Высокочастотный пьезопреобразователь для ультразвуковой коагуляции
HIGH-FREQUENCY PIEZOELECTRIC TRANSDUCER FOR ULTRASONIC COAGULATION

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к конструкциям ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей, формирующих высокочастотные (30…100 кГц) колебания и может быть использовано для создания систем ультразвуковой коагуляции в газодисперсных средах для объединения и удаления субмикронных (менее 1 мкм) твердых и жидких частиц и в жидкодисперсных средах для объединения и удаления твердых и газообразных субмикронных (менее 1 мкм) частиц.
Ультразвуковые технологии находят широкое распространение в различных областях деятельности человека. Воздействие ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности позволяет реализовать новые процессы, существенно ускорить известные технологии и получать новые вещества с уникальными свойствами. Реализация ультразвуковых технологий всегда связана с воздействием на различные среды и объекты таких ультразвуковых колебаний, которые способны изменять их структуру и свойства. Для создания ультразвуковых колебаний разработаны, производятся и применяются различные преобразователи, обеспечивающие преобразование какого либо вида энергии в механические колебания требуемой частоты и мощности при заданной поверхности излучения.
Используемые на практике преобразователи, основанные на магнитострикционном или пьезоэлектрическом эффектах, работают только в области низкочастотных ультразвуковых колебаний (18…30 кГц). При этом такие преобразователи способны формировать УЗ колебания только определенной мощности, ограниченной размерами (объемом) активных магнитострикционных или пьезоэлектрических элементов.
Это существенно ограничивает области применения ультразвуковых технологий и делает их не пригодными для решения большого количества актуальных проблем, связанных с возможностями высокочастотных (более 30…100 кГц) ультразвуковых излучателей повышенной мощности (до 1000 Вт), с большой площадью излучения, способных обеспечивать воздействия в газодисперсных средах колебаниями с уровнем звукового давления более 130…150 дБ и интенсивностью более 10 Вт/см2 в жидкодисперсных средах.
Таким образом, необходимость создания и применения высокочастотных преобразователей повышенной мощности обусловлена возможностью решения актуальных проблем защиты человека, связанных с воздействием на большие пространства газодисперсных сред для коагуляции субмикронных (менее 1 мкм) частиц и на большие объемы жидкодисперсных сред для коагуляции и удаления твердых и газообразных субмикронных частиц.
При создании высокочастотного ультразвукового излучателя за основу может быть выбран только пьезоэлектрический преобразователь, поскольку у магнитострикционных преобразователей при повышении частоты более 30 кГц существенно падает эффективность преобразования.
Пьезоэлектрический преобразователь, выполненный по конструктивной схеме Ланжевена (преобразователь Ланжевена), представляет собой последовательно установленные, механически и акустически связанные между собой излучающую накладку, два (или 4, 6) пьезоэлектрических элемента и отражающую накладку. Длина всего преобразователя определяет резонансную частоту формируемых УЗ колебаний и соответствует половине длины волны в материалах преобразователя. Возможность преобразования определенного количества подводимой к преобразователю электрической энергии в энергию механических колебаний ультразвуковой частоты (мощность преобразователя) определяет диаметр и толщина пакета пьезоэлементов (объем пьезоматериала).
Поскольку такие преобразователи хорошо зарекомендовали себя при создании низкочастотных (менее 30 кГц) ультразвуковых излучателей мощностью до 150…1000 Вт, неоднократно предпринимались попытки создать на их основе аналогичные мощные высокочастотные пьезоэлектрические преобразователи путем уменьшения продольного размера и увеличения диаметра.
Однако такие попытки были обречены на провал по следующим причинам:
- уменьшение общей длины пьезопреобразователя приводит к тому, что резонансная частота продольных колебаний начинает приближаться к резонансной частоте паразитных диаметральных резонансных колебаний и эффективность формирования продольных колебаний резко падает.
