Интегрирующий акустический волноводный трансформатор (концентратор)



Интегрирующий акустический волноводный трансформатор (концентратор)
Интегрирующий акустический волноводный трансформатор (концентратор)
Интегрирующий акустический волноводный трансформатор (концентратор)
Интегрирующий акустический волноводный трансформатор (концентратор)
Интегрирующий акустический волноводный трансформатор (концентратор)
Интегрирующий акустический волноводный трансформатор (концентратор)
Интегрирующий акустический волноводный трансформатор (концентратор)
Интегрирующий акустический волноводный трансформатор (концентратор)
Интегрирующий акустический волноводный трансформатор (концентратор)
Интегрирующий акустический волноводный трансформатор (концентратор)
Интегрирующий акустический волноводный трансформатор (концентратор)
Интегрирующий акустический волноводный трансформатор (концентратор)

 


Владельцы патента RU 2402386:

Шестаков Сергей Дмитриевич (RU)

Изобретение относится к ультразвуковой технике. Трансформаторы служат для передачи мощности упругих колебаний ультразвуковой частоты от электроакустических преобразователей в нагрузку для выполнения ими полезной работы. Область применения изобретения - не только передача колебаний с повышением их интенсивности, но и суммирование работы нескольких синхронизированных электроакустических преобразователей, то есть интегрирование их мощности. Предложенный акустический волноводный трансформатор имеет боковую поверхность, образованную вращением гладкой монотонной кривой вокруг оси, являющейся нормалью к плоскости его торца с меньшей площадью поверхности и к пересекаемой ею одной из плоских граней торца с большей площадью поверхности, содержащей еще несколько граней. Эти грани, предназначенные для закрепления на них источников колебаний, расположены осесимметрично и под углом к оси трансформатора. Предложенный трансформатор универсален по отношению к типу используемых с ним электроакустических преобразователей (пьезоэлектрических, магнитострикционных), обладает высокими значениями коэффициента трансформации и фактора качества, который комплексно определяет его коэффициент полезного действия и эксплуатационный ресурс. 6 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к устройствам для передачи мощности упругих колебаний ультразвуковой частоты от их источника (электроакустического преобразователя) в нагрузку (газообразную, конденсированную или твердую среду) для выполнения этими колебаниями полезной работы, то есть к акустическим волноводным трансформаторам (далее - трансформаторы). Увеличение плотности потока передаваемой механической мощности, то есть ее концентрация, происходит за счет уменьшающейся в направлении передачи площади поперечного сечения трансформатора. Отношение амплитуды колебательного смещения на обращенном к нагрузке торце трансформатора к амплитуде колебательного смещения на торце, от которого передаются колебаний, пропорциональное корню квадратному из отношения плотностей потоков мощности, пересекающих поверхности этих торцов, называется коэффициентом трансформации и у концентратора превышает единицу. Трансформаторы чаще всего имеют форму круглых в поперечнике стержней или оболочек с кольцеобразным поперечным сечением, то есть их пространственные тела образованы вращением называемого профилем осевого сечения вокруг оси симметрии.

Область применения изобретения - не только передача колебаний с повышением их интенсивности, но и суммирование работы нескольких синхронизированных электроакустических преобразователей, то есть интегрирование их мощности.

В области ультразвуковой техники, где используется пьезоэлектрический способ преобразования электрической энергии в механическую, известны так называемые преобразователи Ланжевена или сэндвич-преобразователи, содержащие в качестве источников колебаний пьезоэлементы, которые, будучи сжаты с двух сторон металлическими массами, составляют вместе с ними твердотельный резонатор промышленной частоты, используемой для технологического применения ультразвука (20…40 кГц). Два таких устройства, закрепленные на одной оси друг за другом, составляют преобразователь, называемый в англоязычной технической литературе «hammer transducer». В нем осуществляется интегрирование мощности двух сэндвич-преобразователей, а роль концентратора может играть металлическая масса, соединяемая с нагрузкой и называющаяся передней [1,2 и ЕР 1060798, 2000]. Понятно, что такая конструкция, могущая содержать и более двух преобразователей, независимо от длины использованного в ней трансформатора сама по себе имеет увеличенную пропорционально числу интегрируемых источников длину по оси колебаний. Заключенное в ней число пьезоэлементов или пакетов, состоящих из нескольких пьезоэлементов, равно числу полуволн образуемых ими упругих колебаний. А, как известно, чем больше размер колебательной системы по оси плоскоупругих колебаний, тем выше их предрасположенность к возникновению при работе неосновных изгибных мод колебаний, на которых происходит потеря энергии [3]. Поэтому, какую бы форму и размер не имел сам трансформатор, присоединение к нему преобразователей друг за другом на одной оси не позволяет использовать рассмотренные аналоги для получения технического эффекта настоящего изобретения.

