Ультразвук - это не слышимые человеком упругие акустические волны, частота которых превышает 20 кГц. Принято различать низкочастотные (20…100 кГц), среднечастотные (0.1… 10 МГц) и высокочастотные (более 10 МГц) ультразвуковые колебания. Несмотря на кил мегагерцы, ультразвуковые волны не следует путать с радиоволнами и радиочастотами. Это абсолютно разные вещи!
По своей физической природе ультразвук ничем не отличается от обычного слышимого звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна, она определяется субъективными свойствами человеческого слуха. Для справки, колебания высокой частоты хорошо чувствуют животные (в том числе и домашние), а для летучих мышей и дельфинов они являются жизненно важными.
Ультразвук, благодаря малой длине волны, хорошо распространяется в жидкостях и твёрдых телах. Например, ультразвуковые волны в воде затухают примерно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Отсюда следуют основные сферы их применения: гидролокация, неразрушающий контроль изделий, «звуковидение», молекулярная и квантовая акустика.
Для генерации ультразвуковых колебаний используют следующие виды излучателей (англ. «ultrasonic transducer»):
Пьезокерамические (piezo);
Электростатические (electrostatic);
Электромагнитные (electromagnetic).
Для последнего варианта годятся даже обычные высокочастотные звуковые громкоговорители (на сленге «пищалки»), которые имеют достаточный КПД для генерации сигналов в ближнем ультразвуковом диапазоне 20…40 кГц.
Пьезокерамические ультразвуковые излучатели (Табл. 2.10) выпускаются, как правило, в паре с согласованными по частоте пьезо приёмниками. Типовые параметры «ультразвукового тандема»: частота резонанса 37…45 кГц, уровень звукового давления на расстоянии 30 см - 95…105 дБ(А), рабочее напряжение 12…60 В, ёмкость 1000…3000 пФ, выходной импеданс передатчика 200…500 Ом, входной импеданс приёмника 10…30 кОм.
Таблица 2.10. Параметры ультразвуковых излучателей
На обкладки ультразвуковых пьезоизлучателей рекомендуется подавать не однополярные, а разнополярные импульсы, т.е. в паузах формировать напряжение обратной полярности. Это способствует ускоренному разряду эквивалентной ёмкости излучателя и повышению быстродействия.
На Рис. 2.53, а…л приведены схемы подключения ультразвуковых излучателей к MK. Для формирования разнополярных импульсов широко используются транзисторные мосты и разделительные трансформаторы. Если снизить частоту генерации, то приведенные схемы подойдут «один к одному» и для слышимого диапазона, т.е. для рассмотренных ранее звуковых пьезокерамических излучателей.
Рис. 2.53. Схемы подключения ультразвуковых излучателей к MK (начало):
а) сглаживание формы сигнала, подаваемого на ультразвуковой излучатель BQ1, с помощью катушки индуктивности L1. Резистором R1 регулируется амплитуда;
б) транзисторы VT1, VT2 попеременно открываются короткими импульсами от MK. Для надёжности следует выбирать транзисторы с большим допустимым коллекторным током, чтобы они не вышли из строя при низком омическом сопротивлении катушки индуктивности L1\
в) конденсатор C1 дифференцирует сигнал и устраняет постоянную составляющую, что позволяет подключить ультразвуковой пьезоизлучатель BQ1 к двухполярному источнику питания;
г) маломощный ультразвуковой приёмопередатчик. Делитель R1, R2 определяет рабочую точку АЦП MK при приёме сигнала и амплитуду выходных импульсов при передаче сигнала;
д) приёмопередатчик ультразвукового дальномера. Частота импульсов 36…465 кГц, напряжение на излучателе BQ1 50…100 В (максимум подбирается конденсатором C3). Диоды VD1, VD2 ограничивают сигнал для приёмника. Трансформатор 77 содержит в обмотках I, II по 15 витков провода ПЭВ-0.3, в обмотке III - 100…200 витков ПЭВ-0.08 (кольцо M2000HM K10x6x5); О
О Рис. 2.53. Схемы подключения ультразвуковых излучателей к MK (продолжение):
е) применение логической микросхемы DD1 аппаратно устраняет одновременное открывание транзисторов одного плеча. Импульсные помехи, возникающие в цепи питания из-за неодновременного переключения инверторов DD1.l…DD13 и разброса ВАХ транзисторов, устраняются фильтром L /, C1. Диоды VD1… VD4ставятся в случае замены звукового ВЧ-динамика BA1 (10ГД-35, 6ГД-13, 6ГДВ-4) более мощным ультразвуковым пьезоизлучателем;
