УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
ULTRASONIC VIBRATION SYSTEM

Изобретение относится к области ультразвуковой техники, а именно к устройствам для формирования и излучения ультразвуковых колебаний высокой интенсивности, и может быть использовано при создании ультразвуковых аппаратов, предназначенных для интенсификации технологических процессов в жидких и дисперсных средах.
Известно, что ультразвуковые колебания высокой интенсивности и обусловленные ими нелинейные акустические эффекты в жидких средах (кавитация, акустические потоки, флотационный эффект и другие) способствуют ускорению различных физических и химических процессов. Для воздействия на жидкие среды ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности используются специальные устройства - ультразвуковые колебательные системы, осуществляющие преобразование энергии переменного электрического тока ультразвуковой частоты в упругие механические колебания, их трансформацию и излучение в технологическую среду.
Ультразвуковые колебательные системы выполняются по различным конструктивным схемам [1], наиболее эффективной из которых является ультразвуковая колебательная система с протяженной излучающей поверхностью.
Такие ультразвуковые колебательные системы [2, 3] состоят из ультразвукового преобразователя, содержащего одну рабочую частотно-понижающую накладку, выполненную в виде тела вращения, сужающегося по длине сечения, ограниченную со стороны акустического соединения с согласующим акустическим трансформатором плоской торцевой поверхностью, а с противоположной стороны поверхностью, образованной плоскими гранями, расположенными симметрично относительно продольной акустической оси на равных расстояниях от центра плоской торцевой поверхности, согласующего акустического трансформатора и ультразвукового излучателя. Излучатель такой колебательной системы выполняется в виде последовательно соединенных одинаковых по длине модулей ступенчато переменного диаметра. Излучающей поверхностью в этом случае являются участки переходов между участками различного диаметра и сама цилиндрическая поверхность большего диаметра.
Достоинством известных колебательных систем является увеличенная мощность, достигаемая за счет суммирования на общей частотно-понижающей накладке мощности пьезоэлектрических кольцевых элементов (пакетов) и увеличенная за счет многополуволнового излучателя поверхность излучения, обеспечивающая увеличение мощности акустических колебаний, вводимых в технологические среды для реализации промышленных технологий.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является ультразвуковая колебательная система, принятая за прототип [4], состоящая из последовательно размещенных многопакетного ультразвукового преобразователя, состоящего из частотно-понижающих отражающих накладок, количество которых соответствует количеству пакетов, состоящих из четного числа пьезоэлементов кольцевой формы, установленных на общей частотно-понижающей излучающей накладке, полуволнового бустерного звена и ультразвукового излучателя, образованного путем последовательного соединения резонансных модулей.
Ультразвуковой преобразователь содержит одну рабочую частотно-понижающую накладку, выполненную в виде тела вращения, сужающегося по длине сечения, ограниченную со стороны акустического соединения с согласующим акустическим трансформатором плоской торцевой поверхностью, а с противоположной стороны поверхностью, образованной плоскими гранями, расположенными симметрично относительно продольной акустической оси на равных расстояниях от центра плоской торцевой поверхности, кратных нечетному числу четвертей длины продольной акустической волны в материале частотно-понижающей накладки на рабочей частоте ультразвуковой колебательной системы, с каждой гранью поверхности рабочей частотно-понижающей накладки акустически связана одна торцевая поверхность пакета, состоящего из четного количества пьезоэлектрических элементов, причем число пакетов пьезоэлектрических элементов равно числу плоских граней, другая торцевая поверхность каждого пакета пьезоэлектрических элементов акустически связана с отражающей частотно-понижающей накладкой, число которых равно числу пакетов пьезоэлектрических элементов, а акустическая длина каждого пакета пьезоэлементов и связанной с ним отражающей частотно-понижающей накладки соответствует четверти длины продольной акустической волны в материале рабочей частотно-понижающей накладки. Грани выполнены под таким углом к акустической оси всей колебательной системы, что акустические оси каждого пакета пьезоэлектрических элементов направлены в центр плоской торцевой поверхности.
К сожалению, наряду с несомненными достоинствами, колебательная система, принятая за прототип, обладает рядом существенных недостатков:
1. Неравномерностью величины амплитуды колебаний излучающих поверхностей полуволновых резонансных модулей, обусловленной тем, что каждый последующий модуль является дополнительной нагрузкой на предыдущие модули и изменяет их резонансную частоту. Это приводит к снижению амплитуды колебаний каждого последующего резонансного звена, т.е. снижению эффективности воздействия каждого последующего звена и соответственно снижению эффективности излучения колебательной системы в целом и неравномерности излучения и ультразвуковой обработки вдоль излучателя;
2. Низким коэффициентом преобразования энергии переменного электрического тока ультразвуковой частоты в упругие механические колебания в многопакетном преобразователе за счет неоптимального угла наклона плоских граней относительно акустической оси всей колебательной системы. Поскольку грани выполнены под таким углом к акустической оси всей колебательной системы, что акустические оси каждого пакета пьезоэлектрических элементов направлены в центр плоской торцевой поверхности, обеспечивается суммирование упругих колебаний вдоль излучающей поверхности преобразователя с различными фазами, что приводит к снижению суммируемой амплитуды колебаний от всех пакетов пьезоэлементов и неравномерности распределения амплитуды колебаний вдоль поверхности, соединенной с акустическим трансформатором. При этом амплитуда колебаний излучателя снижается, что приводит к снижению эффективности ультразвукового воздействия на обрабатываемую среду.
