УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА (ВАРИАНТЫ)
ULTRASONIC OSCILLATING SYSTEM (VARIANTS)

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к ультразвуковым колебательным системам и может быть использовано в машиностроении, в строительной отрасли, химической промышленности для разделения дисперсных материалов, в частности, может быть применена в ультразвуковом сите для просеивания различных фракций мелкодисперсных порошков.
Известен ультразвуковой пьезокерамический преобразователь, который содержит две пьезопластины, с размещенной между ними теплоотводящей металлической вставкой. Данные пьезопластины с металлической вставкой, размещенные между излучающей и отражающей накладками стянуты между собой болтом по традиционной известной схеме. При работе этого преобразователя пьезопластины значительно нагреваются, при этом также нагревается теплоотводящая вставка вместе с крепежным элементом, который нагреваясь расширяется и ослабляет усилие сжатия пьезопластины, что приводит к изменению частоты колебаний преобразователя, причем теплоотводящая металлическая вставка, выбранная по толщине в зависимости от коэффициента линейного расширения материала пьезопластин, нагреваясь, компенсирует ослабление сжатия пьезопластин, не допуская таким образом сильного изменения рабочей частоты преобразователя, обеспечивая повышение уровня стабильности его работы (см. авторское свидетельство СССР №1052278 В06В 1/06, опубликованное 07.11.1983 г.). Вместе с этим, указанный преобразователь, как ультразвуковая система с теплоотводящей вставкой, не лишен существенного недостатка, заключающегося в том, что как и все преобразователи, смонтированные по известной традиционной схеме, он меняет свои резонансные характеристики в зависимости от нагрузки, присоединенной к излучающей накладке. При малейшем изменении этой нагрузки меняется и собственная частота преобразователя, так как излучающая накладка с присоединенной нагрузкой составляют одно целое, а металлическая прокладка, находящиеся между отражающий и излучающей накладками, служит лишь для температурной компенсации преобразователя. Для эффективной работы преобразователя при постоянном изменении нагрузки необходимо с помощью систем обратной связи корректировать частоту электрических импульсов генератора управляющего преобразователем в соответствии с изменением собственной резонансной частотой механической системы. Иногда приходится вводить еще и системы девиации и амплитудной модуляции частоты, чтобы снизить отрицательный эффект от присоединенной нагрузки. Все это усложняет управление ультразвуковыми преобразователями.
Известна также ультразвуковая колебательная система в форме тела вращения, образованная последовательно расположенными двумя металлическими отражающей и концентрирующей накладками, и двумя пьезоэлектрическими элементами, размещенными между накладками акустически связанные между собой стяжным элементом. К отличительным особенностям относится то, что пьезоэлементы выполнены дисковыми, а отражающая накладка состоит из последовательно расположенных резьбового упора с центральным отверстием и дисковой накладки, при этом концентрирующая накладка содержит три участка. Стяжной элемент выполнен в виде стакана с внутренней резьбой и двумя отверстиями: круглым в центре днища и прямоугольном на боковой поверхности стакана.
Причем цилиндрический участок концентрирующей накладки выполнен резьбовым до фланца, и на этом участке дополнительно размещена накладная гайка, а отверстие в резьбовом упоре обеспечивает возможность некоторой коррекции частотных характеристик колебательной системы. В данной конструкции преобразователя предусмотрено в концентрирующей накладке глухое отверстие для установки инструмента волновода (см. патент РФ №2465071 В06В 1/06, опубликованный 27.10.2012 г. "Ультразвуковая колебательная система"). Несмотря на оригинальную конструкцию колебательной системы и возможность некоторой коррекции частотных характеристик, она в целом представляет собой стандартную сборку, а именно отражательная накладка- пакет пьезоэлектрических пластин - излучательная накладка, находятся в контакте с волноводом- инструментом, и поэтому этой системе свойственны все те же недостатки, описанные в аналоге выше.
Известна по второму варианту ультразвуковая колебательная система, которая включает центральную массу, на обоих концах которой размещены пьезоэлектрические элементы и отражающие накладки, все вместе жестко стянуты болтом. Ультразвуковая колебательная система работает следующим образом.
На пьезоэлектрические элементы, расположенные по обоим концам центральной массы, подаются в противофазе электрические импульсы ультразвуковой частоты, при этом пьезоэлектрические элементы с одного конца преобразователя сжимаются а с его другого конца соответственно расширяются и наоборот, то есть внутри колебательной системы центральной массы совершает движение подобно поршню внутри цилиндра, (см. патент № ЕР 1060798 В06В 1/06, опубликованный 20.12. 2000 г.). Однако и эта ультразвуковая колебательная система не лишена недостатков, в частности, эффективность ее работы практически определяется соотношением длины концевых и центральных масс. Произвольный выбор размеров этих масс не позволяет создать эффективно работающую систему на заранее заданной частоте.