ж) увеличение мощности излучателя BQ1 с помощью удвоителя напряжения на микросхеме DD1 и повышенного питания +9…+ 12 В. Транзистор VT1 согласует логические уровни;
з) увеличение амплитуды напряжения на излучателе BQJ происходит ввиду повышенного напряжения питания +9 В и накопления энергии в дросселе L1\
и) полевые транзисторы K77, VT2 (замена IRF7831) снижают потери энергии при коммутации. Резисторы R1, R2 не дают открываться транзисторам при рестарте MK; О
О Рис. 2.53. Схемы подключения ультразвуковых излучателей к MK (окончание):
к) ультразвуковой эхолокатор работает на частоте 40 кГц и генерирует импульсы длительностью 0.4 мс. Амплитуда сигнала на пьезоизлучателе BQ1 (фирма Murata) достигает 160 В. Индуктивность вторичной обмотки трансформатора T1 совместно с ёмкостью пьезоизлучателя BQ1 образует колебательный контур, настроенный на частоту, близкую к 40 кГц. Индуктивность первичной обмотки трансформатора T1 - 7.1 МК Гн, вторичной - 146 МК Гн, добротность Q > 80;
л) ультразвуковой гидроионизатор работает на частоте 1.8…2 МГц. Трансформатор T1 наматывается на трёх сердечниках 50BH K20x 10×5. Обмотки I и II содержат по 4 витка сложенного втрое провода ПЭВ-0.3, обмотка III - 12 витков провода ПЭВ-0.3. Катушка L1 содержит 5 витков провода ПЭВ-0.8 на оправке диаметром 8 мм с шагом 1 мм. Излучатель BQ1 имеет диаметр 30 мм (пьезокерамика ЦТС). Резистором R1 снижаются выбросы напряжения на стоке VT1.
Ультразвуковой шокер-излучатель
Исполнительное устройство активной сигнализации
Данное устройство предназначено только для демонстрационных испытаний в лабораторных условиях. Предприятие не несет ответственности за любое использование данного устройства.
Ограниченный сдерживающий эффект достигается воздействием мощного ультразвукового излучения. При сильных интенсивностях, ультразвуковые колебания производят чрезвычайно неприятный, раздражающий и болезненный эффект на большинство людей, вызывая сильные головные боли, дезориентацию, внутричерепные боли, паранойю, тошноту, расстройство желудка, ощущение полного дискомфорта.
Генератор ультразвуковой частоты выполнен на D2. Мультивибратор D1 формирует сигнал треугольной формы, управляющий качанием частоты D2. Частота модуляции 6-9 Гц лежит в области резонансов внутренних органов.
D1, D2 - КР1006ВИ1; VD1, VD2 - КД209; VT1 - KT3107; VT2 - KT827; VT3 - KT805; R12 - 10 Ом;
T1 выполнен на ферритовом кольце М1500НМЗ 28х16х9, обмотки n1, n2 содержат по 50 витков D 0.5.
Отключить излучатель; отсоединить резистор R10 от конденсатора C1; подстроечным резистором R9 выставить на выв. 3 D2 частоту 17-20 кГц. Резистором R8 установить требуемую частоту модуляции (выв. 3 D1). Частоту модуляции можно уменьшить до 1 Гц, увеличив емкость конденсатора С4 до 10 мкФ; Подсоединить R10 к С1; Подключить излучатель. Транзистор VT2 (VT3) устанавливают на мощный радиатор.
В качестве излучателя лучше всего применить специализированную пьезокерамическую головку ВА импортного или отечественного производства, обеспечивающую при номинальном напряжении питания 12 В уровень звуковой интенсивности 110 дБ: Можно использовать несколько мощных высокочастотных динамических головок (динамиков) ВА1...BAN, соединенных параллельно. Для выбора головки, исходя из требуемой интенсивности ультразвука и расстояния действия, предлагается следующая методика.
Средняя подводимая к динамику электрическая мощность Рср = Е2 / 2R, Вт, не должна превышать максимальной (паспортной) мощности головки Рmaх, Вт; Е - амплитуда сигнала на головке (меандр), В; R - электрическое сопротивление головки, Ом. При этом эффективно подводимая электрическая мощность на излучение первой гармоники Р1 = 0.4 Рср, Вт; звуковое давление Рзв1 = SдP11/2/d, Па; d - расстояние от центра головки, м; Sд = S0 . 10(LSд/20) Па Вт-1/2; LSд - уровень характеристической чувствительности головки (паспортное значение), дБ; S0 = 2 . 10-5 Па Вт-1/2. В результате, интенсивность звука I = Npзв12 / 2sv, Вт/м2; N - число параллельно соединенных головок, s = 1.293 кг/м3 - плотность воздуха; v = 331 м/с - скорость звука в воздухе. Уровень интенсивности звука L1 = 10 lg (I/I0), дБ, I0 = 10-12 I m/м2.