- к сожалению, эту проблему невозможно устранить (даже с потерей эффективности преобразования) повышением мощности пьезопреобразователя за счет увеличения диаметра и количества пьезоэлементов. Основные причины заключаются в том, что промышленностью, из-за ряда принципиальных технологических проблем, не производятся пьезоэлектрические элементы кольцевой формы с внешним диаметром более 50…60 мм и толщиной более 5…6 мм. Кроме того, конструктивное размещение большого количества пьезоэлементов (четыре и более) существенно увеличивает их нагрев за счет размещения пьезоматериала в зонах значительных механических колебаний, при одновременном снижении эффективности теплоотдачи от внутренних пьезоэлектрических элементов в пакете.
По этим причинам, диаметр пьезоэлектрического преобразователя не может быть больше половины длины преобразователя (т.е. не более четверти длины волны λ/4).
Простейшие расчеты показывают, например, что при создании пьезопреобразователя с рабочей частотой 90 кГц могут быть использованы пьезокерамические элементы с максимальным диаметром не более 13 мм, и мощность такого преобразователя не будет превышать 20…30 Вт.
Единственным решением проблемы создания преобразователей с мощностью, приближающейся к мощности низкочастотных преобразователей (до 500…1000 Вт) является суммировании энергии нескольких пьезоэлектрических преобразователей Ланжевена. На этом основаны конструкции известных аналогов [1-4]. Все вышеуказанные преобразователи обладают низкой эффективностью суммирования энергии УЗ колебаний из-за размещения источников колебаний на параллельных осях и невозможности формирования УЗ колебаний высокой частоты. Поэтому они не способны обеспечить высокую эффективность коагуляции субмикронных частиц в газах и жидкостях.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению, является пьезопреобразователь по патенту [5], принятый за прототип.
Пьезопреобразователь по [5], состоит из последовательно размещенных и акустически связанных между собой частотнопонижающих отражающих накладок, пакетов из четного числа пьезоэлементов кольцевой формы, установленных на общей суммирующей накладке.
Преобразователь суммирует механическую мощность нескольких источников ультразвуковых колебаний с увеличением ее плотности. Фактически суммирующая накладка представляет собой переднюю массу преобразователя Ланжевена. Излучающем торцом, с меньшей площадью поверхности, она присоединяется, посредством резьбового соединения, шпилькой к остальной части колебательной системы (концентратор, бустерное звено и рабочий инструмент), служащей для передачи акустической мощности в являющуюся нагрузкой газовую или жидкую среду, в которой колебаниями совершается полезная работа. Суммирующая накладка выполнена в виде сужающегося по длине тела вращения с образующей, имеющей в плоскости профиля вид гладкой монотонной кривой. Служащая для присоединения пакетов пьезоэлементов поверхность другого торца суммирующей накладки с площадью больше, чем у излучающего, имеет плоские грани, к которым и присоединяются источники колебательной мощности (пьезоэлементы и отражающие накладки). Оси источников являются нормалями к граням, сходящимися в центре излучающего торца суммирующей накладки. Расстояния между каждой из граней и центром излучающего торца суммирующей накладки по осям источников кратны нечетному числу четвертей длины продольной акустической волны в материале суммирующей накладки на частоте формируемых ультразвуковых колебаний.
Таким образом, в прототипе длина резонансной конструкции, как и в преобразователе Ланжевена, равна или кратна половине длины волны колебаний в ней. Поскольку источники колебаний (пьезоэлементы) расположены под углом друг к другу, то монтаж их упрощается, значит разместить их на суммирующей накладке можно в большем количестве, чем на параллельных осях. Таким образом, суммирование мощности отдельных пьезоэлементов осуществляется на общей суммирующей накладке, и для суммирования могут быть использованы пьезоэлементы и отражающие накладки малого диаметра, но возможность формирования высокочастотных колебаний ограничивается диаметром суммирующей накладки, а обеспечить суммирование высокочастотных колебаний на общей накладке большого диаметра и резонансной длины невозможно из-за возникновения паразитных диаметральных и изгибных колебаний.
Это приводит к снижению эффективности преобразования на повышенной частоте, не позволяет увеличить мощность преобразователя пропорционально числу использованных пакетов пьезоэлементов и делает такой преобразователь непригодным для решения проблем коагуляции субмикронных частиц.
Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что высокочастотный пьезопреобразователь для ультразвуковой коагуляции снабжен дополнительной излучающей накладкой, выполненной в виде сплошного цилиндра, диаметр и высота которого соответствуют половине длины волны УЗ колебаний в материале излучающей накладки, излучающая накладка по цилиндрической поверхности акустически и механически соединена с внутренней поверхностью суммирующей накладки, выполненной в виде кольца, разница внешнего и внутреннего диаметров которого соответствуют четверти длины волны в материале, толщина кольца изменяется от размера, соответствующего длине излучающей накладки до размера, соответствующего диаметру пьезоэлементов, кольцевые пьезоэлектрические элементы установлены на плоских участках, выполненных на боковой поверхности цилиндрической суммирующей накладки, минимальный размер плоских участков на боковой цилиндрической поверхности соответствует диаметрам пьезоэлементов и отражающих накладок и не превышает четверти длины волны формируемых колебаний.
Таким образом, предложенное техническое решение отличается от прототипа тем, что добавлена дополнительная излучающая накладка, выполненная в виде сплошного цилиндра, диаметр и высота которого соответствуют половине длины волны УЗ колебаний в материале излучающей накладки. Суммирующую накладку предложено выполнять в виде кольца, разница внешнего и внутреннего диаметров которого соответствуют четверти длины волны в материале, толщина кольца изменяется от размера, соответствующего длине излучающей накладки до размера, соответствующего диаметру пьезоэлементов. Излучающую накладку по цилиндрической поверхности предложено соединить акустически и механически с внутренней поверхностью суммирующей накладки.
Таким образом, излучающая накладка в предложенной конструкции выполняет одновременно функции сумматора и преобразователя диаметральных колебаний в продольные колебания.
Высокочастотный пьезопреобразователь для ультразвуковой коагуляции схематично представлен на фиг. 1.
Высокочастотный пьезопреобразователь повышенной мощности содержит отражающие накладки (1) и пьезокерамические кольца (2), присоединяемые шпильками к суммирующей накладке 3, механически и акустически соединенной с излучающей накладкой 4.
Дополнительная излучающая накладка 4 выполненная в виде сплошного цилиндра, диаметр D1 и высота Ln которого соответствуют половине длины волны УЗ колебаний в материале излучающей накладки. Излучающая накладка 4 по цилиндрической поверхности диаметром D1 акустически и механически соединена с внутренней поверхностью суммирующей накладки 3. Суммирующая накладка 3 выполнена резонансной, в виде кольца, разница внешнего и внутреннего диаметров которого L1 соответствуют четверти длины волны в материале, толщина кольца изменяется от размера, соответствующего длине Ln излучающей накладки до размера, соответствующего диаметру Dc пьезоэлементов, кольцевые пьезоэлектрические элементы 2 установлены на плоских участках, выполненных на боковой поверхности цилиндрической суммирующей накладки, минимальный размер плоских участков на боковой цилиндрической поверхности соответствует диаметрам пьезоэлементов и отражающих накладок и не превышает четверти длины волны формируемых колебаний.
УЗ колебания, создаваемые отдельными пьезоэлектрическими элементами за счет конструктивной схемы, включающей отражающие накладки и суммирующую накладку, формируют колебания на заданной частоте, определяемой конструктивными размерами элементов, представляющих преобразователь, выполненный по традиционной схеме Ланжевена. При этом, излучающая накладка 4 суммирует мощность радиально-расположенных пьезоэлектрических преобразователей за счет того, что периодические радиальные растяжения и сжатия излучающей накладки, создаваемые преобразователями Ланжевена, приводят к формированию продольных колебаний излучающей накладки с амплитудой, увеличенной на коэффициент, равный обратной величине коэффициента Пуассона используемого металла.
В свою очередь усилие, создаваемое на торцевой поверхности излучающей накладки, будет пропорционально сумме усилий создаваемых всеми радиально расположенными пьезоэлементами.