В области волноводов электромагнитных волн известен трансформатор, изменяющий моду колебаний на ортогональную, с которым могут быть соединены параллельно друг другу несколько источников колебаний [WO/2003/079483, 2003]. Этот изменяющий моду колебаний трансформатор имеет и твердотельные аналоги, используемые в области передачи механических упругих колебаний, которые также позволяют суммировать мощность нескольких источников, изменяя при этом их продольные колебания на поперечные [SU 663445, 1979] или крутильные [RU 2298299, 2007; RU 2337767, 2008]. В последнем случае трансформатор представляет собой общую с несколькими преобразователями твердотельную структуру, выполняемую из магнитострикционного материала. Известно, что волновой вектор любой возникающей в точке твердого тела моды механических колебаний может рассматриваться как геометрическая сумма вектора, совпадающего по направлению с вектором основной моды, и некоей тангенциальной составляющей - ортогонального к ней в этой точке вектора [4]. А продольные упругие колебания в твердом теле даже абсолютно симметричной относительно оси их распространения формы всегда имеют ортогональную составляющую, величина которой зависит от известного коэффициента Пуассона. Это значит, что механические напряжения растяжения-сжатия или сдвига в центрах симметрии рассмотренных аналогов, если бы они были выполнены сплошными, были бы очень велики. Поэтому, чтобы уменьшить вероятность разрушения конструкций трансформаторов при работе вследствие циклической усталости материала, из которого они изготавливаются, вблизи оси преобразованной моды колебаний их обязательно делают полыми. Однако эта мера не устраняет причину концентрации механических напряжений, а лишь ослабляет сами напряжения, оставляя низким значение «фактора качества» этих трансформаторов - известного критерия [3], с помощью которого оцениваются параметры такого рода устройств. Это и препятствует достижению сформулированного ниже технического результата изобретения при использовании и таких аналогов.

Известны трансформаторы, представляющие собой оболочки, пространственные тела которых образованы параллельным оси симметрии вращением вокруг нее на некотором расстоянии прямоугольного профиля, передающие колебания от источников, присоединяемых к ним на параллельных друг другу осях [5 и RU 2286205, 2006]. Такие трансформаторы, чтобы расположить оси источников на позволяющем избежать сложности их монтажа расстоянии друг от друга, должны иметь большой поперечный размер. Сами по себе они не увеличивают плотность мощности передаваемых колебаний, то есть не являются концентраторами и, следовательно, прямо не относятся к области предмета изобретения. Но они могут быть присоединены к другому концентратору, составляя с ним одно устройство. Так, известен составной трансформатор с параллельным присоединением к нему источников, имеющий коэффициент трансформации больше единицы [WO/2000/071266, 2000]. Составная конструкция трансформатора обладает повышенными потерями передаваемой энергии на внутреннем трении в металле элементов и трении скольжения в резьбах разъемных соединений, а также склонна из-за большой длины к образованию изгибных мод колебаний, что препятствует получению технического результата изобретения.

Наиболее близким к заявленному аналогичным техническим решением является принятый за прототип интегрирующий акустический волноводный трансформатор-концентратор, который входит составной частью в известную ультразвуковую колебательную систему [RU 2332266, 2008]. Прототип передает механическую мощность нескольких источников ультразвуковых колебаний с увеличением ее плотности. Фактически он представляет собой переднюю массу преобразователя Ланжевена, названную частотно-понижающей накладкой. Первым своим торцом с меньшей площадью поверхности она присоединяется посредством резьбового соединения шпилькой к остальной части системы, служащей для передачи акустической мощности в являющуюся нагрузкой жидкую среду, в которой колебаниями совершается полезная работа. Трансформатор выполнен в виде сужающегося по длине тела вращения с образующей, имеющей в плоскости профиля вид гладкой монотонной кривой. Служащая для присоединения источников колебаний поверхность другого его торца с площадью больше, чем у первого, содержит расположенные под углом к оси трансформатора и симметрично относительно нее плоские грани, к которым и присоединяются эти источники интегрируемой трансформатором колебательной мощности. Оси источников являются нормалями к граням, сходящимися в центре первого торца на оси трансформатора. Расстояния между каждой из граней и центром этого торца по осям источников кратны нечетному числу четвертей длины продольной акустической волны в материале трансформатора на частоте передаваемых им ультразвуковых колебаний. Таким образом, в составленной каждым из источников и трансформатором сэндвич-структуре отрезок луча волны основной моды колебаний равен или кратен половине длины волны этих колебаний в ней, так как она должна являться акустическим резонатором. Поскольку источники колебаний расположены под углом друг к другу, то монтаж их упрощается, значит разместить их на трансформаторе можно в большем количестве, чем на параллельных осях. То есть здесь устранен недостаток, присущий рассмотренным перед этим аналогам.

