Устройство для ультразвуковой очистки

Полезная модель относится к устройствам для ультразвуковой очистки загрязненных изделий.
Для проведения ультразвуковой очистки акустическое излучение соответствующей частоты подводится к поверхности очищаемого изделия, погруженного в растворитель или воду. При достаточной величине удельной мощности этих колебаний интенсивность очистки загрязнений резко возрастает.
Из технической литературы, например, [Физические основы ультразвуковой технологии. Под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1970.], известно, что качество ультразвуковой очистки определяется тремя факторами: интенсивностью механического воздействия на объект, интенсивностью химического воздействия на загрязнение и временем воздействия. Эффект от ультразвуковой очистки становится выше при увеличении интенсивности любого из этих показателей.
Известны различные конструкции ультразвуковых устройств для очистки [Patent US 2987068, Patent US 2992142, Patent US 2009/0025761], содержащие ванну для обработки деталей, заливаемую жидкостью, и установленные снаружи фокусирующие ультразвуковые излучатели.
Известно устройство ультразвуковой очистки [Patent US 9956595, японская патентная заявка №1-58389] содержащее ультразвуковой генератор, ультразвуковой излучатель, промывочный бак, включающий в себя акустическое параболическое зеркало обращенное к ультразвуковому излучателю, а объект подлежащий очистке размещен в области фокуса излучателя. В устройстве может быть использовано несколько ультразвуковых излучателей с акустическими зеркалами.
Известно устройство ультразвуковой очистки [Patent US 5383484], которое содержит ванну для обработки деталей, заливаемую жидкостью, и установленные снаружи ультразвуковые излучатели, каждый из которых направляет сфокусированный пучок энергии ультразвуковых колебаний в полость ванны. Излучатели расположены вокруг ванны так, что формируемые ими пучки, охватывают всю наружную поверхность каждой детали.
Известно устройство для ультразвуковой очистки [US Patent Application 20090025761] содержащее пьезоэлектрическое устройство для генерирования ультразвуковых волн для фокусировки первых ультразвуковых волн, имеющих частоту от 1 до 10 МГц, устройство регулировки положения области фокусировки на поверхности объекта, ванну с жидкостью.
Пьезоэлектрические преобразователи, генерирующие ультразвук, прикрепляются к внешней поверхности контейнера с жидкостью и фокусируются в определенной целевой точке / области для контролируемого максимального эффекта очистки.
Достоинством известных устройств является высокая интенсивность механического воздействия на объект за счет фокусировки акустического излучения.
Недостатком устройств является большие габариты фокусирующего устройства и низкая интенсивность акустического излучения в области фокусировки.
Известна ультразвуковая установка [Патент РФ 2286216], принятая за прототип и содержащая ультразвуковой преобразователь, рабочую камеру и акустический волновод, на излучающем конце которого расположена вогнутая акустическая сферическая линза, а приемный торец этого волновода акустически жестко соединен с излучающей поверхностью ультразвукового преобразователя.
В результате фокусировки акустического излучения в рабочей камере установки концентрируется мощная акустическая энергия в малом объеме ["Ультразвук. Маленькая энциклопедия", главный ред. И.П. Голянина, М.: Советская энциклопедия, 1979, с. 367-370]. В области фокусировки акустических энергий интенсивность воздействия акустического поля на обрабатываемую жидкую среду в сотни раз выше, чем в других областях камеры. Создается локальный объем с мощной интенсивностью воздействия полем.
Недостатком устройства является большие габариты фокусирующего устройства и низкая интенсивность акустического излучения в области фокусировки.
Недостатком известных ультразвуковых устройств очистки с акустическими фокусирующими устройствами являются большие габариты, обусловленные тем, что для фокусировки акустического излучения относительный диаметр линзы либо зеркала, либо фокусирующего преобразователя должен быть не менее D/λ~10-15 и значительный размер области фокусировки, не менее дифракционного предела, что снижает максимальную величину давления на объекте очистки.
Известны различные акустические линзы для фокусировки упругих волн, материалом которых могут быть жидкие, твердые и газообразные вещества, при этом линзы могут иметь плоско-выпуклую, плоско-вогнутую, двояковыпуклую, двояковогнутую и выпукло-вогнутую поверхности [Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. М.: Наука, 1977, с. 3-36].