2
Таким образом, выявленные недостатки снижают эффективность ультразвуковой колебательной системы, принятой за прототип, и ограничивают ее функциональные возможности при реализации ультразвуковых технологий, связанных с вводом в технологический объем УЗ колебаний высокой интенсивности (более 10-30 Вт/см) для реализации кавитационного режима обработки, например высоковязких и высокодисперсных сред, характеризующихся аномально высоким затуханием и повышенной кавитационной прочностью.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков прототипа и создание ультразвуковой колебательной системы, состоящей из многопакетного преобразователя, характеризующегося максимальным коэффициентом преобразования электрической энергии в энергию ультразвуковых колебаний, максимальным коэффициентом усиления ультразвукового излучателя, обеспечивающего равномерное излучение вдоль всех полуволновых резонансных модулей с интенсивностью излучения, достаточной для обеспечения кавитационного режима воздействия по всему обрабатываемому объему.
Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что в известной ультразвуковой колебательной системе, состоящей из последовательно размещенных многопакетного ультразвукового преобразователя, состоящего из частотно-понижающих отражающих накладок, число которых соответствует количеству пакетов из четного числа пьезоэлементов кольцевой формы, установленных на общей частотно-понижающей излучающей накладке, полуволнового бустерного звена и ультразвукового излучателя, образованного путем последовательного соединения резонансных модулей, длина каждого из последовательно установленных от преобразователя модулей ультразвукового излучателя выбирается из условия:
,
1
где с - скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале ультразвукового излучателя, [м/с];
f - рабочая частота преобразователя, [кГц];
n - количество модулей ультразвукового излучателя,
а общая частотно-понижающая излучающая накладка многопакетного пьезоэлектрического преобразователя выполнена в виде тела вращения, образованного вращением гладкой кривой относительно акустической оси, имеющего две торцевые поверхности, одна из которых, контактирующая с бустерным звеном, является плоской, а на второй выполнены грани, количество которых и размер соответствуют количеству и диаметру пьезоэлементов, причем грани выполнены под углом к акустической оси, определяемым из условия:
где d - внешний диаметр пьезоэлемента кольцевой формы, [м];
D - диаметр торцевой поверхности, контактирующей с бустерным звеном, [м];
2
с - скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале частотно-понижающей излучающей накладки [м/с].
Технический результат выражается в создании ультразвуковой колебательной системы, характеризуемой максимальным коэффициентом преобразования электрической энергии в энергию ультразвуковых колебаний, максимальным коэффициентом усиления ультразвукового излучателя, обеспечивающего равномерное излучение вдоль всех полуволновых резонансных модулей с интенсивностью излучения, достаточной для обеспечения кавитационного режима воздействия по всему обрабатываемому объему, позволяющей производить интенсивную обработку жидких сред различной вязкости и дисперсного состава и предназначенной для эффективного решения задач диспергирования, эмульгирования, экстрагирования, очистки в химической, фармацевтической и пищевой промышленности.
Как и в прототипе, ультразвуковой многопакетный преобразователь содержит общую частотно-понижающую излучающую накладку многопакетного пьезоэлектрического преобразователя, выполненную в виде тела вращения, образованную вращением гладкой кривой относительно акустической оси, имеющую две торцевые поверхности, одна из которых, контактирующая с бустерным звеном, является плоской, а на второй выполнены грани, количество которых и размер соответствуют количеству и диаметру пьезоэлементов.
При этом угол наклона граней выбирается для различных по размерам пьезоэлектрических элементов, размеров выводной поверхности, контактирующей с бустером, изготавливаемых из различных материалов (с различной скоростью распространения колебаний) таким образом, чтобы обеспечить максимальный коэффициент усиления преобразователя, равномерное распределение формируемых ультразвуковых колебаний на поверхности, контактирующей с бустером.
Согласно геометрическим расчетам, результатам моделирования и экспериментальным результатам такой оптимальный угол определяется из условия:
где d - внешний диаметр пьезоэлемента кольцевой формы, [м];
D - диаметр торцевой поверхности, контактирующей с бустерным звеном, [м];
2
с - скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале частотно-понижающей излучающей накладки [м/с].