Но прототип все же обладает недостатками, препятствующими достижению с помощью него указанного ниже технического результата.

Первым очевидным недостатком конструкции с использованием прототипа является то, что резьбовое соединение источников колебаний с трансформатором подвергается при работе большим циклическим механическим нагрузкам. Этим недостатком обладают в той или иной мере все пьезокерамические преобразователи Ланжевена, поэтому в их конструкциях стараются расположить резьбу как можно дальше от зоны максимальной концентрации механических напряжений. В прототипе эта зона располагается вблизи плоскостей граней, к которым присоединяются источники колебаний, что известно из теории колебаний и волн [4]. Далеко же отодвинуть резьбовые соединения от места концентрации напряжений в прототипе нет возможности, так как это может ослабить его конструкцию, поскольку в соответствии с его отличительным признаком оси источников колебаний должны сходиться в одну точку.

Второй недостаток заключается в отсутствии универсальности. Конструкция прототипа может использоваться только при пьезоэлектрическом способе получения ультразвуковых колебаний. Изготовить же сэндвич-преобразователь для магнитострикционного способа получения колебаний в виде зажатого между металлическими массами пакета пластин из магнитострикционного материала затруднительно, так как в нем не будет достаточно места для размещения обмотки возбуждения. А полуволновой пакет, какие обычно и бывают у магнитострикторов, присоединенный к металлической массе, длина которой нечетно кратна четверти длины акустической волны, вообще не будет возбуждать колебаний, поскольку такая конструкция не будет являться резонатором и вся затраченная в ней мощность будет обращаться в реактивную.

И третьим недостатком является то, что торец трансформатора, в плоскости которого пересекаются оси источников, расположен к ним под произвольно выбираемым углом, а какие-либо признаки, конкретизирующие его выбор, отсутствуют. Это опять-таки порождает предрасположенность к образованию неосновных мод колебаний. Если циклические деформации металла при работе трансформатора вследствие неправильно выбранного угла будут несимметричными относительно оси источника, то возникнут тангенциальные колебания источников, то есть изгибные колебания, ортогональные к осям шпилек, которыми они притянуты к трансформатору. Они будут снижать эксплуатационный ресурс всей конструкции, так как известно, что пьезокерамические материалы обладают по сравнению с металлами очень низкой упругой податливостью [6]. Поэтому, будучи зажаты между двумя металлическими массами, совершающими изгибные колебания вместе со стягивающим их элементом конструкции, они могут легко разрушиться.

Сущность изобретения заключается в следующем. Если трансформатору прототипа придать полуволновую длину, то появится возможность использовать его для интегрирования мощности как пьезокерамических преобразователей типа Ланжевена, имеющих полуволновую же длину, так и магнитострикционных преобразователей, а также колебательных систем (излучателей) на основе и тех, и других. То есть он станет универсальным по отношению к способу получения колебаний. При этом если правильно выбрать форму трансформатора, то механические разъемные либо любые другие соединения преобразователей с трансформатором будут находиться в механически ненагруженной зоне колебательной системы - вблизи пучности колебательных смещений, а неосновных мод колебаний образовываться при работе не будет. Ресурс такой системы будет определяться ресурсом самих преобразователей, которые при таком решении становятся не ее частью, а самостоятельными по отношению к трансформатору устройствами. Таким образом, первый и второй недостатки прототипа будут устранены. Выбор формы трансформатора, как известно, заключается в выборе его профиля, расчете и оценке рассчитанного фактора качества [3, 7]. Работа акустического трансформатора упругой волны рассматривается в области теории упругости. Решения задач теории упругости в известных случаях находятся в комплексной плоскости механических напряжений-деформаций [8] и могут быть сведены к нахождению соответствующего конформного инварианта профиля трансформатора. Такой инвариант проще всего выбирать в плоской же области в виде полосы фиксированной ширины, в которой и могут задаваться форма и габариты искомого профиля посредством соответствующего вида отображающей функции, например, с использованием интегралов Кристоффеля-Шварца [9]. Известно распространение этого подхода и на упругие колебания в твердотельных волноводных трансформаторах, где под линиями потока понимают линии потока волнового вектора, совпадающие с траекториями переноса энергии от источника колебаний к нагрузке [7]. Такой подход в данном случае позволит точно рассчитать угол между осью источника колебаний и осью трансформатора, при котором колебания на выходном торце трансформатора будут плоскими, то есть третий недостаток прототипа тоже будет устранен.