Известны акустические линзы, выполненные из искусственных материалов (акустических метаматериалов) [Zhang, S., Yin, L. & Fang, N. Focusing ultrasound with an acoustic metamaterial network. Phys. Rev. Lett. 102, 194301 (2009); Zhu, J. et al. A holey-structured metamaterial for acoustic deep-subwavelength imaging. Nat. Phys. 7, 52-55 (2010); Li, J., Fok, L., Yin, X., Bartal, G. & Zhang, X. Experimental demonstration of an acoustic magnifying hyperlens. Nat. Mater. 8, 931-934 (2009); Martin, T.P. et al. Sonic gradient index lens for aqueous applications. Appl. Phys. Lett. 97, 113503 (2010)].
Ни в одной из упомянутых конструкций не решается проблема повышения уровня давления на объекте в устройстве ультразвуковой очистки за счет сверхфокусировки падающего на объект излучения.
Диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) акустического поля с помощью линзовых систем [Борн М., Вольф Э., Основы оптики - М.: Наука, 1970]
h=1,22λF/D,
где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы, F -фокусное расстояние фокусирующего устройства.
Поперечный размер области фокусировки излучения возрастает с увеличением фокусного расстояния, длины волны используемого излучения и уменьшением характерного размера фокусирующего устройства.
Диаметр пятна Эйри h является важным параметром фокусирующей системы, который определяет ее собственную разрешающую способность в фокальной плоскости, определяет поперечные размеры области фокусировки и область концентрации акустической энергии для идеального фокусирующего устройства: линзы или зеркальной антенны. Минимальный поперечный размер области фокусировки для идеальной фокусирующей системы не может быть менее длины волны используемого излучения.
Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].
Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например, с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006)). Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией, и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки. Было показано, что при падении плоской волны на сфероидальную частицу достижимо пространственное разрешение до трети длины волны, что ниже классического дифракционного предела.
Сферическая микрочастица, таким образом, выполняет роль рефракционной сферической микролинзы, фокусирующей световое излучение в пределах субволнового объема [Ю. Гейнц, А. Землянов, Е. Панина. Микрочастица в интенсивном световом поле. - Palmarium Academic Publishing (2012), ISBN-13: 978-3-8473-9641-3. - 252 с.; Daniel S. Benincasa, Peter W. Barber, Jian-Zhi Zhang, Wen-Feng Hsieh, and Richard K. Chang Spatial distribution of the internal and near-field intensities of large cylindrical and spherical scatterers // Applied Optics, Vol. 26, No. 7, 1987, pp. 1348-1356].
Позднее возможности получения фотонных наноструй были изучены для диэлектрических осесимметричных тел, например эллиптических наночастиц [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; Т. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014)], многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления, а также полусфер [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.], дисков [C-Y. Liu and C-C. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127, 267-273 (2016).], цилиндра-сферы [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].
Также было обнаружено, что фотонные струи могут быть сформированы несимметричными мезоразмерными диэлектрическими частицами, например куб, усеченный шар, пирамида, усеченная пирамида, призма, объемный шестигранник и т.д. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin and O.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin, O.V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132; Yu.E. Geintz, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910(2015); Yu.E. Geints, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); И.В. Минин, O.B. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, с. 4-10].
Из технической литературы известно, что методы субволновой фокусировки на основе эффекта фотонной струи могут быть успешно применены в акустическом диапазоне. Формально, это можно утверждать на основе аналогии между уравнениями, описывающими акустические и электромагнитные волновые процессы [Т. Miyashita and С. Inoue, Numerical investigations of transmission and waveguide properties of sonic crystals by nite-difference time-domain method // Japan. J. Appl. Phys. 40, 3488, (2001); Минин И.В., Минин O.B. Квазиоптика: современные теденции развития. - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.]. Понятие акустоструи (acoustojets) как аналога фотонной струи в оптике, был впервые введено в работах [I.V. Minin and O.V. Minin, Acoustojet: acoustic analogue of photonic jet phenomenon, arXiv: 1604.08146 (2016); O.V. Minin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle // Opt. Quant. Electron. 49, 54 (2017); J.H. Lopes, J.P. Leo-Neto, I.V. Minin, O.V. Minin, a & G.T. Silva, A theoretical analysis of acoustic jets // ICA2016, 0943, (2016)].
Акустоструя это область повышенной концентрации акустической энергии и с высоким пространственным разрешением, возникающая непосредственно на теневой стороне мезоразмерной звукопроводящей частицы.
