УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ ДЛЯ ГАЗОВЫХ СРЕД

Предлагаемая полезная модель относится к области силового ультразвука, в частности к разработке излучателей, которые могут работать в газовой, в том числе, в воздушной среде на изгибных колебаниях и создавать уровень звукового давления не менее 100 дБ.
Излучатели подобного типа могут быть использованы в таких производственных процесса, как осаждение дисперсных частиц из воздушной среды с целью ее очистки от вредных примесей, для осаждения аэрозолей природного происхождения и при аэрозольном загрязнении атмосферы, для осаждения техногенных аэрозолей, образующихся при взрывах, при добыче и переработке сырья. Так же такие устройства могут быть использованы для рассеиванья туманов над взлетно-посадочными полосами аэропортов, акваториями морских и речных портов, над автомагистралями.
Известны ультразвуковые излучатели для воздушной среды, в частности, мощные ультразвуковые излучатели, акустические колебания которых вызывают коагуляцию взвешенных в воздухе капелек влаги. (Патент РФ №2421566, МПК E01H 13/00 «Способ электрофизического воздействия на воздушно-капельные дисперсии»). При проектировании излучателя, который использован для реализации способа, авторы решили несколько сложных задач, обусловленных тем, что газовые среды имеют низкий акустический импеданс и высокий коэффициент поглощения ультразвука. Для эффективной передачи энергии необходимо, чтобы импедансы источника и среды были согласованы, необходимо добиться высокой амплитуды колебаний излучателя и хорошей характеристики направленности.
Ультразвуковой излучатель, используемый в указанном способе, имеет форму плоского диска, к центру которого с одной стороны присоединен преобразователь. В процессе работы диск совершает изгибные колебания. Недостатком этой конструкции является то, что формируется практически непригодная для технологических целей характеристика направленности. Это вызвано тем, что при колебаниях диска постоянного сечения соседние участки колеблются в противофазе, и соседние области излучения компенсируют друг друга. Кроме того, собственные частоты такого диска находятся очень близко друг к другу, что делает практически невозможным или очень сложным возбуждение его на желаемой резонансной частоте. Также недостатком излучателя является его низкая механическая прочность.
Известен излучатель, описанный в статье Хмелева В.Н. Лебедева А.Н. и др. «Многочастотная ультразвуковая колебательная система с дисковым излучателем», U-Sonic.ru - Лаборатория акустических процессов и аппаратов. Рассматриваемый в статье излучатель выполнен в виде диска ступенчато-переменной формы и содержит центральный цилиндр и несколько колец вокруг цилиндра. Диаметр цилиндра и ширина каждого кольца, кроме крайнего, приблизительно равны λ/2, а ширина крайнего кольца равна величине, близкой к λ/4. Выполнение этих условий позволяет добиться требуемой характеристики направленности путем экспериментального подбора ширины и толщины цилиндра и дисков. При этом учитывается то обстоятельство, что титановый диск подвергается изгибным колебаниям, т.е. соседние участки колеблются в противофазе, и излучение одного участка гасит излучение другого в том случае, если соседние участки находятся на одном уровне, и наоборот. Для выравнивания фазового фронта используется ступенчатое изменение толщины соответствующих участков. Так же, ступенчато-переменная форма диска позволяет избавиться от паразитных гармоник, ухудшающих КПД диска.
Но рассмотренный излучатель имеет существенный недостаток. Продолжительность работы его очень невелика. Изгибные колебания быстро разрушают диск, выполненный даже из прочного материала.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемой полезной модели является ультразвуковой излучатель в воздушную среду, изложенный в патенте ES №2330595 (МПК B01D 19/00, B05D 3/06) и предназначенный для гашения пены. Его механическая устойчивость к изгибным колебаниям несколько выше, чем у рассмотренного выше излучателя.
Известный излучатель выполнен в виде диска, форма профиля излучающей поверхности которого является симметричной относительно центра и выполнена в виде меандра, вертикальные участки которого расположены в узловых точках, а их высота обеспечивает выравнивание фазового фронта, причем центр диска находится в области выступа, а край диска расположен в области впадины.
Такой профиль излучателя позволяет получить высокий уровень ультразвуковых колебаний на некотором расстоянии от излучателя. Выполнение поверхности диска в форме меандра позволяет выровнять фазу колебаний от разных точек диска и повысить прочность конструкции. Но, тем не менее, прочность известного излучателя не достаточно высока.
Задачей, решаемой полезной моделью, является разработка механически прочного ультразвукового излучателя для газовых сред, обеспечивающего длительную надежную работу.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый излучатель, так же, как и известный, выполнен в виде диска, профиль излучающей поверхности которого имеет форму меандра, симметричного относительно центра, причем вертикальные участки меандра расположены в узловых точках, а их высота обеспечивает выравнивание фазового фронта, край диска совпадает с впадиной меандра, а центр диска выполнен в виде выступа, с обратной стороны которого предусмотрена возможность присоединения ультразвукового преобразователя. Но в отличие от известного, на обратной стороне излучателя выполнены борозды, расположенные в утолщенных участках диска.
Достигаемый технический результат - увеличение механической прочности к изгибным колебаниям и срока службы излучателя.
Достижение технического результата объясняется тем, что при изгибных колебаниях диска борозды в утолщенных участках уменьшают напряжения растяжения-сжатия, т.е уменьшают разрушающие напряжения.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором показан излучатель в разрезе.
Излучатель выполнен в виде диска 1. Профиль поверхности диска имеет форму меандра, симметричного относительно центра, причем вертикальные участки меандра расположены в узловых точках (а, б), центр диска выполнен в виде выступа 2, а край 3 диска совпадает с впадиной меандра. Высота вертикальных участков, обеспечивает выравнивание фазового фронта над диском. На противоположной стороне излучателя выполнены борозды 4, расположенные в утолщенных участках диска. 5 - область присоединения ультразвукового преобразователя. При возбуждении изгибных колебаний соседние участки диска колеблются в противоположных фазах, но, благодаря тому, что участки находятся на разной высоте, над диском колебания имеют одинаковую фазу и складываются. Изгибные колебания вызывают сильные механические напряжения в материале, но благодаря тому, что поверхность диска имеет форму меандра, а переход от вертикальной поверхности к горизонтальной происходит в узловой точке механическое напряжение сводится в этом случае к минимуму. Но на утолщенных участках диска напряжения, возникающие при изгибных колебаниях, обычно достигают больших значений, так как велика амплитуда колебаний. В случае выполнения борозд на обратной стороне диска в области утолщений эти напряжения значительно уменьшаются. Следствием чего является увеличение механической прочности к изгибным колебаниям и срока службы излучателя.
По результатам моделирования был изготовлен титановый излучатель в соответствии с формулой полезной модели, результирующая интенсивность ультразвуковых колебаний в воздухе составила 129 дБ на расстоянии 1 метра от излучающей поверхности. Собственная частота колебаний диска составила 21340 Гц. На этой частоте удается эффективно возбудить изгибную моду. Срок службы излучателя достигает 10 месяцев, это приблизительно в три раза превышает срок службы известных конструкций.
Описание работы доказывает возможность создания ультразвукового излучателя в газовую среду, в котором предусмотрены меры, увеличивающие срок его эксплуатации.