Уровень болевого порога считается равным 120 дБ, разрыв барабанной перепонки наступает при уровне интенсивности 150 дБ, разрушение уха при 160 дБ {180 дБ прожигает бумагу). Аналогичные зарубежные изделия излучают ультразвук с уровнем 105-130 дБ на расстоянии 1 м.
При использовании динамических головок дли получения требуемого уровня интенсивности может потребоваться увеличить напряжение питания. При соответствующем радиаторе (игольчатый с габаритной площадью 2 дм2) транзистор KT827 (металлический корпус) допускает параллельное включение восьми динамических головок с сопротивлением катушки 8 0м каждая. 3ГДВ-1; 6ГДВ-4; 10ГИ-1-8.
Разные люди переносят ультразвук по разному. Наиболее чувствительны к ультразвуку люди молодого возраста. Дело вкуса, если вместо ультразвука вы предпочтете мощное звуковое излучение. Для этого необходимо увеличить емкость С2 в десять раз. При желании можно отключить модуляцию частоты, отсоединив R10 от С1.
С ростом частоты эффективность излучения некоторых типов современных пьезоизлучателей резко увеличивается. При непрерывной работе более 10 минут, возможен перегрев и разрушение пьезокристалла. Поэтому рекомендуется выбирать напряжение питания ниже номинального. Необходимый уровень звуковой интенсивности достигается включением нескольких излучателей.
Ультразвуковые излучатели обладают узкой диаграммой направленности. При использовании исполнительного устройства для охраны помещений большого объема излучатель нацеливают в направление предполагаемого вторжения.
Взято с http://patlah.ru/etm/etm-11/e-shokeri/e-shokeri/e-shok-09.html
"Энциклопедия Технологий и Методик" Патлах В.В. 1993-2007 гг.
Возвращаясь с работы ночью или бродя по темным переулкам, есть опасность подвергнутся нападению бродячих собак, укусы которых иногда опасны для жизни, если вовремя не обратится к врачам. Именно для этих случаев умные человеческие мозги придумали ультразвуковой отпугиватель.
Промышленные отпугиватели имеют достаточно сложную схему и выполнены на достаточно дефицитных компонентах.
В этой статье мы рассмотрим вариант такого отпугивателя с использованием знаменитого таймера 555 серии. Таймер, как известно, может работать в качестве генератора прямоугольных импульсов, именно такое подключение использовано в схеме.
Генератор работает на частоте 20-22 кГц, как известно многие животные "общаются" на ультразвуковом диапазоне. Опыты показали, что частоты 20-25 кГц вызывают у собак искусственный страх, благодаря построечному регулятору, генератором можно настроить на частоту 17-27кГц.
Сама схема содержит всего 6 компонентов и не вызовет никаких затруднений. Регулятор желательно использовать многооборотный, для более точной настройки на нужную частоту.
Пьезоизлучатель можно взять от калькулятора или любых других музыкальных игрушек, можно также использовать любые ВЧ головки с мощностью до 5 ватт, больше попросту нет смысла.
Устройство эффективно действует на расстоянии 3-5 метров, поскольку в схеме нет дополнительного усилителя мощности.
В качестве источника питания, удобно использовать крону, или любой другой источник с напряжением от 6 до 12 вольт.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Программируемый таймер и осциллятор | NE555 | 1 | В блокнот | |||
| R1 | Резистор | 2.2 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R2 | Резистор | 1 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R3 | Переменный резистор | 4.7 кОм | 1 | В блокнот | ||
| C1 | Электролитический конденсатор | 10 мкФ | 1 | В блокнот | ||
| C2 | Конденсатор | 10 нФ | 1 | В блокнот | ||
| Пьезоизлучатель | 1 |
Погружной ультразвуковой преобразователь это устройство, предназначенное для передачи в жидкую среду ультразвуковых колебаний, содержащие герметичный корпус с диафрагмой, являющейся частью поверхности этого корпуса, внутри которого расположены и закреплены на диафрагме пьезоэлектрические излучатели, электроды, которых электрически соединены с высокочастотным кабелем, служащим для подачи на пьезоэлектрические излучатели высокочастотного электрического напряжения от генератора ультразвуковой частоты.
Используется для возбуждения в жидкой моющей среде ультразвуковой кавитации, обеспечивающей интенсификацию процессов очистки деталей от загрязнений. Применяются в ваннах для ультразвуковой очистки объемом свыше 50 л.
Рис.1 Погружной преобразователь
в У.З. ванне
Устройство ультразвукового погружного преобразователя схематично показана на рис.1.
Генератор подключается к сети 220 вольт 50 Гц и преобразует частоту напряжения до 25.000 гц (25 кГц) или 35 кГц. в зависимости от конструкции погружного преобразователя.
