УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ULTRASONIC PIEZOCERAMIC TRANSDUCER

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к пьезокерамическим преобразователям, и может быть использовано как при разработке новых акустических систем, так и в существующем оборудовании, созданном на базе пьезокерамических преобразователей.
Известен ультразвуковой пьезокерамический преобразователь, содержащий две пьезопластины с размещенной между ними теплоотводящей металлической вставкой. Указанные пьезопластины с металлической вставкой заключены между двумя частотопонижающими накладками, из которых одна накладка является отражающей, а другая накладка - излучающей. Весь этот пакет стянут с помощью болта.
В процессе работы этого преобразователя пьезопластины за счет энергии потерь нагреваются, при этом вместе нагреваются также и теплоотводящая вставка с крепежным элементом. Причем крепежный элемент, нагреваясь расширяется и ослабляет усилие сжатия пьезопластин, что приводит к изменению частоты колебаний преобразователя, а теплоотводящая металлическая вставка, выбранная по толщине в зависимости от коэффициента линейного расширения материала пьезопластин, в этом случае, нагреваясь, компенсирует, т.е. уменьшает ослабление сжатия пьезопластин, а следовательно и изменение рабочей частоты колебаний преобразователя происходит в значительно меньших пределах, чем у известных преобразователей (см. авторское свидетельство СССР №1052278, B06B 1/06, опубл. 07.11.83. Бюл. №41).
В целом же данное предложенное техническое решение направлено на повышение стабильности работы преобразователя. Вместе с тем этот преобразователь имеет существенный недостаток, как и все преобразователи, собранные по традиционной схеме, а именно, на его резонансные характеристики значительно влияет нагрузка, присоединенная к излучающей накладке, это может быть столб обрабатываемой жидкости, стенка какой-нибудь емкости, любое изделие, подлежащее ультразвуковой обработке. При малейшем изменении этой нагрузки меняется и собственная частота преобразователя, т.к. излучающая накладка с присоединенной нагрузкой воспринимаются как одно целое. Металлическая прокладка, размещенная между отражающей и излучающей накладками, служит лишь для температурной компенсации преобразователя. Для того чтобы преобразователь работал эффективно при постоянном изменении нагрузки, приходится с помощью систем обратной связи корректировать частоту электрических импульсов генератора, управляющего преобразователем в соответствии с изменением собственной резонансной частоты механической системы. Системы обратной связи не всегда эффективны, поэтому приходится вводить еще и системы девиации и амплитудной модуляции частоты, чтобы хоть как-то снизить отрицательный эффект от присоединенной нагрузки. Все это значительно усложняет систему управления ультразвуковым преобразователем.
Известен также и пьезокерамический ультразвуковой преобразователь, содержащий концентратор энергии, совмещенный с полым стержнем, электроизоляционный элемент, охватывающий внешнюю поверхность полого стержня, расположенные на электроизоляционном элементе и отделенные друг от друга частотопонижающей накладкой пьезокерамические кольца, токоведущие шины и прижимную гайку, связанную со свободным концом полого стержня посредством резьбового соединения. При этом электроизоляционный элемент выполнен в виде пружины сжатия из электропроводного материала, а полый стержень перфорирован симметрично расположенными прямолинейными сквозными пазами, а накладная прижимная гайка выполнена со сквозными отверстиями, сообщающими пространство между витками пружины сжатия с атмосферой, что позволяет осуществить интенсивный отвод тепла от работающего преобразователя. Частотопонижающая прокладка выполнена из стали 45. Сжимающая пружина не позволяет откручиваться прижимной гайке, что также способствует соблюдению постоянства рабочей частоты преобразователя (см. авторское свидетельство СССР №1637887, B06B 1/06, опубл. 30.03.1991 г. Бюл. №12).
Данное техническое решение обладает теми же недостатками, что и описанный выше аналог, так как оно направлено на решение проблемы термостабилизации и совершенствования системы обратной связи, при этом так же как и в предыдущем аналоге при воздействии нагрузки на концентратор энергии у него меняется собственная частота, что существенно снижает эффективность работы данного пьезопреобразователя.
Наиболее близким по технической сущности решаемой задачи и достигаемому результату к заявляемому изобретению является техническое решение, предложенное в патенте № ЕР 1060798, опубл. 20.12.2000 г. Bulleten 2000/51.