Технический результат изобретения состоит в универсализации твердотельного интегрирующего акустического волноводного трансформатора (концентратора) по отношению к способу возбуждения передаваемых упругих колебаний, повышение его коэффициента трансформации и фактора качества, который комплексно определяет его технические характеристики - коэффициент полезного действия и эксплуатационный ресурс.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается за счет того, что в известном интегрирующем акустическом волноводном трансформаторе с боковой поверхностью, образованной вращением гладкой монотонной кривой вокруг оси, являющейся нормалью к плоскости торца трансформатора с меньшей площадью поверхности и к пересекаемой ею одной из плоских граней торца с большей площадью поверхности, содержащего еще несколько граней, которые расположены осесимметрично и под углом к этой оси, отличие состоит в том, что размер трансформатора между параллельными друг другу гранями противоположных торцов равен λ/2 - половине длины волны трансформируемых колебаний, а образующая боковой поверхности трансформатора в координатной плоскости, где ось абсцисс совпадает с осью трансформатора и начало координат находится на ее пересечении с проекцией торца меньшей площади поверхности, является геометрическим местом точек с координатами:

где

- функция комплексного переменного с аргументом ζ, представляющего собой:

- для образующей боковой поверхности - ограниченное множество комплексных чисел с вещественной частью в виде отрезка

и мнимой частью могущей принимать значения от

до ,

- для точки положения узла колебательных смещений на образующей боковой поверхности - комплексное число с вещественной частью, равной нулю, и мнимой частью, равной выбранной для образующей боковой поверхности;

- для точки пересечения оси, на которой к трансформатору будет присоединяться источник колебаний, с проекцией грани торца большей площади поверхности, а также для угла между этой осью и осью трансформатора, равного

- комплексное число с вещественной частью, равной 1/2, и мнимой частью, которая по абсолютной величине не превышает мнимой части, выбранной для образующей боковой поверхности.

Факторы качества [3, 10] заявленной конструкции трансформатора и прототипа можно сравнить количественно, математически смоделировав эти объекты.

Прототип не содержит признаков, формализованно описывающих образующую его боковой поверхности, и имеет длину, не соответствующую резонансной. Поэтому, чтобы условия сравнения были идентичными и были реализованы все признаки сравниваемых объектов, можно, например, представить его по одну сторону от большего торца образованным экспонентой телом вращения [3, 11] длиной L, равной проекции оси присоединяемого источника, пересекающей радиус этого торца по середине, а по другую - цилиндром диаметром, равным диаметру этого торца. Трансформатор такой формы в технической литературе называют цилиндрическо-экспоненциальным.

При подобном сравнении хрупкость материала пьезокерамических элементов не будет приниматься во внимание, то есть условия сравнения будут все же более выгодными для прототипа. Итак, пусть сравниваемые трансформаторы изготовлены из одного и того же металла, а площади их больших Smax и меньших Smin сечений одинаковы. Тогда из известных соотношений, используемых при расчете и проектировании акустических концентраторов [3, 11], можно описать зависимость площади поперечного сечения модели прототипа от x функцией вида:

где

Аналогичная зависимость для заявленного трансформатора получается посредством аппроксимации множества пар координат (1) гладкой аналитической функцией у от аргумента х. Известно, что если сравниваемые трансформаторы сделаны из одного и того же материала, то отношение резонансной угловой частоты к скорости звука в этом материале будет равно модулю волнового вектора, то есть волновому числу k. Выражение для фактора качества при этом упрощается, принимая вид

Максимальные значения колебательного смещения δ и упругой деформации ε в материале трансформатора находятся из решения при заданных начальных условиях системы дифференциальных уравнений:

где S, δ и ε - функции x, соответственно.

В таком представлении коэффициент трансформации для модели прототипа вычисляется из выражения

,

а резонансная длина соответствует координате на оси x, для которой ε=0.