Акустическая струя возникает только для определенных значений относительной скорости звука в материале звукопроводящей частицы и окружающей среды [J.Н. Lopes, М. А. В. Andrade,  J.С. Adamowski, I.V. Minin, and G.T. Silva. Focusing Acoustic Beams with a Ball-Shaped Lens beyond the Diffraction Limit // Phys. Rev. Applied 8, 024013 (2017), DOI: 10.1103/PhysRevApplied 8.024013; Минин И.В., Минин O.B. Сверхразрешение в акустических фокусирующих устройствах // Вестник СГУГИТ, Том 23, №2, 2018, с. 231-244]. Причем с увеличением этого параметра возрастает максимальное значение давления в акустической струе и увеличивается пространственное разрешение такой мезоразмерной линзы.
Первое упоминание фокусирующих акустических устройств, формирующих акустострую, как аналога фотонной струи в оптике, было в патенте РФ 167049, акустическая линза для формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью. Акустическая линза выполнена с возможностью формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью. Линза выполнена в виде трехмерной частицы, например, в виде сферы, цилиндра, кубоида, пирамиды с характерными размерами порядка длины волны акустического излучения в среде, с относительной скоростью звука в материале частицы не менее 1,1 и относительным волновым сопротивлением не более 25. Акустическая линза формирует область фокусировки непосредственно за теневой поверхностью с размерами в поперечном (относительно направления распространения излучения) направлении на уровне половинной мощности менее классического дифракционного предела - до четверти длины волны акустического излучения в среде λ, и с протяженностью области фокусировки (1-5)λ, чем достигается повышение локализации сфокусированного акустического поля до субволнового значения и повышенная плотность интенсивности акустического излучения в области фокусировки.
В патенте РФ 170911 предложена газонаполненная акустическая линза в форме кубоида или сферы. При этом оболочка выполняется в форме кубика с размером ребра не менее λ/2, а заполняемое вещество оболочки имеет скорость звука относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0,5 до 0,83. При таких параметрах акустическая линза формирует на своей теневой стороне акустострую и может работать в звуковом диапазоне длин волн.
Таким образом, задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно расширение арсенала технических средств, используемых в конструкции ультразвуковых устройств очистки с одновременным уменьшением габаритов устройства и повышением интенсивности акустического излучения в области фокуса фокусирующего устройства.
Указанная задача решена благодаря тому, что в устройстве для ультразвуковой очистки содержащем ультразвуковой преобразователь, рабочую камеру и акустический волновод, на излучающем конце которого расположена акустическая линза, а приемный торец этого волновода акустически жестко соединен с излучающей поверхностью ультразвукового преобразователя, новым является то, что линза выполнена в виде звукопроводящей частицы, с возможностью фокусировки излучения непосредственно за теневой границей частицы, с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел и с характерным размером не менее максимальной длины волны излучения ультразвукового преобразователя λ, а именно (1-1.5)λ.
Кроме того звукопроводящая частица может быть выполнена в форме кубоида.
Кроме того звукопроводящая частица может быть выполнена в форме шара.
В результате проведенных исследований было обнаружено, что звукопроводящая частица, например, в форме кубоида или шара, с характерным размером не менее максимальной длины волны акустического излучения в окружающей среде и со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0,5 до 0,83, формирует на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной концентрацией энергии и с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4.
Выбор размера звукопроводящей частицы с характерным размером не менее максимальной длины волны излучения ультразвукового преобразователя обеспечивает фокусировку акустического излучения в акустострую во всем диапазоне частот работы устройства с характерным размером не менее максимальной длины волны излучения ультразвукового преобразователя. На более высоких частотах акустического излучения увеличивается эффективность фокусировки и величина интенсивности акустического излучения в области фокуса.
На фиг. 1 приведена схема устройства для ультразвуковой очистки с частицей в форме кубоида (а), в форме шара (б).
