Ультразвуковой преобразователь с фокусирующей излучающей поверхностью, обеспечивающий формирование интенсивного ультразвукового поля в больших объемах

Полезная модель относится к промышленным устройствам, генерирующим механические колебания в ультразвуковом диапазоне, и может быть использована в промышленных ультразвуковых ваннах для очистки деталей, а также в установках для дезактивации металлических радиоактивных отходов.
Известен ультразвуковой излучатель Дампилона, содержащий излучающую накладку, выполненную с несквозной полостью и радиальным выступом на излучающем торце, которым опирается на внутреннюю поверхность стенки ванны через эластичное кольцо, а в несквозной полости имеется штифт при помощи которого к излучающей накладке крепится шток, который стягивает излучающую накладку, размещенную в кожухе, со стенками ванны (RU 2223613, МПК Н04R 17/00, 10.02.2002).
Недостатком известного ультразвукового излучателя являются низкие эксплуатационные свойства.
Известен пьезоэлектрический излучатель плоской ультразвуковой волны, представляющий собой наборную коаксиальную конструкцию, содержащую набор пьезоэлементов в форме плоских колец, охватываемый с двух сторон деталями в виде втулок. В отверстиях пьезоэлементов и втулок по оси конструкции размещен резонансный волноводный акустический трансформатор. Этот трансформатор выполняет также функцию стяжки. При этом проекция соединения стяжки и второй втулки на ось излучателя содержит точку, принадлежащую плоскости равных амплитуд совместных колебаний его и стягиваемой им конструкции, если считать ее монолитной и в отсутствие этого соединения (RU 2402113, МПК H01L 41/083, опубл. 20.10.2010).
Недостатком известного решения является ограниченная область применения данной конструкции, в силу использования втулок данное изобретение позволяет передавать ультразвуковые колебания на волноводы и различные металлические конструкции, однако формирование интенсивного ультразвукового поля в больших объема жидкой среды малоэффективно.
Известен полуволновой  пьезоэлектрический преобразователь для ультразвуковых ванн очистки, содержащий последовательно соединенные между собой пассивную накладку из стали, пьезоэлементы, связанные электрически с генератором формирования частоты ультразвуковых колебаний, и излучающую накладку из алюминия, или алюминиевого сплава, или дюралюминия, выполненную в виде усеченного конуса, меньшим основанием прикрепленного к пьезоэлементу, излучающая и пассивная накладки выполнены разной высоты, отличающийся тем, что отношение высоты пассивной накладки к высоте излучающей накладки выполнено равным или большим единицы при количестве пьезоэлементов, равном двум и более парам, при этом пьезоэлектрический излучатель выполнен с возможностью прикрепления к ванне с моющей жидкостью для очищаемого изделия или с возможностью погружения в ванну с моющей жидкостью для очищаемого изделия (RU 110302, МПК B08B 3/12, опубл. 20.11.2011).
Недостатком известного решения является существенное выделение тепла, что может привести к перегреву пакета пьезоэлементов при длительной работе. Данная полезная модель вполне оправдана при непродолжительной очистке авиационных фильтров, однако при использовании в длительном рабочем режиме в процессе дезактивации металлических радиоактивных отходов ультразвуковой преобразователь такого типа будет быстро выходить из строя из-за разрушения пьезоэлементов под воздействием температуры.
Известен ультразвуковой преобразователь повышенной надежности для озвучивания жидкости в ванне, содержащий излучающую накладку , выполненную с радиальным выступом на излучающем торце, которым она упирается на внутреннюю поверхность ванны через эластичное кольцо, пьезокерамические пластины, отражающую тыльную накладку и крепежный элемент, стягивающий с помощью кожуха радиальный выступ излучающей накладки со стенкой ванны, отличающийся тем, что излучающая накладка, пьезокерамические пластины и отражающая тыльная накладка стянуты между собой центральной полой шпилькой, внутри которой размещен крепежный элемент, при этом на внутренней поверхности шпильки, а также на поверхности крепежного элемента выполнены резьбовые участки (RU 115598, МПК H04R 17/10, опубл. 27.04.2012).
Недостатком известного решения является низкая ультразвуковая производительность плоской излучающей поверхности, невозможность озвучивания емкостей большого объема, а также невозможность применения в условиях агрессивных сред из-за применения резинового уплотнения, не обеспечивающего герметизации при использовании кислот для травления и дезактивации металлических радиоактивных отходов.