Высокочастотное напряжение подается по кабелю в герметичный корпус преобразователя, изготовленный из нержавеющей стали внутри которого смонтированы пьезоэлектрические излучатели, соединенные параллельно.
Рис.2 Устройство пьезоэлектрического излучателя
Пьезоэлектрический излучатель является основным узлом погружного ультразвукового преобразователя. Устройство этого излучателя показано на рис.2.
Излучатель имеет две пьезоэлектрических пластины (пьезоэлементы), расположенные между двумя металлическими накладками: стальной расположенной с задней стороны и алюминиевой - с передней.
Пьезоэлементы стянуты в одно целое с накладками посредством центрального болта. На центральный электрод, расположенный между пьезоэлементами, подается высокочастотное напряжение.
Пьезоэлектрический излучатель преобразует электрическую энергию в высокочастотные механические колебания, которые передаются диафрагме погружного преобразователя, от которой эти колебания передаются в моющую жидкость.
Количество пьезоэлектрических излучателей в погружном ультразвуковом преобразователе может составлять от 4-х до 11-ти и более штук.
Закрепляются пьезоэлектрические излучатели на диафрагме посредством клеевого соединения.
Рис.3 Погружной преобразователь
Общий вид ультразвукового погружного преобразователя с частично вырезанной задней крышкой показан на рис.3. Видно, что пьезоэлектрические излучатели расположены в несколько рядов по два в каждом ряду.
Погружные ультразвуковые преобразователи могут использоваться как в специально разработанных для них ваннах ультразвуковой очистки, так и в уже имеющихся у заказчика очистных ванны. Удобство этих преобразователей состоит в том, что они могут быть легко установлены в различные части объема ванны.
В отличие от ультразвуковых преобразователей, прочно прикрепленных к ванне очистки снизу или сбоку, погружные преобразователя могут быть заменены в течение нескольких минут.
Генератор для питания погружных преобразователей высокочастотным напряжением может располагаться от ультразвуковой ванны на расстоянии до 6 метров.
Способы монтажа погружных преобразователей в ванне ультразвуковой очистки
Погружные преобразователи могут быть размещены в ваннах для очистки тремя различными способами:
- размещением преобразователя на дне ванны;
- навешиванием на стенку ванны;
- креплением преобразователя на стенке ванны.
Рис.4 Размещение преобразователя в УЗ ванне
Первые два способа не требуют выполнения отверстий в стенке ванны.
Некоторые виды крепления погружного преобразователя в ванне для ультразвуковой очистки показаны на рис.4.
При размещении преобразователя на дне ванны надо учитывать высоту слоя моющего раствора над диафрагмой преобразователя.
Следует стремиться к тому, чтобы высота этого слоя была бы кратна половины длины волны ультразвуковых колебаний, передаваемых в моющий раствор погружным преобразователем.
В этом случае за счет отражения волн ультразвуковых колебаний от границы вода-воздух в моющем растворе создается зона стоячих волн (явление реверберации). При реверберации ультразвуковых волн в жидкости эффективность ультразвуковой очистки несколько выше.
В качестве примера определим оптимальную высоту этого слоя для конкретного погружного преобразователя.
Известно, что скорость звука в воде составляет 1485 м/сек. Длина волны ультразвуковых колебаний равна частному от деления скорости звука на частоту этих колебаний.
Предположим что мы имеем погружной ультразвуковой излучатель частота колебаний диафрагмы которого составляет 25 000 гц (25 кГц). Длина волна в этом случае будет 0,0594 м. Половина длины волны равна 0,0297 м. или 2,97 см. Оптимальная высота жидкости в этом случае над поверхностью погружного преобразователя должна быть 2,97см x n где n-любое целое положительное число.
Рис.5 Стоячие волны в УЗ ванне
Например, для n=40 оптимальная высота уровня моющего раствора над поверхностью погружного преобразователя составит 2,97х40=118.8 см. Изложенное выше иллюстрируется рис.5.
Размещение погружных ультразвуковых преобразователей на стенках ванны очистки рекомендуется в том случае, когда ее глубина более чем в два раза меньше ее ширины или длины. При этом преобразователи могут размещаться как на одной стенке ванны так и на ее противоположных стенках.
На видеоролике показано размещение погружных преобразователей на боковых стенках ванны и работа погружных ультразвуковых преобразователей, размещенных на дне ванны.
Погружные преобразователи в работе
Выбор оптимальной частоты для погружного преобразователя
При распространении в жидкости ультразвуковых колебаний возникает явление, называемое кавитацией, под которой понимается образование в жидкости кавитационных полостей в фазе разряжения звуковой волны и последующее ее захлопывание в фазе сжатия.