3
3
3
Известна также ультразвуковая колебательная система, содержащая пакет пьезокерамических пластин с металлической вставкой между ними, выполненной из высокоуглеродистой закаленной стали с пределом прочности 7,8 г/см с частотопонижающими накладками, изготовленными из титана с плотностью 4,5 г/см или алюминия с плотностью 2,7 г/см Причем металлическая вставка должна быть специальной формы, а именно имеющая с обеих сторон фаски под углом
, а максимальный ее диаметр не должен превышать одну третью часть длины волны рабочей частоты. Выполнение металлической вставки из высоко плотного материала обусловлено условием его максимального сопротивления, а частотопонижающих накладок из материала с минимальной возможной плотностью соответственно связано с меньшим волновым сопротивлением, (см. патент РФ №2452586 В/06В 1/06, H04R 17/00, опубликован 10.06 2012 г.). Такой выбор материалов с различной плотностью позволяет обеспечить минимально физически возможную потерю энергии ультразвуковых колебаний системы, которые с максимальной амплитудой работают только на торцах преобразователя передачей их на волновод для выполнения ограниченного перечня технологически необходимых операций. Кроме того, для изготовления преобразователя необходимо использование специальных материалов. Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков аналогов путем создания иной конструкции ультразвуковой колебательной системы (далее система). Технический результат по первому варианту - повышение стабильности работы системы достигается за счет того, что ультразвуковая колебательная система содержит рабочий волновод, пьезоэлектрический преобразователь, включающий соединенные стяжным элементом излучающую и отражающую накладки с пьезокерамическими пластинами между ними, а также, противовесный резонатор, имеющий одну и ту же частоту ультразвуковых колебаний пьезоэлектрического преобразователя. При этом пьезоэлектрический преобразователь (далее преобразователь) жестко соединен излучающей накладкой через рабочий волновод с упомянутым противовесным резонатором, акустически контактируя с его боковыми поверхностями.
По второму варианту технический результат тот же самый, что и по первому варианту, и который обеспечивается тем, что ультразвуковая колебательная система (далее система) содержит рабочий волновод, два имеющие одну и ту же частоту ультразвуковых колебаний пьезоэлектрических преобразователей, которые включают в свой состав соединенные стяжным элементом, излучающие и отражающие накладки с пьезоэлектрическими пластинами между ними. При этом пьезоэлектрические преобразователи скреплены стяжным элементом и встречно через рабочий волновод своими излучающими накладками, акустически контактируя с его боковыми поверхностями, причем рабочий волновод как в первом, так и во втором варианте системы выполнен в виде плоской металлической полосы.
Предлагаемое техническое решение обладает новизной, поскольку совокупность существенных признаков формулы изобретения в источниках общетехнической и патентной информации не выявлена. Заявляемое в качестве изобретения ультразвуковая колебательная система обладает изобретательским уровнем, так как акустическое соединение преобразователя через рабочий волновод с противовесным резонатором, а также акустическое соединение двух преобразователей своими излучающими накладками через рабочий волновод не является очевидным, что подтверждается перечнем информации, принятой во внимание при оформлении заявки на данное предполагаемое изобретение.
По заявленному изобретению разработана конструкторская документация, изготовлены опытные образцы по обоим вариантам, получены сведения, подтверждающие достижения технического результата.
Изобретение проиллюстрировано чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид системы с преобразователем, имеющим одну активную зону с пьезокерамическими пластинами, на фиг. 2 то же, но с двумя активными зонами, и на фиг. 3 показан график ультразвуковых колебаний обоих преобразователей, подключенных к генератору (на фиг. не показан) в противофазе.
Ультразвуковая колебательная система по первому варианту содержит рабочий волновод. 1, пьезоэлектрический преобразователь 2, включающий в свой состав излучающую и отражающую накладки соответсвенно 3 и 4 с пьезокерамическими пластинками 5 между ними, плотно соединенные стяжным элементом, выполненной в виде шпильки 6, а также противовесный резонатор 7, имеющий одну и ту же частоту ультразвуковых колебаний с пьезоэлектрическим преобразователем 2, при этом последний своей излучающей накладкой 3 через рабочий волновод 1 акустически соединен шпилькой 8 с упомянутым противовесным резонатором 7.
Излучающая накладка 3 и противовесный резонатор 7 полностью торцами 9 акустически контактируют с боковой поверхностью 10 рабочего волновода 1, выполненного в виде плоской полосы 11. В этом варианте система имеет одну активную зону 12, составленную из пьезокерамических пластин 5 и отражающей накладки 4. Причем общая длина преобразователя 2 равна длине волны λ ультразвуковых колебаний, а длина волны λ/2 от торца отражающей накладки 4 до оси симметрии в точке О волновода 1 равна длине волны λ/2 от этой же оси симметрии до внешнего торца 13 противовесного резонатора 7.
Ультразвуковая колебательная система по этому варианту работает следующим образом.