У заявленного трансформатора m для любого значения мнимой части ζ, выбранной для образующей боковой поверхности, равен значению первой производной отображающей функции z при

,

а фактор качества - этой производной, деленной на половину взятой со знаком «-» второй производной от z при ζ=0, а именно

Это следует из используемой для описания его характеристик теории функций комплексного переменного.

Длина заявленного трансформатора, поскольку при любом значении η образующая его пространственного тела является линией потока волнового вектора и описывается одной и той же отображающей функцией, всегда равна 0,5λ, что задано одним из его признаков. Результаты сравнения посредством численного интегрирования (3) для прототипа пяти значений «параметра Imζ» - абсолютной величины мнимой части аргумента ζ для образующей боковой поверхности, приведены в нижеследующей таблице.

ОБЪЕКТ Трансформатор-прототип Заявленный трансформатор
ПАРАМЕТР
Параметр Imζ 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Коэффициент m 1,59 1,56 1,52 1,47 1,43 2,41
Фактор качества φ* 2,13 2,07 2,02 1,92 1,84 2,17
*Для справки: Согласно Э. Эйснеру у полностью экспоненциального трансформатора, плоской волны фактор качества лежит в пределах 2,50…2,72, у трансформатора со ступенчатым переходом от Smax к Smin - в пределах 0,8…1,0 [3].

Из таблицы видно, что и фактор качества заявленного трансформатора и коэффициент усиления внутри заданного его признаками диапазона выше, чем у прототипа, что говорит о более высоких значениях его КПД, эксплуатационного ресурса и функциональности. Таким образом, сравнение прототипа, являющегося наиболее близким аналогом из технических решений, характеризующих известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, с заявленным трансформатором показывает, что последний обладает существенными по отношению к указанному техническому результату отличительными признаками. При исследовании отличительных признаков изобретения заявителем не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся задания координат в полуплоскости осевого сечения трансформатора и нахождения его основных размеров путем конформного отображения на нее плоскопараллельного инварианта с целью универсализации его применения, увеличения функциональности, а также повышения КПД и эксплуатационного ресурса.

Трансформаторы с образующими боковой поверхности, являющимися конформными отображениями семейства параллельных линий, которые могут быть использованы и как интегрирующие, известны [RU 2183141, 2002; RU 2311971, 2006]. Но в них образующие являются линиями потока волнового вектора внутри осевого сечения упомянутого выше трансформатора полуволновой длины со ступенчатым переходом от Smax к Smin. Поэтому у них оба торца должны быть плоскими и перпендикулярными оси симметрии по определению, а значит им присущ недостаток рассмотренного выше аналога [WO/2000/071266, 2000].

На фиг.1 изображен общий вид ультразвукового устройства для передачи упругих колебаний в жидкую среду с целью стимулирования в ней химических процессов - сонохимического реактора, содержащего трансформатор 1, отвечающий признакам изобретения и интегрирующий мощности семи источников синхронных колебаний - пьезокерамических сэндвич-преобразователей 2.

На фиг.2 изображен совмещенный с разрезом по оси вид показанного на фиг.1 сонохимического реактора, содержащего герметичный корпус 3, в котором трансформатор 1 закреплен за буртик 4 посредством фланца 5, разрезного металлического кольца 6, уплотнения 7 и соединен с инструментом 8, передающим колебания в обрабатываемую жидкость.

На фиг.3 изображен общий вид ультразвукового устройства для волочения проволоки с наложением осевых ультразвуковых колебаний с целью снижения трения скольжения в инструменте (волоке), которое содержит трансформатор 1, отвечающий признакам изобретения и интегрирующий мощности трех магнито-стрикционных излучателей 2, имеющих жидкостное охлаждение.

На фиг.4 изображен совмещенный с разрезом по оси вид показанного на фиг.3 устройства для волочения, в котором волока 9 размещена внутри осевого канала в трансформаторе 1, в свою очередь, крепящемся на волочильном стане за буртик 4.

На фиг.5 на пятимиллиметровой координатной сетке показан профиль трансформатора, входящего в состав сонохимического реактора, изображенного на фиг.1 и 2, со всеми размерами, необходимыми для его изготовления из материала с длиной волны передаваемых колебаний, равной 224 мм, которые рассчитаны в соответствии с описанными в формуле изобретения признаками.

На фиг.6 аналогично фиг.5 изображен профиль трансформатора, входящего в состав устройства на фиг.3 и 4 со всеми размерами, необходимыми для его изготовления из материала с длиной волны передаваемых колебаний, равной 224 мм, которые рассчитаны в соответствии с описанными в формуле изобретения признаками.