Таким образом, чем больше количество преобразователей Ланжевена, тем большее усилие (мощность) можно создать на торцевой поверхности излучающей накладки. К сожалению, число преобразователей будет ограничено размерами суммирующей и излучающей накладки и оптимальным будет использование 12 пакетов пьезоэлементов.
В рабочей конструкции преобразователя на рабочую частоту 30 кГц количество пьезоэлектрических пакетов составляет 12 и расстояние между ними равно нулю. Диаметр суммирующей излучающей накладки при этом составил 147 мм, длина равна 91 мм, диаметр пьезоэлементов 40 мм, их толщина 5 мм, толщина отражающей накладки равна 20 мм. Такой преобразователь обеспечивает суммирование мощностей ультразвуковых колебаний отдельных резонансных преобразователей за счет трансформации диаметральных колебаний в продольные с усилением в 5 раз. При таком конструктивном построении высокочастотного пьезопреобразователя на основе 12 пакетов пьезоэлементов диаметром 40 мм на рабочую частоту 30 кГц удается создать преобразователь мощностью не менее 500 Вт при непрерывном режиме работы.
Увеличение количества пьезоэлектрических пакетов при уменьшении диаметров используемых пьезоэлементов не позволяет увеличить коэффициент трансформации и мощность преобразователя
Для проверки эффективности работы разработанного пьезоэлектрического преобразователя были проведены экспериментальные исследования изготовленного образца пьезоэлектрического преобразователя с максимальным коэффициентом трансформации, имеющего рабочую частоту 90 кГц на основе пьезоэлементов диаметром 13 мм.
Проведенные измерения подтвердили эффективность предложенного пьезопреобразователя, соответствие частотных и мощностных характеристик. На торцевой поверхности излучающей накладки такого преобразователя при потребляемой электрической мощности в 250 Вт удалось получить колебания с амплитудой 8 мкм.
Практическая реализация предложенного устройства в лабораторных условиях позволила установить, что использование предложенного устройства, совместно с концентратором и дисковым излучателем, обеспечивает формирование ультразвуковых колебаний с интенсивностью до 140…150 дБ. При таком УЗ воздействии были созданы условия для возникновения интенсивных акустических микропотоков и вихрей, способствующих коагуляции дисперсных частиц и осаждению их агрегатов.
Проведенные предварительные исследования предлагаемого устройства позволили установить высокую эффективность (более 90%) коагуляции частиц микронного и субмикронного диапазонов и показали возможность создания по предложенной конструктивной схеме устройств УЗ коагуляции различных по размерам частиц с необходимой производительностью.
Практическая реализация предлагаемого технического решения запланирована к реализации Бийским технологическим институтом АлтГТУ им. И.И. Ползунова в 2020 году.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ в рамках научного проекта №19-19-00121.
Список использованных источников
1. Ультразвуковая колебательная система [Текст]: патент 2141386 РФ: МПК В06В 3/00. / Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н.; Правообладатель ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова».
2. Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь [Текст]: патент 2452586 РФ: МПК В06В 1/06 (2006.01) / H04R 17/00 (2006.01) / Варнаков А.Е., Малишевский А.О., Хмелев В.К.; Правообладатель Общество с ограниченной ответственностью "УльтраТехМаш" (RU).
3. Ультразвуковое устройство [Текст]: патент 2248850 РФ: МПК В06В 1/06, G01N 29/00. / Коломеец Н.П., Новик А.А.; Правообладатель ООО «Ультразвуковая техника - инлаб».
4. Интегрирующий акустический волноводный трансформатор [Текст]: патент 2402386 РФ: МПК В06В 3/02 (2006.01 / Шестаков С.Д., Городищенский П.А.; патентообладатель: Шестаков С.Д.,
5. Ультразвуковая колебательная система [Текст]: патент 2332266 РФ: МПК В06В 1/06 (2006.01 / Хмелев В.Н., Савин И.И., Цыганок С.Н., Барсуков Р.В., Лебедев А.Н. Правообладатель:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) (RU)-прототип.