Рис.6 Влияние частоты на уз кавитацию
Поведение кавитационных полостей при изменении частоты колебаний показано на графике на рис.6.
По оси ординат с левой стороны показана величина энергии выделяемой при захлопывании единичной кавитационной полости (энергия кавитации) а по оси ординат справа показано число кавитационных полостей в единице объема жидкости.
Как видно из графика с увеличением частоты ультразвуковых колебаний количество кавитационных полостей в жидкости увеличивается, а энергия кавитации уменьшается.
С понижением частоты ультразвуковых колебаний число кавитационных полостей в жидкости уменьшается, а энергия кавитации увеличивается.
При этом для каждой частоты ультразвуковых колебаний произведение энергии выделяемой кавитационной полостью при ее захлопывании на число этих пузырьков в жидкости является величиной постоянной примерно равной энергии передаваемой в жидкость ультразвуковым погружным преобразователем.
Подробно влияние частоты ультразвуковых колебаний на количество кавитационных полостей рассмотрено на сайте
Для практики важно, чтобы число кавитационных полостей было бы как можно больше, но при этом энергия кавитации должна быть достаточной для удаления загрязнений. Таким образом, для очистки деталей от загрязнений непрочно связанных с поверхностью (жиры, масла) следует применять преобразователи с частотой 35-40 кГц а для очистки деталей от загрязнений прочно связанных с поверхностью (полировальные пасты, лаковые и полимерные пленки) следует применять погружные преобразователи с более низкой частотой 20-25 кГц.
сменить рисунок
Рис.7 УЗ ванна с преобразователями разной частоты
Наиболее оптимальным решением является создание таких уcловий, когда чиcло кавитационных полостей было бы велико и при этом энергия кавитации также была бы большой.
Эти условия реализуются в ванне ультразвуковой очистки с погружными преобразователями, расположенными на ее стенках, как показано на рис.7. Другой вариант расположения погружных преобразователей можно увидеть, если подвести курсор к этому рисунку.
В этом случае применяются два преобразователя с разными частотами колебаний 25 и 35 кГц. Преобразователь с частотой в 35 кГц обеспечивает создание в объеме моющей жидкости большего количества кавитационных полостей, а преобразователь с частотой в 25 кГц увеличивает энергию кавитации этих полостей.
Оптимальное количество погружных преобразователей для ванны очистки
При определении числа необходимых погружных преобразователей надо исходить из того, что максимальная эффективность ультразвуковой очистки достигается при ультразвуковой мощности 10...30 ватт на 1 литр объема ванны.
Так например, для ванны объемом 50 литров достаточно двух преобразователей модели ПП25.8 (см.таблицу ниже).
Для больших по объему ванн ультразвуковой очистки, например свыше 250 литров, удовлетворительные результаты достигаются и при ультразвуковой мощности 4.5 ватт на 1 литр объема ванны. Например, для ванны объемом 1000 л достаточно 11 преобразователей модели ПП25.8
В настоящее время на отечественном рынке имеется много конструкций ультразвуковых погружных преобразователей.
В таблице приведены технические характеристики погружных ультразвуковых преобразователей компании ООО ТНЦ Техносоник (Москва).
В данной статье не рассмотрены полностью все аспекты конструкции и использования погружных ультразвуковых преобразователей. Однако представленный материал может быть полезен для специалистов перед которыми впервые поставлены конкретные задачи по выбору оптимального варианта ультразвуковой ванны для очистки изделий.
Изобретение относится к ультразвуковой технике, в частности к устройствам для интенсификации технологических процессов в жидких средах, и может найти применение в машиностроительной, электронной, фармацевтической промышленности, приборостроении и атомной энергетике. Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь включает корпус с установленным в сквозном отверстии его излучающей мембраны, по крайней мере, одним излучателем, волновод которого соединен с корпусом с помощью сварного шва, дополнительно выполняющего функции демпфера гашения изгибных колебаний, при этом для работы в агрессивных средах корпус, излучатель и волновод выполнены из титана. А при установке в корпусе нескольких излучателей расстояние между ними выбирают предпочтительно равное одной четверти длины волны ультразвуковых колебаний. Предлагаемое изобретение упрощает конструкцию преобразователя, повышает эффективность ультразвуковых колебаний при работе в агрессивных средах и обеспечивает надежную герметизацию корпуса от протечек озвучиваемой жидкости. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
Рисунки к патенту РФ 2448782
Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к устройствам для интенсификации технологических процессов в жидких средах: очистки деталей, экстракции, травления, пропитки, и может найти применение в машиностроительной, электротехнической, электронной, фармацевтической промышленности, приборостроении и атомной энергетике.