В подтверждение возможности осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата ниже приводится описание конкретного примера его реализации.

Пусть акустический трансформатор предназначается для передачи с увеличением интенсивности ультразвуковых колебаний от семи пьезокерамических преобразователей Ланжевена в жидкую среду и входит в состав сонохимического реактора, как это показано на фиг.1 и 2. Частота трансформируемых колебаний составляет 22 кГц, а длина их волны в материале трансформатора, изготавливаемого из титанового сплава, на этой частоте равна 224 мм. Размеры профиля трансформатора, изображенного на фиг.5 по образующей его тела вращения, рассчитаны в соответствии с формулой изобретения при значении аргумента ζ в функции z, выражаемого отрезком в комплексной плоскости

Эта образующая может быть задана парами координат, по которым можно, например, составить программу для токарного станка с числовым программным управлением. Аналитическая функция зависимости y от х для задания профиля с любой требуемой точностью, получается путем аппроксимации множества пар, вычисленного из (1) гладкой кривой, например, экспонентой с полиномиальным показателем. Полученный таким путем массив координат для образующей рассматриваемого трансформатора с шагом по оси вращательной симметрии, равном 2 мм, приведен ниже.

Координата на оси, мм 0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0
Диаметр сечения, мм 44,6 44,6 44,6 44,6 44,7 44,7 44,8 44,8 44,9 44,9
20,0 22,0 24,0 26,0 28,0 30,0 32,0 34,0 36,0 38,0 40,0 42,0 44,0 46,0
45,0 45,1 45,2 45,3 45,4 45,5 45,7 45,9 46,1 46,4 46,7 47,0 47,4 47,8
48,0 50,0 52,0 54,0 56,0 58,0 60,0 62,0 64,0 66,0 68,0 70,0 72,0 74,0
48,4 48,9 49,6 50,4 51,3 52,3 53,4 54,6 56,0 57,6 59,2 61,1 63,1 65,2
76,0 78,0 80,0 82,0 84,0 86,0 88,0 90,0 92,0 94,0 96,0
67,5 69,9 72,5 75,1 77,9 80,7 83,7 86,7 89,8 93,0 96,2

Поскольку число источников колебаний в устройстве равно семи, то в одной плоскости профиля трансформатора могут находиться три оси источников. Они, чтобы источники равномерно заполняли площадь большего торца, должны быть расположены симметрично относительно оси трансформатора и на равных друг от друга расстояниях. Это условие выполняется, что очевидно, когда линии потоков волнового вектора, которые показаны крупным пунктиром, являющиеся продолжением осей источников от места их присоединения к трансформатору (точки А, А' и C), пересекают проекцию противоположного торца (точки В, В' и D), как показано на фиг.5, то есть одна - на оси трансформатора, а две симметричные друг другу - на 2/3 высоты этой проекции по обе стороны этой оси. Иными словами, мнимая часть аргумента ζ в соответствии со сформулированным признаком составляет

.

Поэтому положение точек пересечения осей периферийных источников и проекциями граней торца трансформатора А (x=105 мм, y=34 мм) и А' (x=105 мм, y=-34 мм) вычислено при значении аргумента

.

Положение на образующей профиля узла колебательных смещений, обозначенного точками Е (x=67 мм, y=29 мм) и Е' (x=67 мм, y=-29 мм), вблизи которого должен быть выполнен буртик для закрепления трансформатора в корпусе устройства (фиг.2) во избежание вибраций последней, вычислено при значении аргумента

.

Углы пересечения осей источников колебаний с осью трансформатора и наклона к ней граней торца трансформатора вычислены, как

и 90°-α=65°, соответственно.

Длина трансформатора по его оси вычислена по (1) при значении аргумента

или, что одно и то же, как

.

Порядок выполнения операций формообразования (без сверления и нарезания резьб) при изготовлении трансформатора может быть, например, таким.

Сначала на токарном станке вытачивается заготовка, представляющая собой тело вращения с заданной образующей, буртиком 4, заканчивающаяся или цилиндрической, или конической поверхностью с углом, равным

(на фиг.5, показано мелким пунктиром в верхней и нижней полуплоскости, соответственно). Затем на фрезерном либо плоскошлифовальном станке, оснащенном делительной головкой, выполняются грани для крепления источников колебаний. В процессе сборки для закрепления в корпусе 3 сонохимического реактора (фиг.2) сначала на трансформатор с установленными на нем источниками колебаний 2 и инструментом 8, передающим колебания в обрабатываемую жидкость, через буртик 4 на нем, надевается фланец 5 и разрезное кольцо 6, которое препятствует обратному ходу фланца 5, запирая его. Затем эта конструкция устанавливается на корпусе 3 через уплотнение 7, обеспечивающее герметичность реактора, и закрепляется болтами.

