УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
ULTRASOUND VIBRATORY SYSTEM

Изобретение относится к области ультразвуковой техники и служит для получения и передачи механических колебаний дозвуковой, звуковой или сверхзвуковой частоты и может быть использовано в любых технологических процессах, идущих с применением ультразвука.
Известны ультразвуковые колебательные системы (пьезокерамические преобразователи) типа Ланжевена [Е.Кикучи. Ультразвуковые преобразователи. М.: Издательство «Мир», 1972, с.472.; Патент ФРГ №2711306 МКИ В06В 3/00]. Этот тип преобразователей представляет собой мозаику, набранную из кусков кварца γ-среза и заключенную между двумя металлическими пластинами. Недостатками пьезокерамических преобразователей данного типа являются: нетехнологичность конструкции, сложность сборки и малая мощность.
Известны также ультразвуковые колебательные системы (излучатели) типа «сэндвич» [С.С.Волков, Б.Я.Черняк. Сварка пластмасс ультразвуком. М.: Химия, 1986, с.126.; Новиков А.А., Негров Д.А., Шустер Я.Б. К вопросу определения усилия стяжки пьезокерамических преобразователей продольного типа. Материалы III Международного научно-технологического конгресса «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения». - Омск. - 2005. - Ч.1. - С.177-178; Свидетельство на полезную модель RU №18655. Ультразвуковой керамический излучатель. / Новиков А.А., Шустер Я.Б., Негров Д.А. Опубл. БИ №19, 2001], одна из которых и выбрана в качестве прототипа [RU 2141386 «Ультразвуковая колебательная система» Барсуков Р.В. и др.], как наиболее близкая по технической сущности к предлагаемой. Она представляет собой колебательную систему в форме тела вращения, образованную последовательно расположенными и акустически связанными между собой двумя металлическими накладками и двумя пьезоэлектрическими элементами, расположенными между накладками, причем образующая тела вращения колебательной системы выполнена в виде непрерывной кусочногладкой кривой, а тело вращения состоит из трех участков: первый цилиндрический, второй участок с экспоненциальным или плавным радиусным изменением диаметра сечения, и третий - цилиндрический, при этом кольцевые пьезоэлектрические элементы расположены между экспоненциальным и первым цилиндрическим участком, которые соединены стяжным элементом (например, болтом или шпилькой).
Излучатели типа «сэндвич» свободны от недостатков излучателей типа Ланжевена, описанных выше. Они просты в изготовлении и сборке, однако при малых диаметрах используемых пьезоколец диаметр внутреннего отверстия в пьезокольце становится величиной, ограничивающей энергетические параметры колебательной системы, поскольку с одной стороны уменьшает активную поверхность пьезоэлемента, а с другой - приводит к необходимости такого уменьшения диаметра стяжной шпильки или болта, при котором прочностные характеристики стяжного элемента не обеспечивают надежной работы колебательной системы в целом.
Техническим результатом изобретения является увеличение амплитуды колебаний при одновременном повышении надежности работы и значительном уменьшении габаритных размеров и массы ультразвуковой колебательной системы.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве, представляющем собой ультразвуковую колебательную систему в форме тела вращения, образованную последовательно расположенными двумя металлическими накладками, отражающей и концентрирующей, и двумя пьезоэлектрическими элементами, расположенными между накладками, акустически связанными между собой стяжным элементом, согласно заявляемому изобретению, пьезоэлементы выполнены дисковыми, отражающая накладка состоит из последовательно расположенных резьбового упора с центральным отверстием и дисковой накладки, концентрирующая накладка содержит три участка: первый - цилиндрический с фланцем, второй - экспоненциальный и третий - выходной цилиндрический с резьбовым глухим отверстием для крепления волновода-инструмента, а стяжной элемент выполнен в виде стакана с внутренней резьбой и двумя отверстиями: круглым в центре днища и прямоугольным на боковой поверхности стакана, причем первый цилиндрический участок концентрирующей накладки выполнен резьбовым до фланца и на этом участке дополнительно размещена накидная гайка.
Сборочный чертеж предложенного устройства приведен на рис.1 и содержит следующие элементы: концентрирующую накладку 1, вставленную в круглое отверстие стакана 2 так, чтобы ее положение фиксировалось фланцем накладки; пьезоэлементы 3 с контактными лепестками 4, выступающими через прямоугольное отверстие 5 стакана 2, зафиксированные в стакане 2 с помощью дисковой накладки 6 и фторопластовой ленты в виде разрезанного кольца 7 и резьбового упора 8. Накидная гайка 9 расположена на цилиндрическом фланцевом участке концентрирующей накладки 1.
Предложенное устройство работает следующим образом.
При подаче высокочастотного напряжения на выводы контактных лепестков 4, выступающих через прямоугольное отверстие 5 боковой поверхности стакана 2, пьезокерамические диски 3 осуществляют преобразование электрического сигнала в акустический сигнал.
При работе акустической колебательной системы [Новиков А.А., Шустер Я.Б., Негров ДА. Особенности проектирования ультразвукового пьезокерамического преобразователя полуволновой длины. Омский научный вестник. - 2009. Сер.: Приборы, машины и технологии. - №3 (83). - С.194-198.], распределение амплитуд продольных акустических колебаний по длине данной акустической системы будет выглядеть, как показано на рис.2. При этом «нулевые» колебания будут приходиться на область цилиндрического фланцевого участка концентрирующей накладки 1, поэтому расположение на этом участке накидной гайки 9 позволит использовать ее для жесткого крепления всей колебательной системы в корпусе излучателя при минимальном воздействии элементов крепления на характеристики акустической системы. С другой стороны, использование в качестве стяжного элемента стакана 2, переводит конструкцию ультразвуковой акустической системы из системы с внутренней стяжкой (наиболее широко распространенной в настоящее время как у нас в стране, так и за рубежом [Prokic M. Piezoelectric transducers modeling and characterization // MP Interconsulting. Le Locle, Switzerlend. - 2004. - 186 р.]), в конструкцию систем с внешней стяжкой. Это, во-первых, обеспечивает возможность использования в качестве пьезоактивных элементов не кольца, а диски, что при тех же диаметрах акустической системы позволяет увеличить выходную акустическую мощность, причем тем существеннее, чем меньше диаметр используемых пьезоэлементов, а во-вторых, избавляет от проблемы обеспечения необходимой прочности и надежности работы внутреннего стяжного элемента.
Прямоугольное отверстие 5 на боковой поверхности стакана 2 используется для вывода через него контактных лепестков 4, а отверстие в резьбовом упоре 7 обеспечивает не только возможность стяжки пьезодисков без их проворота, но и возможность некоторой коррекции частотных характеристик колебательной системы.
Таким образом, предлагаемая ультразвуковая акустическая система позволяет:
- получить эффективные малогабаритные ультразвуковые излучатели при использовании пьезоэлементов (дисков) малых диаметров;
- достичь минимального влияния элементов крепления акустической системы в корпусе ультразвукового излучателя;
- увеличить амплитуду колебаний системы при одновременном повышении надежности работы при значительном уменьшении габаритных размеров и массы, что крайне необходимо для современного ультразвукового медицинского оборудования.