Известна излучающая накладка пьезокерамического ультразвукового  преобразователя для озвучивания жидкости в ванне, расширяющаяся в сторону ванны и переходящая в плоскую кольцевую мембрану, выполненную по периферии с цилиндрическим уступом, перпендикулярным ее плоскости, торец которого неразъемно крепится к фланцу для крепления преобразователя к ванне. Мембрана в промежутке между плоской частью и перпендикулярным к ней цилиндрическим уступом дополнительно содержит коническую часть, срезающую прямой угол между упомянутыми элементами (RU 6964, МПК H04R 17/10, опубл. 16.06.1998).
Недостатком известного решения является невозможность озвучивания емкостей большого объема.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является ультразвуковой излучатель Лебедева, содержащий излучающую накладку с несквозной полостью, в которой размещен штифт со штоком, стягивающий радиальный выступ излучающей накладки со стенкой ванны через эластичное кольцо посредством кожуха. Отражающая накладка, контактирующая с пьезокерамическими кольцами через контактные пластины, выполнена с отверстиями для эффективного гашения резонансных волн (RU 2303860, МПК Н04R 17/00, 27.07.2007).
Недостатком известного ультразвукового излучателя является низкие эксплуатационные свойства.
Технический результат заключается в снижении энергетических потерь в процессе эксплуатации ультразвукового преобразователя при повышении интенсивности ультразвукового поля в рабочем объеме ванны.
Технический результат достигается тем, что ультразвуковой преобразователь содержит излучающую накладку, выполненную с несквозной полостью, в которой размещен штифт со штоком, пьезоэлектрические элементы (кольца) и отражающую накладку, ультразвуковой преобразователь жестко крепят к ванне сваркой, которую осуществляют по перпендикулярному цилиндрическому уступу мембраны. Излучающая накладка имеет фокусирующую поверхность в виде обратного конуса, обеспечивающую формирование интенсивного ультразвукового поля в объеме жидкости в ваннах большого объема.
На чертеже представлен эскиз ультразвукового преобразователя с фокусирующей излучающей поверхностью.
Ультразвуковой преобразователь включает излучающую накладку 1, отражающую накладку 2, пьезоэлектрические кольца 3 и 4. Излучающая накладка 1 выполнена с несквозной полостью, в которой размещен штифт со штоком (на чертеже не показаны). Излучающая накладка 1 выполнена с фокусирующей поверхностью 5 в виде обратного конуса. Ультразвуковой преобразователь жестко крепят к ванне сваркой, которую осуществляют по перпендикулярному цилиндрическому уступу мембраны 6. Фокусирующая поверхность 5 образуется обратным конусом, угол которого определяется в зависимости от рабочей частоты ультразвукового преобразователя, технических параметров пьезоэлектрических колец 3 и 4, а также амплитуды рабочей поверхности ультразвукового преобразователя.
Устройство работает следующим образом. Излучающая и отражающая накладки (1, 2) с пьезокерамическими кольцами 3 и 4 в едином блоке представляют собой полуволновой резонатор продольных механических колебаний. При подаче переменного электрического напряжения на контактные пластины пьезокерамических колец 3 и 4 на резонансной частоте колебания приобретают характер стоячей полуволны с пучностями на торцах излучающей и отражающей накладок (1, 2). Фокусирующая поверхность 5 излучающей накладки 1 собирает пучность в локализованную область в объеме ванны на расстоянии равном половине длины волны. Концентрированное ультразвуковое поле позволяет вводить в резонанс очищаемые детали в ваннах больших объемов. Для обеспечения возможности проведения ультразвуковой обработки в агрессивных средах ультразвуковой преобразователь крепится к рабочей емкости ванны при помощи сварки, которая обеспечивает требуемую герметичность и надежную фиксацию ультразвукового преобразователя.
По сравнению с известным решением заявленная полезная модель позволяет снизить энергетические потери в процессе эксплуатации ультразвукового преобразователя при повышении интенсивности ультразвукового поля в ваннах большого объема, а также позволяет применять эту конструкцию в емкостях для дезактивации металлических радиоактивных отходов в кислотных растворах повышенной концентрации.