В составе сонохимического реактора трансформатор работает следующим образом. Упругие колебания закрепленных на нем семи источников 2, являющихся акустическими резонаторами типа ланжевеновских, возбуждают в нем самом резонансные же колебания на частоте 22 кГц, так как он имеет резонансный размер на этой частоте по всем направлениям потока волнового вектора главной моды колебаний. Эти колебания с увеличенной в 2,41 раза амплитудой передаются посредством инструмента 8 в нагрузку - обрабатываемую в реакторе жидкость. При этом плотность переносимой через передний торец трансформатора мощности является суммой интенсивностей, создаваемых каждым из источников колебаний. Плоскости граней, к которым закреплены источники колебаний, в такой резонансной колебательной системе располагаются в узлах деформаций металла как самого трансформатора, так и этих источников. Поэтому механические нагрузки на скрепляющие их резьбовые соединения минимальны. Расположение осей источников под углом пересечения граней линиями потока волнового вектора, касательными к которым в точке этого пересечения они являются, обеспечивает минимальную предрасположенность источников к изгибным колебаниям, так как колебания в плоскости каждой из граней минимально отличаются от плоских.

В качестве примера, подтверждающего универсальность заявленного трансформатора по отношению к типу источников колебаний на фиг.3 и 4, изображено устройство для наложения осевых колебаний ультразвуковой частоты на инструмент - волоку 9 для создания холодной пластической деформации (наклепа) на металлической проволоке во время процесса волочения. Устройство служит для снижения трения при волочении, устанавливается на волочильном стане и крепится на нем за ступенчатый буртик 4 трансформатора 1, на котором амплитуда передаваемых колебаний нулевая. В качестве источников колебаний 2 устройство содержит серийно выпускаемые для кавитационных реакторов типа РКУ (ТУ 5130-002-26784341-2008) ультразвуковые магнитострикционные излучатели электрической мощностью 630 Вт в кожухах жидкостного охлаждения. Суммарная акустическая мощность, передаваемая трансформатором 1 волоке 3, составляет с учетом равного 50-60% КПД используемых магнитострикционных излучателей около 1 КВт. Профиль трансформатора с основными размерами, необходимыми для его изготовления, показан на фиг.6. Он рассчитан при значении мнимой части комплексного аргумента ζ функции z, равном

и ее определяющей расположение источников колебаний части, равной половине.

Прототип, как уже было отмечено выше, обладает относительно низким эксплуатационным ресурсом из-за хрупкости используемых в нем источников колебаний - пьезокерамических элементов. В таком применении, где акустическое сопротивление нагрузки содержит большую долю реактивной составляющей, а значит требует большей механической прочности источника, он не сможет обеспечить надежности и долговечности устройства. Трудно создать аналогичное устройство, используя один более прочный и надежный, чем пьезокерамика, магнитострикционный источник колебаний мощностью 1 КВт, каким бы соединенным с магнитостриктором известным акустическим трансформатором ни был бы он оснащен. Из-за его осевой конструкции потребуется расположение его на одной оси с волокой и более интенсивное жидкостное охлаждение, чем каждого из рассмотренных выше трех, поскольку тепловые потери у него сосредоточены в относительно меньшем объеме. А заявленный интегрирующий трансформатор позволяет расположить дающие в сумме ту же мощность три магнитострикционных излучателя под углом к оси волоки и на некотором удалении от обрабатываемой проволоки и тем самым избежать конструктивных сложностей.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных или известных средств и методов, а также о способности достижения указанного выше технического результата при реализации признаков изобретения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Chilibon I., Wevers M. and Lafaut J.-P. Ultrasound underwater transducer for ESWL // Romanian Reports in Phisics, Vol.57, 4, 2005, p.p.979-992.

2. Prokic M., Tapson J. and Mortimer B. The ultrasonic hammer transducer // Piezoelecric transducers modeling and characterization, 2nd edition, August 2004, http://www.mpi-ultrasonics.com

3. Физическая акустика / под ред. У.Мэзона, том 1, часть А. - М.: Мир, 1967.

4. Горелик Г.С. Колебания и волны. - М.: ИФ-МЛ, 1959.

