акустический стержневой преобразователь

Формула изобретения

1. Акустический стержневой преобразователь, содержащий пьезоэлемент в виде набора продольно поляризованных шайб из пьезокерамики, стержневой волновод, переднюю накладку, концентратор и тыльную накладку, соединенные с торцевыми поверхностями пьезоэлемента, а между собой армированные волноводом, отличающийся тем, что тыльная накладка выполнена с выступом и центральным отверстием, превышающим диаметр волновода, последний на опорном конце имеет головку, которая механически соединена с торцом выступа, а крепежный конец волновода соединен с концентратором, причем передняя накладка и концентратор выполнены как единое целое, накладки выполнены из материала с акустическим сопротивлением, соизмеримым с акустическим сопротивлением пьезокерамики с разницей до 20%, а высота выступа определена соотношением

2f_r((t₁+h)/c₁+(t₁+h)/c₂)+nt₂/c₂-nt₂/c₃)=1,

где f_r - резонансная частота акустического стержневого преобразователя, Гц;

t₁ - толщина тыльной накладки, м;

h - высота выступа на тыльной накладке, м;

c₁ - скорость распространения продольной волны в материале тыльной накладки, м/с;

c₂ - скорость распространения продольной волны в материале волновода, м/с;

n - число пьезошайб в пьезоэлементе, шт.;

t₂ - толщина одной пьезошайбы, м;

c₃ - скорость распространения продольной волны в пьезокерамике, м/с.

2. Акустический стержневой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что выступ тыльной накладки выполнен в виде усеченного конуса, диаметр меньшего основания которого равен диаметру головки волновода, а диаметр большего основания равен наружному диаметру тыльной накладки.

3. Акустический стержневой преобразователь по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в торец выступа инкрустирована шайба из металла с малой скоростью распространения продольной волны.

4. Акустический стержневой преобразователь по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в передней накладке и в концентраторе выполнена сужающаяся полость в виде усеченного конуса, больший диаметр которой близок внутреннему диаметру шайб из пьезокерамики.

5. Акустический стержневой преобразователь по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что волновод выполнен из материала с уровнем внутреннего механического сопротивления более низким, чем у накладок.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в ультразвуковых устройствах промышленной аппаратуры для обработки материалов, в аппаратуре для очистки и реализации других технологических процессов.

Известен акустический стержневой преобразователь [1], содержащий пьезопакет, с одной стороны которого установлена передняя накладка с закрепленным на ней концентратором, а с другой - тыльная накладка, сжатые между собой шпилькой и гайкой.

Недостаток устройства - невысокий коэффициент полезного действия.

Известен стержневой магнитострикционный излучатель, содержащий сердечник из магнитострикционного материала, к переднему торцу которого присоединен концентратор [2].

Недостаток устройства - невысокий электроакустический коэффициент полезного действия вследствие больших электрических потерь в сердечнике.

Известен акустический стержневой преобразователь, содержащий пьезоэлемент, заднюю (тыльную) накладку, переднюю накладку, выполненную в виде четвертьволнового концентратора, волновод, один конец которого жестко прикреплен к рабочему концу концентратора, а другой с помощью звукопроводящего компаунда - к боковой поверхности пьезоэлемента, причем отношение длин волновода и концентратора составляет 1,5-2,5, а волновод выполнен в виде трех последовательно соединенных стержней, вложенных один в другой, два из которых полые [3] (прототип).

Недостатки прототипа следующие:

- тыльный конец волновода прикреплен к боковой поверхности пьезоэлемента, совершающей поперечные колебания, амплитуда которых примерно в 3 раза меньше (коэффициент Пуассона пьезокерамики в среднем равен 0,3 [4]), чем амплитуда продольных колебаний в случае, если бы волновод был соединен с тыльной накладкой, совершающей колебания вдоль продольной оси. Это значительно уменьшает электроакустический коэффициент полезного действия устройства;

- передняя накладка и волновод выполнены составными, что приводит к большим колебательным потерям и, следовательно, к значительному уменьшению электроакустического коэффициента полезного действия устройства;

- отношение длин волновода и концентратора составляет 1,5-2,5. Из описания прототипа нельзя точно определить, какой же точно должна быть длина волновода, чтобы колебания элементов устройства были бы точно сфазированы, и таким образом получен самый высокий электроакустический коэффициент полезного действия. Если практически использовать указанное отношение, то не удается получить максимальный коэффициент полезного действия преобразователя.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение электроакустического коэффициента полезного действия преобразователя.