Известен целый ряд ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей, в которых элементы герметизации внутреннего их устройства от внешнего воздействия жидкой среды выполнены в виде фторопластовых или резиновых уплотнений. Всем им присущ общий недостаток: при установке их в мощных пьезопреобразователях они со временем разрушаются под действием ультразвука, в результате образуются протечки жидкости внутрь корпуса и излучатели выходят из строя. (См. Патент на полезную модель РФ № 66700, B06B 1/06 «Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь», опубл. 10.11.2005 г., а также патент РФ на изобретение № 20090013, H04R 17/00 «Устройство крепления армированного пьезопреобразователя», опубл. 10.09.1997 г.)
Таким образом, все подобные преобразователи имеют ограниченное применение
Известен также погружной ультразвуковой преобразователь для озвучивания жидкости в ванне, который включает в свой состав корпуса пьезопластину, мембрану и элемент для закрепления преобразователя к ванне. Для осуществления герметизации внутренней полости преобразователя от протечки жидкости используется установленное в проточке корпуса уплотнительное кольцо. Для охвата большей площади озвучивания несколько преобразователей объединены в ванне в один ряд. Но и в этом преобразователе не решена проблема герметизации, поскольку возможно попадание жидкости во внутреннюю полость корпуса, вследствие износа уплотнительного кольца и ослабления резьбового соединения. (См. Патент РФ на изобретение № 2009720, B06B 1/06 «Ультразвуковой высокочастотный преобразователь для озвучивания жидкости в ванне», опубл. 30.03.1994 г.)
Также известен ультразвуковой пьезокерамический преобразователь для озвучивания жидкости, который содержит излучающую накладку, пьезопакет, армирующую шпильку, фланец, кольцевое уплотнение, гайку, шпильку для крепления к ванне, акустически развязывающую мембрану с уступом и демпфер. При этом фланец и уступ мембраны жестко связаны между собой сваркой. Дополнительная герметизация осуществляется резиновым или фторопластовым кольцом, которое притягивается к дну ванны перемещением гайки по шпильке.
Демпфирование от появления изгибных колебаний осуществляется пластмассовым кольцом. (См. Авторское свидетельство СССР № 1622025, B06B 1/06 «ультразвуковой пьезокерамический преобразователь для озвучивания жидкости», опубл. 23.01.1991 г.)
Основным недостатком данной конструкции является сложность узла крепления преобразователя ко дну ванны, к тому же используемое как уплотнение резиновое или фторопластовое кольцо не обеспечивает надежную долгосрочную герметизацию преобразователя от озвучиваемой им жидкости, особенно в случае агрессивного раствора кислот или щелочей.
Известен также и ультразвуковой пьезокерамический преобразователь с излучателем, установленный с внешней стороны дна емкости с элементом его крепления, выполненным в виде сварного шва и резьбового соединения. (См. Свидетельство на полезную модель РФ № 35250, МПК B06B 1/06, опубл. 10.01.2004 г.) Данный ультразвуковой пьезокерамический преобразователь использован в устройстве для очистки жидкости, включающем емкость, ко дну которой с внешней стороны прикреплен упомянутый преобразователь. При этом элемент крепления выполнен в виде втулки с внутренней резьбой, жестко закрепленной на дне емкости с помощью сварки, а излучатель снабжен внешней резьбой с возможностью ввинчивания его во втулку до упора в дно емкости. В этом устройстве, как следует из чертежа, проблема герметизации решена полностью за счет крепления излучателей к дну емкости с внешней стороны. Однако в этом случае не удается избежать потери интенсивности ультразвуковых колебаний, так как последние передаются, во-первых, через стенку емкости, а во-вторых, в резьбовом соединении обязательно образуется торцевой зазор, в котором также будет наблюдаться частичная потеря мощности излучения, потому что подогнать идеально поверхность дна емкости и торец излучателя практически невозможно.
Поэтому необходимо упростить конструкцию, исключив резьбовое соединение. Задача предлагаемого изобретения заключается в устранении недостатков аналогов и прототипа, а именно обеспечить полную герметизацию преобразователя от протечек озвучиваемой жидкости и добиться максимально возможной мощности излучения в рабочую жидкость.
Задача решается путем озвучивания непосредственно самой жидкости, находящейся в емкости для обработки изделий с одновременной нейтрализацией изгибных колебаний мембраны ультразвукового преобразователя.
