducer: pat. 4490640: USA: ICL H01L 41/08 / Keisuke Honda; app. num.: 534543, applied: 22.09.1983: pub. 25.12.1984 - прототип.
Ультразвуковая колебательная система, включающая рабочий излучающий элемент в виде стержня или полого цилиндра, торцевыми поверхностями механически и акустически связанный с цилиндрическими пьезоэлектрическими преобразователями, состоящими из последовательно установленных и акустически связанных между собой рабочей частотнопонижающей накладки, пьезоэлектрических элементов и отражающей частотнопонижающей накладки, отличающейся тем, что каждая рабочая и отражающая частотнопонижающие накладки выполняются ступенчато переменными по длине, причем количество участков одного продольного размера выбирается равным количеству минимумов амплитудно-частотной характеристики собственных механических колебаний рабочего излучающего элемента в заданном диапазоне частот, длины участков одного продольного размера выбираются таким образом, чтобы собственные резонансные частоты преобразователей не совпадали с частотами, соответствующими локальным максимумам на амплитудно-частотной характеристике собственных механических колебаний рабочего излучающего элемента в заданном диапазоне частот, а площади поверхностей участков одного продольного размера выбираются таким образом, чтобы произведения этой площади и среднего геометрического собственных колебательных добротностей рабочего излучающего элемента на частотах собственных механических колебаний, смежных с собственной резонансной частотой участка одного продольного размера, были равны для всех участков одного продольного размера.