Указанная задача решается тем, что в акустическом стержневом преобразователе, содержащем пьезоэлемент в виде набора продольно поляризованных шайб из пьезокерамики, стержневой волновод, переднюю накладку, концентратор и тыльную накладку, соединенные с торцевыми поверхностями пьезоэлемента, а между собой армированные волноводом, согласно изобретению, тыльная накладка выполнена с выступом и центральным отверстием, превышающим диаметр волновода, последний на опорном конце имеет головку, которая механически соединена с торцом выступа, а крепежный конец волновода соединен с концентратором, причем передняя накладка и концентратор выполнены как единое целое, накладки выполнены из материала с акустическим сопротивлением, соизмеримым с акустическим сопротивлением пьезокерамики с разницей до 20%, а высота выступа определена соотношением:

где f_r - резонансная частота акустического преобразователя, Гц;

t₁ - толщина тыльной накладки, м;

h - высота выступа на тыльной накладке, м;

c₁ - скорость распространения продольной волны в материале тыльной накладки, м/с;

c₂ - скорость распространения продольной волны в материале волновода, м/с;

n - число пьезошайб в пьезоэлементе, шт;

t₂ - толщина одной пьезошайбы, м;

с₃ - скорость распространения продольной волны в пьезокерамике, м/с.

Кроме того, выступ тыльной накладки может быть выполнен в виде усеченного конуса, диаметр меньшего основания которого равен диаметру головки волновода, а диаметр большего основания равен наружному диаметру тыльной накладки; в верхний торец выступа инкрустирована шайба из металла с малой скоростью распространения продольной волны; в передней накладке и в концентраторе выполнена сужающаяся полость в виде усеченного конуса, больший диаметр которого близок внутреннему диаметру шайб из пьезокерамики, при этом волновод выполнен из материала с уровнем внутреннего механического сопротивления более низким, чем у накладок.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид преобразователя, продольный разрез, на фиг.2 - продольный разрез общего вида преобразователя, представленного с учетом частных случаев его выполнения по пп.2, 3, 4 формулы изобретения; на фиг.3 - схема расчетной модели преобразователя на основе метода электромеханической аналогии (в дальнейшем - схема).

Акустический стержневой преобразователь содержит полуволновой концентратор 1, соединенный с ним по резьбе волновод 2 с головкой 3 в виде армирующего стержня для фазировки, пьезоэлемент 4, образованный набором шайб из пьезокерамики, электроконтакты 5 соединения шайб пьезоэлемента 4 последовательно или параллельно, тыльную 6 накладку с выступом 7, высота которого равна h, переднюю 8 накладку, выполненную заодно с концентратором 1, клеммы 9 и 10 для подключения ультразвукового генератора (на фиг.1 и 2 не показан). Волновод 2 выполнен из материала с низким уровнем внутреннего механического сопротивления, например из титанового сплава. Коническая поверхность концентратора 1 плавно переходит в цилиндрическую поверхность передней 8 накладки. Торцевая поверхность передней накладки 8 с помощью клея связана с передней поверхностью пьезоэлемента 4.

В узле функции распределения стоячей волны колебательных смещений в преобразователе может быть размещен фланец 11 (фиг.2), предназначенный для крепления данного преобразователя к технологическому оборудованию.

К противоположному, тыльному торцу пьезоэлемента 4 приклеена тыльная 6 накладка с выполненным на ней заодно выступом 7. На торцевую поверхность выступа 7 опирается своей головкой 3 и приклеен к ней опорный конец волновода 2. Для уменьшения высоты выступа 7 в его торец может быть инкрустирована шайба 12 (фиг.2) из материала, имеющего малую скорость распространения продольной упругой волны, например из свинца.

Для некоторого расширения частотной полосы пропускания преобразователя выступ 7 на тыльной 6 накладке может быть выполнен в виде усеченного конуса (фиг.2), меньший диаметр которого равен диаметру головки 3 волновода 2, а больший диаметр равен диаметру тыльной 6 накладки. Высота усеченного конуса равна h. Помимо расширения полосы пропускания такой выступ позволяет повысить динамическую устойчивость продольной формы колебаний с исключением возникновения изгибных смещений.

Вся конструкция армирована (сжата) постоянным усилием, которое зафиксировано с помощью волновода 2, что увеличивает прочность и мощность стержневого акустического преобразователя. В передней 8 накладке и концентраторе 1 может быть выполнена полость 13 (фиг.2) в виде усеченного конуса, больший диаметр которого близок диаметру отверстия в шайбе пьезоэлемента 4.