Преобразователь состоит из центральной массы, на обоих концах которой размещены пьезоэлементы. Центральная масса и пьезоэлементы стянуты в единый пакет между концевыми массами при помощи болта. Преобразователь работает следующим образом. На пьезоэлементы, расположенные по обоим концам центральной массы подаются электрические импульсы ультразвуковой частоты, причем импульсы подаются таким образом, что если пьезоэлементы, расположенные на одном конце сжимаются, то на другом, соответственно, расширяются (по толщине) и наоборот. При этом центральная масса осциллирует с ультразвуковой частотой между двумя концевыми массами. Практически внутри преобразователя центральная масса совершает движение подобно поршню внутри цилиндра. Концевые же массы, стянутые болтом, практически не осциллируют, общая длина всего преобразователя остается неизменной, а внутри него в процессе работы происходит осцилляция центра масс (центра инерции). При присоединении внешней нагрузки (дополнительной массы) к какой-нибудь концевой массе энергия осцилляции центра масс от преобразователя начинает передаваться этой нагрузке, при этом ни форма ни размеры присоединенной массы не влияют на осцилляцию центра масс преобразователя. Однако конструкция этого преобразователя имеет ряд недостатков, в частности эффективность работы преобразователя практически определяется соотношением длин концевых и центральной масс. Произвольный выбор размеров этих масс не позволит создать эффективно работающий преобразователь на заранее заданной частоте. Кроме того, для увеличения мощности преобразователя необходимо увеличивать количество пьезокерамических элементов в нем, при этом приходится уменьшать центральную или концевые массы, если оставлять длину преобразователя без изменения, либо пропорционально увеличению толщины керамических слоев увеличивать размеры преобразователя. При этом в первом случае значительно уменьшается центральная масса, а значит и момент инерции всего преобразователя, что ведет к снижению его мощности. Во втором же случае растет длина преобразователя. При этом совершенно непредсказуемо меняется его собственная резонансная частота, кроме того большие габариты преобразователя вызывают сложность встраивания его в исполнительные механизмы ультразвукового оборудования. А так как преобразователь всегда рассчитывается и изготавливается под определенную, необходимую для конкретного технологического процесса рабочую резонансную частоту, то и длины этих масс должны быть каждый раз разные в оптимальном соотношении между собой.
Однако, как показал анализ описания к рассматриваемому патенту, в нем отражен только лишь общий принцип функционирования устройства и не указаны такие важные параметры конструкции преобразователя, как размеры его элементов, материалы, из которых изготовлены металлическая вставка и частотопонижающие накладки и соотношение их масс, что не дает возможности рассчитать частоту его резонансных колебаний и в целом успешно изготовить добротный ультразвуковой преобразователь. Изготовленный без учета этих факторов первый экспериментальный образец показал очень низкую эффективность его излучения, т.е. реализовать данное устройство по патенту без дополнительных исследований и испытаний не представляется возможным ввиду непрогнозируемости результатов его работы.
Задача по устранению недостатков прототипа была решена путем усовершенствования его отдельных элементов, новой форме металлической вставки и нахождения расчетной формулы резонансной частоты предложенного ультразвукового пьезокерамического преобразователя (преобразователь).
3
Технический результат - повышение эффективности и обеспечение устойчивой работы преобразователя в процессе нагрузки достигается за счет того, что общая длина преобразователя выбрана равной длине волны рабочей частоты ультразвуковых колебаний, а максимальный диаметр механической вставки составляет не более одной трети длины волны рабочей частоты в материале. При этом металлическая вставка выполнена из высокоплотного материала, преимущественно из высокоуглеродистой закаленной стали с плотностью 7,8 г/см, исходя из условия его максимального волнового сопротивления, а частотопонижающие накладки из металла минимально возможной плотности, преимущественно из титана или алюминия, соответственно с меньшим волновым сопротивлением.
Так как для увеличения мощности преобразователя заранее заданной частоты необходимо увеличение числа керамических пластин в обоих пакетах, приходится уменьшать длины металлической вставки и частотопонижающих накладок для того, чтобы длина всего преобразователя на заданной частоте осталась неизменной. При уменьшении же длины металлической вставки уменьшается и ее масса. При этом снижается момент инерции, создаваемый ею при работе преобразователя. Для того, чтобы сохранить или даже увеличить момент инерции металлическая вставка выполняется с возможно максимальным диаметром, однако максимально допустимый диаметр металлической вставки не должен превышать одной третьей длины волны, поскольку это превышение приведет появлению изгибных паразитных колебаний, что скажется на снижении мощности излучения преобразователя.
По обоим торцам вставки для направленного распространения ультразвуковых колебаний от пакетов пьезопластин должна быть выполнена фаска, равная 45°±5°. Количество пьезоплатин в пакете может составлять от 2 до 6 штук с последующей корректировкой длины металлической вставки и/или частотопонижающих накладок с соблюдением общей длины преобразователя, равной длине волны его рабочей частоты.
Выбранные количественные и качественные показатели параметров конструкции преобразователя позволяют с достаточной точностью определить размер преобразователя по заданной рабочей частоте, которая рассчитывается по предложенной заявителем математической формуле.