Ультразвуковая установка содержит ультразвуковой магнитострикционный или пьезокерамический преобразователь 1 с излучающей поверхностью 2, акустический волновод 3, рабочую камеру 4, приемный торец этого волновода 3 акустически жестко соединен с излучающей поверхностью ультразвукового преобразователя 2. Рабочая камера 4 выполнена металлической, например стальной, цилиндрической трубы. На излучающем конце волновода 3 установлена звукопроводящая частица в форме кубоида 5 или шара 6, фокусирующих акустическое излучение в акустострую 7 непосредственно за теневой границей частицы в форме кубоида 5, либо шара 6, либо в форме нескольких звукопроводящих частиц с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел и с характерным размером не менее максимальной длины волны излучения ультразвукового преобразователя. В области акустоструи 7 размещена поверхность очищаемого объекта 8.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Акустическое излучение, сформированное ультразвуковым преобразователем 1, передается на излучающую поверхность 2, которая акустически жестко соединена с приемным торцом волновода 3 и передается на излучающий конец волновода. На излучающем конце волновода расположена звукопроводящая частица в форме кубоида 5 или шара 6, которая фокусирует это излучение в акустострую 7 с повышенным давлением, которая возникает непосредственно на теневой границе частиц 5, 6, при этом достижимо пространственное разрешение, превышающее дифракционный предел. В случае использования пъезокерамического преобразователя 1, звукопроводящие частицы 5 либо 6 могут размещаться на его излучающей поверхности. В области фокусировки 7 в рабочей камере 4 с жидкостью, например, водой, размещен очищаемый объект 8.
Под воздействием акустического поля в обрабатываемой жидкой среде возникает кавитация. В результате кавитации образуются парогазовые кавитационные пузырьки. Если акустическое поле слабое, пузырьки резонируют, пульсируют в поле. Если акустическое поле сильное, пузырек через период звуковой волны (идеальный случай) захлопывается, так как попадает в область высокого давления, создаваемого этим полем. Захлопываясь, пузырьки порождают сильные гидродинамические возмущения в жидкой среде, интенсивное излучение акустических волн вызывает разрушение поверхностей твердых тел, граничащих с кавитирующей жидкостью.
Таким образом, размещение на излучающей поверхности звукопроводящей частицы, формирующей акустострую, повышает интенсивность воздействия акустическим полем на обрабатываемую жидкую среду, а следовательно, обеспечивает интенсификацию технологического процесса без снижения качества конечного продукта.
В результате проведенных исследований было установлено, что локализация поля типа акустоструя для характерных размеров кубоида и шара менее λ/2 не формируется. Устойчиво локализация акустического поля типа акустоструя формируется при размерах звукопроницаемой частицы не менее λ.
При относительной скорости звука в материале звукопроводящей частице более 0,83 формируемая акустоструя не обеспечивает эффективной концентрации акустического излучении и менее 0,5 акустоструя формируется внутри звукопроводящей частицы.
При использовании в качестве среды воду, из-за малой разницы акустического импеданса по отношению к воде и с учетом результатов [J.H. Lopes, М.А.В. Andrade, J.P. Leao-Neto, J.C. Adamowski, I.V. Minin & G.T. Silva, Focusing Acoustic Beams with a Ball-Shaped Lens beyond the Diffraction Limit // Phys. Rev. Appl. 8, (2017), 024013], целесообразно в качестве материала для звукопроводящих частиц использовать диэлектрический материал Rexolite. Его можно легко подвергнуть механической обработке. Это экологически чистый материал, так как не содержит вредных для него ингредиентов [С. Cadot, J.-F. Saillant, and В. Dulmet, Method for Acoustic Characterization of Materials in Temperature, in Proceedings of the 19th World Conference on Non-Destructive Testing 2016, Munich, 2016, http://ndt.net/?id=19542.; http://www.rexolite.com/general-qualities/].
вода
вода
lRexolite
sRexolite
Rexolite
3
3
При моделировании использовались характеристики с типичными значениями скорости звука (C) и плотности (ρ) (С=1500 м/с и ρ=1000 кг/м). Для Rexolite продольная скорость звука C=2337 м/с, поперечная скорость звука C=1157 м/с, а плотность ρ=1049 кг/м [O.V. Minin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle // Opt. Quant. Electron. 49, (2017), 54; J.H. Lopes,  I.V. Minin, О.V. Minin, and G.T. Silva, A theoretical analysis of jets, in Proceedings of the 22nd International Congress on Acoustics (ICA 2016), Buenos Aires, 2016].
Сравнение прототипа и предлагаемого устройства производилось на частоте 1 МГц с жидкостной ячейкой из воды при 25°С (скорость звука 1490 м/с) и звукопроводящей частицы из Rexolite (скорость звука 2311 м/с) относительная скорость звука 0,645, формы частиц шар, кубоид с характерным размером 1,5λ. Было установлено, что в предлагаемом устройстве достигнуто повышение интенсивности акустического излучения в области фокусировки в 7-9 раз и одновременного уменьшения габаритов фокусирующего устройства в 6-10 раз.
Техническим результатом является снижение габаритов устройства для ультразвуковой очистки и повышение интенсивности акустического излучения в области фокуса фокусирующего устройства.