На схеме (фиг.3) изображены следующие элементы модели:

14 - приведенное к выходу ультразвукового генератора (клеммы 9 и 10) активное сопротивление преобразователя, возникающее при его соединении с инструментом и далее с технологическим объектом, которые на фиг.3 не показаны;

15 - электрическая емкость пьезоэлемента;

16 - эквивалентный пьезоэлементу трансформатор, преобразующей электрическую энергию в механическую;

17 - первичная обмотка и 18, 19 - вторичные обмотки эквивалентного трансформатора 16, выходы которых включены противофазно;

20 - электрическая емкость, соответствующая упругости тыльной накладки преобразователя;

21 - активное сопротивление, соответствующее сопротивлению механических потерь в тыльной накладке преобразователя;

22, 23, 24 - индуктивности, соответствующие массам тыльной накладки, выступа и армирующего волновода;

25 - активное сопротивление, соответствующее сопротивлению механических потерь при распространении продольной волны по волноводу;

26 - электрическая емкость, соответствующая упругости передней накладки, концентратора и пьезоэлемента;

27 - активное сопротивление, соответствующее сопротивлению механических потерь в передней накладке, концентраторе и пьезоэлементе;

28 и 29 - индуктивности, соответствующие массам передней накладки и концентратора соответственно;

30 - элемент временной задержки, соответствующий выступу 7 тыльной накладки;

31 - электрический трансформатор, эквивалентный концентратору 1, как трансформатору колебательной скорости;

32 и 33 - первичная и вторичная обмотки трансформатора 31 соответственно;

34 - комплексное (в общем случае) сопротивление нагрузки, соответствующее механической нагрузке преобразователя в виде технологического инструмента, объекта обработки и зоны между ними, где рассеивается акустическая мощность Р_а.

Если К_еа - электроакустический коэффициент полезного действия, а Р_э - электрическая мощность возбуждения, подводимая к клеммам 9 и 10, то

При работе на резонансной частоте преобразователя все реактивные элементы из схемы (фиг.3) исчезают, кроме электрической емкости 15. Оставшиеся в схеме сопротивления 21, 25, 27 и 34, являющиеся активными элементами, образуют механическое сопротивление R_m

R_m=R₂₁+R₂₅+R₂₇+R^/₃₄

R^/₃₄=R₃₄(D₁:D₂)^1/2,

где R^/₃₄ -приведенное к механической стороне схемы (фиг.3) сопротивление нагрузки;

D₁ - больший диаметр концентратора 1;

D₂ - малый диаметр концентратора 1;

Приведенное к электрической стороне схемы (фиг.3) сопротивление

R₁₄=k²R_m,

где k - коэффициент электромеханической связи пьезокерамики, из которой изготовлен пьезоэлемент.

В данном виде исполнения преобразователя использован продольный пьезоэффект, что позволяет получить максимальный энергетический эффект. При использовании резонансного режима работы входное электрическое сопротивление R₁₄ преобразователя стремится к величине сопротивления внутренних потерь.

Предложенный акустический стержневой преобразователь работает следующим образом. При подаче на клеммы 9 и 10 возбуждающего напряжения от генератора ультразвуковой частоты, не указанного на фиг 1, 2, 3, пьезоэлемент 4 увеличивает или уменьшает свои продольные размеры. Полуволновой концентратор 1 увеличивает колебательную скорость. Если концентратор 1 имеет экспоненциальный, показательный или катеноидальный закон изменения внешнего рупорного профиля, то коэффициент увеличения колебательной скорости будет соответственно рассчитан и приблизительно равен (D₁/D₂)^1/2. На схеме (фиг.3) это отражено в виде повышающего трансформатора 31. Так как накладка 8 и концентратор 1 выполнены заодно, то этим самым исключены механические потери, имеющие место в устройстве-прототипе [3], и, следовательно, увеличен К_еа. При возбуждении пьезоэлемента 4 внешние торцы накладок совершают вдоль продольной оси колебания, отличающиеся по фазе на 180.

В устройстве-прототипе не удалось в полной мере реализовать максимально возможный К_ea вследствие сложной конструкции фазирующего волновода, наличия в нем многих зазоров и связи одного из концов с боковой поверхностью пьезоэлемента с помощью клеящего компаунда. Колебания боковых поверхностей пьезоэлемента по амплитуде составляют всего лишь 30% от амплитуды колебаний вдоль продольной оси, т.е. доля механической мощности, передаваемой посредством волновода 2 (если бы так было выполнено предложенное устройство), составляла бы всего 9% при идеальной фазировке колебаний. Этого явно недостаточно для решения поставленной задачи. В соответствии с тем, что тыльная 6 и передняя 8 накладки выполнены из материала, акустическое сопротивление которого близко или соизмеримо с акустическим сопротивлением пьезокерамики, накладки не выполняют отражающую функцию и развивают максимально возможную колебательную скорость, а следовательно, позволяют реализовать максимальную механическую мощность преобразователя.

Для выполнения функции армирования пьезоэлемента 4 и одновременной передачи механической энергии от тыльной 6 накладки к концентратору 1 для волновода 2 (фиг.1 и 2) использован материал, обладающий малыми механическими потерями. Величина задержки колебаний тыльной 6 накладки, направляемых в концентратор 1, соответствует одному полупериоду колебаний на резонансной частоте f_r или сдвигу колебаний по фазе на 180.

