ультразвуковая колебательная система

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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; L ₀ - длина рабочего излучающего элемента, м.

Для каждой собственной резонансной частоты характерна собственная колебательная добротность рабочего излучающего элемента Q_0,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 L_j, где j=1, 2, 3...N, где N - общее количество ступеней имеет собственную резонансную частоту, определяемую выражением:

где c_П - скорость распространения продольной акустической волны в материале пьезоэлектрических элементов, м/с; L_П - длина пакета пьезоэлектрических элементов, м; с_М - 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, Q ₂, Q_j, Q_N - 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 F_i и двух собственных частот рабочего излучающего тела F_0,j+n-1 и f_0,j+n, смежных с частотой F _j определяется выражением:

где Q_j - 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 f_H =18 кГц, верхняя граница частотного диапазона f _H=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 L_П =0,013 м. Скорость распространения продольной акустической волны в пьезоэлектрической керамике c_П=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.