5. Шестаков С.Д. Исследование возможности непараметрического усиления многопузырьковой кавитации // Прикладная физика, 2008, №6, с.18-24.

6. Глозман И.А. Пьезокерамика. - М.: Энергия, 1972.

7. Шестаков С.Д. Комплексная критериальная оценка качества трансформации плоской упругой волны // XIII сессия Росс. акуст. об-ва, т.1. - М.: ГЕОС, 2003, с.31-35.

8. Фукс Б.А., Левин В.И. Функции комплексного переменного и некоторые их приложения. - М., Л.: Наука, 1951.

9. Лаврик В.И., Савенков В.Н. Справочник по конформным отображениям. - Киев: Наукова думка, 1970.

10. Шестаков С.Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции. - М.: ЕВА-пресс, 2001.

11. Холопов Ю.В. Ультразвуковая сварка. - Л.: Машиностроение, 1988.

Акустический волноводный трансформатор с боковой поверхностью, образованной вращением гладкой монотонной кривой вокруг оси, являющейся нормалью к плоскости торца трансформатора с меньшей площадью поверхности, и к пересекаемой ею одной из плоских граней торца с большей площадью поверхности, содержащего еще несколько граней, которые расположены осесимметрично и под углом к этой оси, отличающийся тем, что размер трансформатора между параллельными друг другу гранями противоположных торцов равен - половине длины волны трансформируемых колебаний, а образующая боковой поверхности трансформатора в координатной плоскости, где ось абсцисс совпадает с осью трансформатора и начало координат находится на ее пересечении с проекцией торца меньшей площади поверхности, является геометрическим местом точек с координатами
где - функция комплексного переменного с аргументом ζ, который представляет собой:
для образующей боковой поверхности - ограниченное множество комплексных чисел с вещественной частью в виде отрезка и мнимой частью, могущей принимать значения от до ;
для точки положения узла колебательных смещений на образующей боковой поверхности - комплексное число с вещественной частью, равной нулю, и мнимой частью, равной выбранной для образующей боковой поверхности;
для точки пересечения оси, на которой к трансформатору будет присоединяться источник колебаний, с проекцией грани торца большей площади поверхности, а также для угла между этой осью и осью трансформатора, равного - комплексное число с вещественной частью, равной , и мнимой частью, которая по абсолютной величине не превышает мнимую часть, выбранную для образующей боковой поверхности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к колебательным системам, и может быть использовано как при разработке акустических систем различного технологического назначения, так и в существующем ультразвуковом оборудовании, созданном на базе преобразователей разных типов.

Изобретение относится к области ультразвуковой техники и может быть использовано в различных ультразвуковых устройствах в металлургической, атомной и радиоэлектронной промышленности.

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к акустическим волноводным трансформаторам, выполненным в виде круглых в поперечном сечении стержней, оболочек кольцеобразного поперечного сечения и пластин квадратного или прямоугольного поперечного сечения.

Изобретение относится к области обрабатывающего оборудования, используемого при обработке материалов в жидких средах с помощью ультразвука. .

Изобретение относится к акустоэлектронике и ультразвуковой технике. .

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к конструкциям ультразвуковых колебательных систем. .

Изобретение относится к технике динамических испытаний изделий и обеспечивает возможность создания на вибростенде последовательности знакопостоянных импульсов с паузами между ними.

Изобретение относится к ультразвуковой очистке изделий в жидкости и позволяет повысить электроакустический КПД ванны и стабильность ее работы. .

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может применяться в ультразвуковых технологических устройствах при обработке материалов. .

Изобретение относится к области физики и может быть использовано: для предварительной водоподготовки питьевой воды: очистки исходной воды от планктона (ПТ), водорослей (ВД), взвешенных веществ (ВВ) и коллоидных частиц (КЧ), обеззараживании воды - очистки воды от болезнетворных бактерий (ББ), а также холодной (акустической) сушки осадка и его дальнейшего использования в строительных материалах - в интересах здоровья населения; для очистки оборотных промышленных вод и для очистки промышленных сточных вод от нефтепродуктов (НП), тяжелых металлов (ТМ), ВВ и КЧ, а также раздельной сушки различных осадков с последующей утилизацией (при наличии ББ в нем) или дальнейшего использования (при отсутствии ББ в нем) в строительных материалах - в интересах рационального природопользования; для очистки бытовых сточных вод от ВВ, КЧ и ББ, а также раздельной сушки различных осадков с последующей утилизацией и дальнейшего использования в качестве сырья для биотоплива и др
Наверх