Для получения такой временной задержки в зависимости от линейных параметров элементов преобразователя получено соотношение для определения высоты выступа 7:

где f_r - резонансная частота преобразователя, Гц;

t₁ - толщина тыльной накладки, м;

h - высота выступа на тыльной накладке, м;

c₁ - скорость распространения продольной волны в материале тыльной накладки, м/с;

c₂ - скорость распространения продольной волны в материале волновода, м/с;

n - число шайб в пьезоэлементе, штук;

t₂ - толщина одной пьезошайбы, м;

с₃ - скорость распространения продольной волны в пьезокерамической шайбе, м/с.

Расчет по предлагаемому соотношению (1) позволяет исключить расфазировку колебаний на резонансной частоте и получить максимально возможное значение К_еа.

Получение желаемого сдвига фаз на 180 конструктивно достигнуто за счет того, что продольные колебания, распространяющиеся по материалу тыльной 6 накладки, а затем по выступу 7 через головку 3, выполненную на опорном конце волновода 2, изменяют свое направление в сторону концентратора 1 и таким образом возникает разность фаз в 180 или задержка на время T=(2f_r)^-1.

Если цилиндрическую форму выступа 7 тыльной 6 накладки изменить на коническую (п.2 формулы изобретения), то частотная полоса пропускания преобразователя расширится, что создает благоприятные условия при эксплуатации, так как при раcстройке ультразвукового генератора, питающего преобразователь, величина К_ea и амплитуда колебаний изменятся в меньшей степени.

Выступ 7 на тыльной 6 накладке может быть частично выполнен из металла с малой скоростью звука, например в виде шайбы 12 из свинца, инкрустированной в торец выступа 7. В этом случае, как следует из рассмотрения схемы (фиг.3), выступ будет иметь меньшие размеры, потери в нем уменьшатся, что увеличит добротность системы, высота пика амплитудно-частотной характеристики увеличится, а следовательно, будет реализовано повышение показателя К_ea.

Передняя 8 накладка и концентратор 1 могут содержать полость 13 в виде усеченного конуса, диаметр основания которого близок к диаметру отверстия в пьезошайбе пьезоэлемента 4, при этом улучшение согласования волновых сопротивлений элементов и уменьшение массы передней 8 накладки и концентратора 1, как это следует из рассмотрения схемы (фиг.3), должно привести к увеличению амплитуды колебаний в нагрузке 34.

При электрическом возбуждении пьезоэлемента колебания торцов последнего вдоль продольной оси направлены в противоположные стороны от середины пьезоэлемента. Это отражено на схеме (фиг.3) в виде двух независимых обмоток 18 и 19 трансформатора 16. Как следует из рассмотрения схемы, сигнал с колебательной скоростью от выходов этих обмоток распространяется по последовательно соединенным элементам 20, 21, 22, 23, 24, 25, 30 с одной стороны и по элементам 26, 27, 28, 29 - с другой. На первичной обмотке 32 трансформатора 31 (эквивалентного концентратору 1) происходит синфазное сложение двух колебаний, что приводит к увеличению амплитуды колебаний на выходе трансформатора 31 (обмотка 33), подключенного к механической нагрузке 34.

Эффективность предлагаемого устройства иллюстрируется примером разработки преобразователя, аналогичного известному серийно выпускаемому магнитострикционному стержневому преобразователю ПМС-15 по технологическому назначению, номинальной рабочей частоте, номинальному волновому сопротивлению, нагрузки. Для серийно выпускаемых пьезокерамических колец с размерами 100707 мм, материала накладок Д16Т, материала волновода ВТ 8, при высоте головки волновода 10 мм, для рабочей частоты 18 кГц расчетная величина выступа составила 42 мм.

Поставленная задача решена: при рабочей частоте 18 кГц разработанный преобразователь имеет К_ea на уровне 80-85% против 35% у ПМС-15.

Литература

1. Г.А.Кардашев и П.Е.Михайлов, Тепломассообменные акустические процессы и аппараты, М., Машиностроение, 1973 г., стр. 100, рис. 43.

2. Д.А.Гершгал и В.М.Фридман, Ультразвуковая технологическая аппаратура, изд. 3-е, перераб. и дополн., М., Энергия, 1976 г., с.143.

3. В.Н.Носов, B.C.Ямщиков, В.Л.Шкуратник, М.Д.Вигдорчик, А.С. СССР №1050754, Акустический стержневой преобразователь, 06.09.1982 г., В 06 В 1/06, Н 04 R 17/00 (прототип).

4. Пьезокерамические преобразователи, справочник под ред. С.И.Пугачева, Л., Судостроение, 1984 г., с.256.