Ультразвуковой излучатель, входящий в состав разработанной конструкции, образуется путем последовательного соединения резонансных модулей в единую конструкцию.
Однако при стыковке отдельных полуволновых модулей в ультразвуковой излучатель происходит изменение рабочей частоты единой конструкции. Таким образом, очевидно, что для сохранения выбранной резонансной частоты ультразвукового излучателя, например в 22 кГц, необходимо последовательно устанавливать модули с различной собственной резонансной частотой.
Поэтому при проектировании колебательной системы выбирается рабочая частота пьезопреобразователя, а ультразвуковой излучатель проектируется с учетом того, что длина каждого из последовательно установленных от преобразователя модулей ультразвукового излучателя выбирается из условия:
1
где c - скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале ультразвукового излучателя, [м/с];
f - рабочая частота преобразователя, [кГц];
n - количество модулей ультразвукового излучателя.
Таким образом, задавшись нужным количеством модулей (длиной) ультразвукового излучателя, можно рассчитать резонансную частоту каждого полуволнового элемента, последовательной стыковкой которых будет образован многоэлементный излучатель на заданную рабочую частоту.
Толщина выступов, расположенных в пучностях продольных колебаний, должна составлять λ/30. Для снижения концентрации напряжений на участках перехода между сечениями большего и меньшего диметров их соединяют плавным радиальным переходом.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется Фиг.1-5. На Фиг.1 показана схема предлагаемой ультразвуковой колебательной системы. На фиг.1 приняты следующие обозначения: 1 - отражающая частотно-понижающая накладка; 2 - пьезоэлектрические элементы; 3 - бустерное звено; 4 - ультразвуковой излучатель.
На фиг.2 схематично показан разрез многопакетного ультразвукового преобразователя, поясняющий выбор угла расположения граней относительно акустической оси.
На фиг.3 представлен ультразвуковой излучатель, образованный путем последовательной стыковки полуволновых модулей переменного сечения, длина каждого из которых определяется с учетом предложенного условия.
На фиг.4 в качестве примера для подтверждения оптимальности выбора оптимального угла наклона плоскости грани к оси преобразователя показаны результаты моделирования для разных углов наклона плоскости к оси для одного типа излучающей накладки.
Из фигуры видно, что на излучающей поверхности при удалении от центра к краю наблюдается снижение уровня амплитуды колебаний, т.е. наблюдается неравномерность по всей площади излучения. Однако при выборе угла наклона в соответствии с предложенным выражением (для рассматриваемого примера, когда угол наклона составляет 9°), обеспечивается максимальная амплитуда колебаний в центре и минимальное снижение уровня амплитуды при удалении от центра (равномерность распределения колебаний).
На фиг.5 показана кривая, подтверждающая правильность предложенного выражения для определения размеров отдельных модулей излучателя, полученная путем расчетов и моделирования при помощи метода конечных элементов, характеризующая зависимость резонансной частоты полуволнового элемента от необходимого числа полуволн излучателя.
Исследование предложенных и разработанных ультразвуковых колебательных систем, содержащих ультразвуковые преобразователи на базе 3, 4 и 7 пакетов пьезоэлектрических элементов, содержащих по 2 или 4 пьезоэлемента и излучатели, состоящие из 4-9 модулей, позволило обеспечить мощность излучения в водную среду до 8 кВт при коэффициенте полезного действия до 0,8.
Предложенная ультразвуковая колебательная система прошла успешные испытания в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института (филиала) Алтайского государственного технического университета, будет производиться малым инновационным предприятием ООО «Центр ультразвуковых технологий» с 2011 года.
Список использованных источников
1. Хмелев B.H. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйстве [Текст] / В.Н.Хмелев, Г.В.Леонов, Р.В.Барсуков, С.Н.Цыганок, А.В.Шалунов. - Алт. гос. тех. ун-т, БТИ. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2007, - 400 с.
7
2. Ультразвуковое устройство: пат.2248850 Российская федерация: МПКB06B 1/06, G01N 29/00. / Н.П.Коломоец, А.А.Новик; заявитель и патентообладатель ООО «Ультразвуковая техника - инлаб». №2004118752/28; заявл. 21.06.2004; опубл. 27.03.2005. Бюл. №9.
3. Hielscher - Ultrasound Technology [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.hielscher.com/ultrasonics/i4000_p.htm.
4. Ультразвуковая колебательная система: пат.2332266 Российская федерация: МПК B06B 1/06, C1. / В.Н.Хмелев, И.И.Савин, С.Н.Цыганок, Р.В.Барсуков, А.Н.Лебедев; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова». №2332266; заявл. 11.12.2006; опубл. 27.08.2008 Бюл. №24.