Технический результат, заключающийся в упрощении конструкции преобразователя с одновременным повышением интенсивности ультразвуковых колебаний в жидкости, достигается за счет того, что, по крайней мере, один излучатель установлен в сквозном отверстии излучающей мембраны или мембранного дна корпуса с возможностью непосредственного контактирования его волновода с озвучиваемой жидкостью, при этом волновод, выполненный из материала с низким акустическим сопротивлением (титана) герметично соединен с корпусом преобразователя сварным швом, выполняющим дополнительную функцию демпфера для гашения изгибных колебаний излучающей мембраны. Для обеспечения качественного соединения сварным швом к корпусу излучателя его волновод выполнен Т-образной формы с головкой в виде буртика, который перекрывает отверстие мембранного дна по всему периметру на величину 2-5 мм, образуя зону однородного соединения из одного и того же металла Выполнение корпуса преобразователя и волновода излучателя из титана дает возможность использования его в агрессивных средах, а главное, титан обладает низким акустическим сопротивлением, что способствует минимизации потерь мощности ультразвуковых колебаний в волноводе излучателя, контактирующем с озвучиваемой жидкостью.
Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь является новым, поскольку в источниках информации совокупность предложенных признаков, отраженных в формуле изобретения, в том числе и в дополнительных пунктах, не обнаружена.
Предложенный ультразвуковой пьезокерамический преобразователь как техническое решение обладает изобретательским уровнем. Дело в том, что в промышленности, особенно в теплообменных системах, достаточно часто приходится удалять с поверхностей деталей и механизмов стойкие отложения солей и различные накипи, при этом используются растворы агрессивных сред в виде кислот и щелочей. Для удаления таких вредных отложений требуется мощное ультразвуковое излучение, в то же время ультразвуковой преобразователь должен иметь компактную форму и стойко выдерживать воздействие агрессивных сред. Предлагаемый ультразвуковой пьезокерамический преобразователь удовлетворяет этим требованиям. Высокая плотность расположения излучателей на мембране корпуса преобразователя, низкое акустическое сопротивление титана и непосредственное выведение рабочей поверхности волноводов излучателей в озвучиваемую жидкость позволяют обеспечить минимальную физически возможную по совокупности потерю интенсивности ультразвуковых колебаний и максимально возможную мощность кавитационного воздействия для удаления вредных отложений с обрабатываемых поверхностей.
Предложенное техническое решение не является очевидным, поскольку сварной шов, выполненный описанным выше образом, применяется не только в качестве элемента для крепления волновода излучателя к корпусу преобразователя, но и выполняет функцию демпфера гашения изгибных колебаний. Таким образом, две функции: крепления и гашения изгибных колебаний совмещены в одном признаке, что привело к упрощению ультразвукового преобразователи и, одновременно, к повышению интенсивности ультразвукового излучения.
Указанное конструктивное отличие и совмещение функций не было обнаружено в информационной, научно-технической литературе и патентных материалах, что свидетельствует о неочевидности и неординарности предлагаемого ультразвукового пьезокерамического преобразователя. Отмеченное отличие, по нашему мнению, нельзя отнести к методу обычного инженерного проектирования.
Изготовление и испытание опытных образцов показали их работоспособность и подтвердили получение технического результата, указанного в описании изобретения, что соответствует критерию «промышленная применимость».
Корпус преобразователя выполнен в герметичном исполнении и может быть применен в качестве погружного варианта, однако может быть установлен и в дне рабочей емкости.
Изобретение проиллюстрировано чертежами, где на фиг.1 изображен корпус ультразвукового пьезокерамического преобразователя с местным вырывом (вид сбоку), на фиг.2 показана излучающая мембрана с излучателями, расположенными в один ряд, на фиг.3 показана излучающая мембрана с излучателями, размещенными в два ряда, на фиг.4 отражен общий вид преобразователя для открытых емкостей с излучателем в разрезе. Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь содержит корпус 1 с выполненным в дне или излучающей мембране 2 сквозным отверстием 3, в котором установлен, по крайней мере, один пьезокерамический излучатель 4, включающий звукопроводящий волновод 5 Т-образной формы с буртиком 6 и излучающей поверхностью 7, пакет пьезоэлементов 8, армирующую шпильку 9 и стальную гайку 10. Звукопроводящий волновод 5 излучателя 4, вставленный свободно в отверстие 3 дна или излучающей мембраны 2 (фиг.4), соединен посредством буртика 6 с излучающей мембраной или дном емкости сварным швом 11. Во всех случаях излучающая поверхность 7 волновода 5 контактирует с озвучиваемой жидкостью непосредственно, что увеличивает интенсивность ультразвуковых колебаний. Сварной шов выполняется аргонно-дуговой сваркой в среде инертных газов. Для обеспечения качественного сварного соединения излучателя 4 с излучающей мембраной 2 или дном емкости и надежной работы шва в качестве демпфера изгибных колебаний, диаметр буртиков должен быть больше диаметра излучателя d 2 на 4-10 мм, т.е. буртик 6 должен перекрывать отверстие 3 по всему его периметру не менее чем на 2 мм, а внешний диаметр шва d3 должен быть больше диаметра буртика 6 на 10-12 мм или быть по ширине равным 5-6 мм. Толщина буртика 6 находится в пределах 0,8-1,0 мм и равна толщине стенки корпуса 1. Все размеры подобраны экспериментально и обусловлены возможностью максимальной передачи ультразвуковых колебаний в озвучиваемую жидкость, чтобы обеспечить эффективное удаление отложений или накипей с обрабатываемых поверхностей.