На контактные электроды от ультразвукового генератора (на фиг. не показаны), подается переменное напряжение, например 20 кГц, которое вследствие пьезоэлектрического эффекта возбуждает в пьезокерамических пластинах 5 акустическую волну. Возбужденная электрическая волна, распространяясь в обе стороны от активной зоны 12, проходит в одну сторону через отражающую накладку 4 и, отражаясь от ее торца, возвращается через пьезокерамические пластины 5 в излучающую накладку 3, где накладываясь на прямую волну, усиливает ее и поступает по торцу на волновод 1, а затем через него на резонатор 7, где, отражаясь от внешнего своего торца 13 приводит к ультразвуковым колебаниям волновод 1 с другой боковой его стороны 10, усиливая величину амплитуды его колебания, тем самым повышая эффективность работы системы. При присоединении внешней нагрузки к накладке 3 колебания от преобразователя 2 начинают передаваться этой нагрузке, причем ни форма, ни размеры, ни величина нагрузки до определенной степени не изменяют собственную частоту колебания всего преобразователя, то есть независимо от нагрузки резонансная частота ультразвуковых колебаний преобразователя остается неизменной.
Ультразвуковая колебательная система по второму варианту содержит рабочий волновод 1, два идентичных, имеющих одну и ту же частоту ультразвуковых колебаний пьезоэлектрических преобразователя 2, которые каждый включает в свой состав соединенные между собой излучающие и отражающие накладки 3 и 4 с пьезокерамическими пластинами 5 между ними, плотно соединенные с двух сторон шпильками 6. При этом оба пьезоэлектрических преобразователя скреплены соосно и встречно шпилькой 8 через волновод 1, выполненный в виде плоской полосы 11, своими излучающими накладками 3, а именно торцами 9 акустически контактируя с ее боковыми поверхностями 10. Как и в первом варианте общая длина преобразователей вместе с толщиной волновода 1 выбрана равной длине волны, расчетной частоты ультразвуковых колебаний.
Ультразвуковая колебательная система представляет собой симметричную конструкцию, где вместо противовесного резонатора 7 установлен другой такой же идентично характеристикам преобразователь 2 с другой боковой стороны волновода 1. Каждый пакет керамических пластин 5 подключен к ультразвуковому генератору (на фиг. не показан) в противофазе ультразвуковых колебаний. Ультразвуковая колебательная система работает практически аналогичным образом как и в первом варианте.
Электрические колебания ультразвуковой частоты, например 20 кГц, подаются в противофазе на пьезокерамические пластины 5 активных зон 12 и 14 с двух сторон преобразователей 2, в результате этого в них под действием пьезоэлектрического эффекта происходит преобразование электрической энергии в энергию механических колебаний. Поскольку ультразвуковые колебания на пакеты подаются в противофазе, то пьезокерамические пластины расположенные в зоне 12 будут сжиматься, а в другой зоне 14 расширяться (по толщине) и наоборот. В результате чего происходит постоянное колебание с ультразвуковой частотой без практического изменения длины каждого преобразователя 2. Путь следования акустических волн в системе с двумя идентичными преобразователями 2 во втором варианте аналогичен пути следования этих волн в первом варианте, что также приводит к увеличению амплитуды ультразвуковых колебаний, а следовательно и к увеличению эффективности работы системы, а независимость от изменяющейся нагрузки резонансной частоты ультразвуковых колебаний преобразователей свидетельствует о стабильности ее работы. Как следует из графика распределения амплитуды по длине преобразователей 2 без нагрузки система находится в состоянии покоя и амплитуда колебания на их торцах близка к нулю, при этом угол сдвига фаз 4 между волнами I и II преобразователей равен 180°. При присоединении нагрузки к накладкам угол сдвига фаз между волнами I и II становится отличным от 180°, а амплитуда колебаний на рабочих накладках преобразователей 2 при этом увеличивается, причем чем больше сопротивление нагрузки, тем выше до определенного предела амплитуда колебаний на рабочих накладках.
По изобретению разработаны, изготовлены и испытаны экспериментальные образцы, которые показали высокую эффективность в работе.
Информация, принятая во внимание при оформлении заявки на изобретение
"Ультразвуковая колебательная система"
1. Полезная модель РФ №73619 В06В 1/06, H01L 41/09, опубл. 27.05.2008 г.
2. Полезная модель РФ №98946 В06В 1/06, опубл. 10.11.2010 г.
3. Патент РФ №2452586 В06В 1/06, H04R 17/00, опубл. 10.06.2012 г.
4. Патент РФ №2465071 В06В 1/06, опубл. 27.10.2012 г.
5. Патент РФ №2473400 В06В 1/06, опубл. 27.01.2013 г.
6. Патент РФ №2332266 В06В 1/06, опубл. 27.08.2008 г.
7. Патент РФ №2548344 В23В 37/00, опубл. 20.04.2015 г.
8. Заявка РФ №93041841 В06В 1/06, опубл. 27.05.1996 г.
9. Полезная модель РФ №94488 В06В 3/00, опубл. 27.05.2010 г.
10. Патент РФ №2250814 В06В 1/08, опубл. 27.04.2005 г.
11. Патент DE 19623035 В06В 1/06, опубл. 07.05.1997 г.
12. Патент ЕР 1060798 В06В 3/00, В06В 1/06, опубл. 20.12.2000 г.
13. Патент ЕР 0209238 В06В 1/06, H04R 17/10, опубл. 21.01.1987 г.
14. Патент US 7583010 H01L 41/08, В06В 1/06 опубл. 01.09.2009 г.