Предлагаемый ультразвуковой пьезокерамический преобразователь является новым, поскольку совокупность признаков его формулы изобретения не обнаружена заявителем в имеющихся в его распоряжении источниках информации.
Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь, как техническое решение также обладает изобретательским уровнем, так как проведенные принципиальные конструктивные изменения элементов, взаимная увязка их параметров и характеристик, обеспечивающие стабильную, высокоэффективную его работу не являются очевидными и не могут быть отнесены к методам обычного инженерного проектирования, поскольку для реализации этого технического решения потребовалось проведение дополнительных исследований, выполнение расчетов и выведение формул, которые не известны в общетехнической и патентной литературе.
Изготовленный и испытанный экспериментальный образец ультразвукового пьезокерамического преобразователя обеспечивает стабильность и высокую эффективность работы в случае значительной нагрузки.
Изобретение проиллюстрировано чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид преобразователя в разрезе, на котором металлическая вставка Жестко соединена шпильками с обеими частотопонижающими накладками, на фиг.2 изображен также общий вид преобразователя в разрезе, где единой шпилькой жестко соединены через сквозные отверстия в пьезокерамических пластинах и в металлической вставке частотопонижающие накладки, на фиг.3 показана схематично конструкция преобразователя, а на фиг.4 представлен график распределения амплитуды колебаний по длине пьезокерамического преобразователя без нагрузки.
Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь содержит пакеты 1 и 2 пьезокерамических пластин 3, между которыми заключена металлическая вставка 4. Пакеты 1 и 2 пьезокерамических пластин 3 и металлическая вставка 4 заключены между частотопонижающими накладками 5 и 6. Сборка преобразователя осуществляется с помощью шпилек 7 и 8, когда каждая частотопонижающая накладка 5 и 6 соединена через отверстия 9 в пьезокерамических пластинах 3 с металлической вставкой 4, или когда частотопонижающие накладки 5 и 6 соединены друг с другом единой шпилькой 10 через сквозные отверстия 9 и 11 в пьезокерамических пластинах 3 и в металлической вставке 4. Каждый пакет 1 и 2 пьезокерамических пластин 3 подключен к ультразвуковому генератору в противофазе ультразвуковых колебаний (не показано).
Общая длина преобразователя Н выбрана равной длине волны расчетной частоты ультразвуковых колебаний (фиг.4).
Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь представляет собой схематически симметричную конструкцию, состоящую из двух частей длиной λ/2, где λ - длина волны резонансной частоты этого преобразователя (фиг.3). Следовательно, общая длина преобразователя составит целую длину волны, т.е.
н
L - длина частотопонижающей накладки, м;
к
L - длина пакета пьезокерамических платин, м;
м
L - длина металлической вставки, м.
3
3
3
При этом металлическая вставка 4 выполнена из условия максимального волнового сопротивления, из высокоплотного материала, например из высокоуглеродистой закаленной стали с плотностью, равной 7,8 г/см, а частотопонижающие накладки 5 и 6 - наоборот из материала с минимально возможной плотностью с меньшим волновым сопротивлением, и могут быть изготовлены из сплава титана, имеющего плотность 4,5 г/см или алюминия с плотностью, равной 2,7 г/см.
Такой выбор материалов с различной их плотностью позволяет обеспечить минимально физически возможную потерю энергии ультразвуковых колебаний преобразователя.
Для исключения возможного снижения энергии ультразвуковых колебаний преобразователя максимальный диаметр металлической вставки 4 не должен превышать одной третьей длины волны ее рабочей частоты, потому что такое превышение приведет к появлению паразитных изгибных колебаний, снижающих эффективность работы преобразователя. Выполнение на торцах металлической вставки 4 фасок 12 под углом α=45±5° также преследует эту же цель.
Количество установленных пьезокерамических пластин 3 в пакетах 1 и 2 определяется в зависимости от требуемой мощности ультразвукового излучения преобразователя и может колебаться от 2 до 6 штук в каждом пакете, при этом общая длина преобразователя должна оставаться всегда равной длине волны расчетной частоты ультразвуковых колебаний. Эта длина регулируется за счет уменьшения длины частотопонижающих накладок и/или металлической вставки с одновременным увеличением ее диаметра в допустимом пределе. При минимально установленном количестве пьезокерамических пластин 3 в пакетах 1 и 2 диаметр D металлической вставки 4 может быть равен диаметру этих пьезокерамических пластин. Этот диаметр является минимально допустимым.