Для обеспечения максимальной проводимости ультразвука и возможности работы преобразователя в агрессивных следах его корпус, излучатель и волновод выполняются из титана, допустимо их изготовление из нержавеющей стали, однако интенсивность ультразвуковой кавитации за счет более высокого акустического сопротивления нержавеющей стали будет при этом ниже. Далее, ввиду того, что титановый волновод имеет меньшее акустическое сопротивление, чем стальная гайка 10, работающая как отражатель, амплитуда колебаний на излучающей поверхности 7 будет выше, т.е. излучатель 4 работает в режиме одностороннего излучения, увеличивая поток акустической энергии в озвучиваемую жидкость.
При больших размерах емкости или излучающей мембраны 2 преобразователя на их поверхности могут быть установлены несколько излучателей 4 в один (фиг.2) или несколько рядов (фиг.3). Для подвода электроэнергии к пьезоэлементам пакета 8 предусмотрен штуцер 12. А для закрепления корпуса 1 преобразователя по месту обработки установлены уголки 13.
Ультразвуковой керамический пьезопреобразователь работает следующим образом.
При подаче генератором (на фиг. не показан) электрических колебаний ультразвуковой частоты (20-25 кГц) через штуцер 13 на пакет пьезоэлементов 8, в них под действием пьезоэлектрического эффекта происходит преобразование электрической энергии в энергию механических колебаний, которые через звукопроводящий титановый волновод 5, излучающую поверхность 7 поступают непосредственно в озвучиваемую жидкость, вызывая ее кавитацию. Под действием кавитации происходит активное перемешивание озвучиваемой жидкости и микровзрывы в ней, за счет чего и происходит преодоление сил адгезии удаляемых отложений и накипей.
Излучатели 4 для создания плотного и равномерного ультразвукового поля должны располагаться достаточно плотно, предпочтительно расстояние между ними выбирается равным одной четверти длины волны, т.е. /4.
Все вышеперечисленные конструктивные отличия предлагаемого преобразователя, а также развиваемая им интенсивность ультразвуковых колебаний, составляющих 2,4-2,7 Вт/см 2 при максимальном КПД, позволяет преодолеть силы адгезии таких вредных технологически образуемых покрытий, как отложения солей или накипи.
Предложенный преобразователь реализован в ультразвуковых ваннах и в конструкции погружного ультразвукового пьезокерамического преобразователя, которые изготовлены, испытаны с получением технического результата, указанного в описании изобретения, т.е. подтверждено, что они работоспособны, просты в изготовлении, обеспечивают надежную герметичность корпуса от протечек озвучиваемой жидкости и высокую интенсивность ультразвуковых колебаний.
Источники информации
1. Патент РФ на полезную модель № 84971, МКИ B06B 1/06, G01F 1/66, опубл. 21.01.2009 г.
3. Патент США № 4957669, B068B 3/00, опубл. 18.09.1990 г.
4. Заявка E11B 0420190, B068B 1/06, H04R 17/00, опубл. 03.04.1991 г.
5. Заявка ФРГ № 4014199, B06B 1/06, H04R 17/100, опубл. 22.11.1990 г.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь, включающий корпус с установленным в нем с использованием сварки излучателем с волноводом ультразвуковых колебаний, отличающийся тем, что, по крайней мере, один излучатель установлен в сквозном отверстии лицевой излучающей мембраны или дна корпуса с возможностью непосредственного контакта излучающей поверхности волновода с озвучиваемой жидкостью, при этом волновод из акустически прозрачного материала герметично соединен с корпусом преобразователя сварным швом, выполняющим дополнительную функцию демпфера гашения изгибных колебаний.
2. Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что его корпус и волновод излучателя выполнены из титана или нержавеющей стали.
3. Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что волновод излучателя ультразвуковых колебаний выполнен Т-образной формы с головкой в виде буртика для присоединения его к корпусу преобразователя, при этом буртик перекрывает отверстие по всему периметру на 2-5 мм.
4. Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что ширина сварного шва, соединяющего буртик волновода с корпусом преобразователя, составляет 5-6 мм.
5. Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что при установке в корпусе нескольких излучателей расстояние между ними предпочтительно составляет около одной четверти длины волны ультразвуковых колебаний.