Расчет всех параметров преобразователя проводится с учетом прежде всего заданной резонансной частоты колебаний, которая определяется по следующей предложенной формуле:
к
где L - толщина пьезокерамического элемента в преобразователе, м;
N - количество пьезокерамических элементов в преобразователе, шт.;
м
L - длина металлической вставки, м;
н
L - длина частотопонижающей накладки, м;
к
С - скорость звука в пьезокерамике;
м
С - скорость звука в материале металлической вставки, м/сек;
н
С - скорость звука в материале частотопонижающих накладок, м/сек;
к
m - масса одного пьезокерамического элемента, г;
м
m - масса металлической вставки, г;
н
m - масса частотопонижающей накладки, г.
-3
м
к
м
к
м
С использованием этой формулы был проведен расчет параметров преобразователя с рабочей частотой ультразвуковых колебаний, равной 20 кГц. После соответствующих математических преобразований и подстановки всех справочных данных (толщина, масса, число пьезокерамических пластин, длина пакета, скорость звука во всех конструктивных элементах) была получена длина металлической вставки 4, которая составила 43*10 м, или L = 43 мм. Все остальные размеры рассчитываются исходя из общей длины преобразователя, составляющей 179 мм и равной длине волны его рабочей частоты. Толщина пьезокерамического кольца, применяемого в данном конкретном преобразователе 6 мм. В одном пьезокерамическом слое установлено 4 пьезокерамических кольца, таким образом толщина пьезокерамического пакета L=6×4=24 мм. Ранее вычисленная высота металлической вставки L=43 мм. А так как расчетная длина преобразователя на частоте 20 кГц равна 179 мм, то нетрудно вычислить суммарную высоту частотопонижающих накладок, если вычесть из общей длины преобразователя толщину двух пьезокерамических слоев L=24 мм и высоту металлической вставки L = 43 мм.
н
к
м
2L=179-2L-L=179-2×24-43=88 (мм).
н
Исходя из условий симметрии конструкции преобразователя высота частотопонижающей накладки L=88/2=44 (мм).
Диаметр пьезокерамических пластин 3 равен 50 мм, а диаметр D металлической вставки 4 составляет 59 мм.
Указанный экспериментальный образец разработан, изготовлен, испытан и показал высокую эффективность в работе.
Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь работает следующим образом.
При подаче генератором (не показан) электрических колебаний ультразвуковой частоты, например 20 кГц, на пакеты 1 и 2 из пьезокерамических пластин 3, в них под действием пьезоэлектрического эффекта происходит преобразование электрической энергии в энергию механических колебаний.
Как следует из графика распределения амплитуды колебаний по длине преобразователя без нагрузки ультразвуковой преобразователь находится в состоянии покоя и амплитуда колебаний на его торцах близка к нулю, при этом угол сдвига фаз φ между волнами I и II равен 180°. При присоединении нагрузки к одной из накладок, угол φ сдвига фаз между волнами I и II становится отличным от 180° и центр масс начинает осциллировать, а амплитуда колебаний на рабочей накладке преобразователя увеличивается, причем чем больше сопротивление нагрузки тем выше, до определенного предела амплитуда колебаний на рабочей накладке (фиг.4).
Электрические колебания ультразвуковой частоты подаются на пакеты 1 и 2 пьезоэлектрических пластин 3 в противофазе, поэтому пластины 3, расположенные в одном пакете преобразователя сжимаются, а в другом пакете соответственно расширяются (по толщине) и наоборот. При этом металлическая вставка 4 осциллирует с ультразвуковой частотой между двумя частотопонижающими накладками 5 и 6. Практически внутри преобразователя металлическая вставка 4 совершает движение, аналогичное поршню в цилиндре. Частотопонижающие накладки 5 и 6 при этом практически не осциллируют (фиг.1). Происходит постоянное колебание с ультразвуковой частотой центра масс преобразователя (металлической вставки 4), при этом длина всего преобразователя практически не меняется. При присоединении внешней нагрузки к одной из накладок 5 или 6 колебания от преобразователя начинают передаваться этой нагрузке, причем ни форма, ни размеры, ни величина нагрузки до определенной степени не изменяют собственную частоту колебаний центра масс, а значит и частоту всего преобразователя, т.е. независимо от нагрузки резонансная частота ультразвуковых колебаний преобразователя остается неизменной.
Разработанный, изготовленный и испытанный преобразователь имеет повышенную мощность, устойчивую собственную резонансную частоту по сравнению с преобразователями традиционной конструкции и будет использован при изготовлении ультразвукового оборудования и прежде всего в станках для ультразвуковой сварки.
Источники информации
1. А.В.Донской, О.К.Келлер, Г.С.Кратыш «Ультразвуковые электротехнические установки». Изд-во «Энергия», Ленинградское отделение, 1968 г., с.72-82.