ультразвуковой магнитострикционный преобразователь

Формула изобретения

Ультразвуковой магнитострикционный преобразователь, включающий магнитопровод, набранный из монолитных пластин, каждая из которых образована центральным элементом в виде кольца, и, по меньшей мере, тремя, преимущественно двухстержневыми, полуволновыми элементами, расположенными симметрично по периферии центрального элемента, отличающийся тем, что полуволновые элементы выполнены со смещением их продольной оси относительно геометрического центра магнитопровода, а центральный элемент выполнен с шириной кольца, равной ширине стержня полуволнового элемента, при этом каждый полуволновой элемент расположен таким образом, что продольная ось симметрии одного из его стержней является касательной к средней окружности центрального элемента, а отверстие центрального элемента выполнено с диаметром, величина которого определяется по зависимости:

D=(KH/3,14)-B,

где D - диаметр отверстия центрального элемента, мм;

К - коэффициент пропорциональности, равный (N-Z) или (N+Z);

Н - высота стержня, продольная ось симметрии которого не является касательной к средней окружности центрального элемента, мм;

В - ширина стержня полуволнового элемента, мм;

N - количество полуволновых элементов в пластине магнитопровода;

Z - ряд чисел (0, 1, 2, 3).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в технологическом оборудовании различных отраслей народного хозяйства.

Известен ультразвуковой преобразователь, магнитопровод которого, представляющий собой один полуволновой стержень, набран из магнитострикционных пластин, каждая из которых имеет форму прямоугольника [1].

Основным недостатком этого преобразователя является низкий коэффициент полезного действия (далее КПД), обусловленный значительными потерями на магнитные потоки рассеяния, которые вызваны тем, что магнитопровод данного преобразователя имеет разомкнутый магнитный поток.

Известен также магнитострикционный преобразователь, в котором, с целью устранения потерь на магнитные потоки рассеяния, каждая пластина магнитопровода состоит из трех полуволновых стержней и двух накладок, служащих для замыкания магнитного потока и образующих излучающие поверхности преобразователя. [2].

Ограниченные технологические возможности данного преобразователя являются его основным недостатком, который обусловлен тем, что излучение колебаний этим преобразователем осуществляется только с двух поверхностей и распространяются эти колебания в направлении только по одной оси, являющейся продольной осью симметрии преобразователя.

Кроме того, известен ультразвуковой преобразователь, обеспечивающий излучение колебаний, например, с четырех поверхностей и в направлении по двум осям, пересекающимся под углом в 90 градусов, что характеризует этот преобразователь, в сравнении с вышеуказанным, как обладающий более широкими технологическими возможностями [3].

Магнитопровод этого преобразователя образован монолитными магнитострикционными пластинами, каждая из которых состоит из одного центрального кольцевого и четырех полуволновых двухстержневых элементов, расположенных радиально и симметрично по периферии кольцевого элемента, диаметр отверстия которого выполнен равным 0,05-0,3 L, где L - длина продольной ультразвуковой волны в материале преобразователя. Полуволновые элементы, длина стержней которых равна L/2, расположены так, что ось их продольной симметрии проходит через геометрический центр пластины и, следовательно, магнитопровода. Обмотка возбуждения этого преобразователя уложена на стержни и проходит через окна, которые образованы стержнями, внешними накладками стержней и кольцевым элементом, также являющимся накладкой для всех стержней преобразователя, но уже внутренней относительно их расположения.

Однако данный преобразователь, который по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому и принят в качестве прототипа, имеет ряд существенных недостатков.

Во-первых, вследствие того, что массы участков внутренних накладок, расположенных над каждым из стержней полуволнового элемента, равны между собой, преобразователь не имеет диапазона резонансных частот, т.е. обладает очень узкой, практически отсутствующей, шириной полосы амплитудно-частотной характеристики.

Во-вторых, излучающая поверхность преобразователя, т.е. поверхность стенки отверстия, совершает только радиальные колебания. Это обусловлено тем, что полуволновые элементы преобразователя выполнены таким образом, что их продольная ось симметрии проходит через геометрический центр магнитопровода.

В-третьих, центральное отверстие преобразователя может иметь максимальный диаметр по своей величине, не превышающий 0,3 L, что при изготовлении пластин преобразователя из сплава К-65 и на расчетной частоте его полуволновых элементов в 19,5 килогерц, т.е. при частоте, наиболее часто используемой в промышленности, соответствует 78 миллиметрам.

В-четвертых, выполнение центрального отверстия с диаметром 0,05-0,3 L приводит к тому, что ширина кольцевого элемента по своей величине всегда меньше ширины стержня полуволнового элемента, а величина длины средней окружности кольцевого элемента не является кратной половине длины ультразвуковой волны в материале магнитопровода. Вследствие этого данный преобразователь может быть охарактеризован как не обладающий максимально возможным КПД.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение функциональных и расширение технологических возможностей.

Эта задача решается путем обеспечения преобразователю диапазона резонансных частот, повышением КПД, созданием на его излучающей поверхности составляющей крутильных колебаний и увеличением диаметра его центрального отверстия.

Для этого в ультразвуковом магнитострикционном преобразователе, включающем магнитопровод, набранный из монолитных пластин, каждая из которых образована центральным элементом в виде кольца и, по меньшей мере тремя, преимущественно двухстержневыми, полуволновыми элементами, расположенными симметрично по периферии центрального элемента, в соответствии с изобретением полуволновые элементы выполнены со смещением их продольной оси относительно геометрического центра магнитопровода, а центральный элемент выполнен с шириной кольца, равной ширине стержня полуволнового элемента, при этом каждый полуволновой элемент расположен таким образом, что продольная ось симметрии одного из его стержней является касательной к средней окружности центрального элемента, а отверстие центрального элемента выполнено с диаметром, величина которого определяется по зависимости:

D=(КН/3,14)-В,

где D - диаметр отверстия центрального элемента, мм;

К - коэффициент пропорциональности, равный (N-Z) или (N+Z);

Н - высота стержня, продольная ось симметрии которого не является касательной к средней окружности центрального элемента, мм;

В - ширина стержня полуволнового элемента, мм;

N - количество полуволновых элементов в пластине магнитопровода;

Z - ряд чисел (0, 1, 2, 3).

Изобретение поясняется чертежом, на котором схематически изображен (вид сверху) преобразователь предлагаемой конструкции.

Ниже приводится пример конкретного осуществления изобретения, не исключающий других вариантов выполнения предлагаемого преобразователя в объеме формулы изобретения.

Преобразователь 1 набран из магнитострикционных пластин, выполненных с центральным отверстием 2. Магнитопровод преобразователя образован четырьмя полуволновыми элементами, каждый из которых состоит из двух одинаковых по длине стержней 3 и 4 и из двух накладок 5 и 6, соответственно внешних и внутренних (на чертеже накладки нижнего из полуволновых элементов заштрихованы). Внутренние накладки 6 полуволновых элементов, имеющие трапецеидальную форму, образуют кольцеобразный элемент, являющийся составной частью магнитопровода. Центральное отверстие 2, стенка которого является излучающей поверхностью преобразователя, выполнено с диаметром, равным (КН/3,14)-В, обуславливающим длину средней окружности 7 кольцеобразного элемента по своей величине, кратную длине стержня, следовательно, кратную и половине длины ультразвуковой волны в материале магнитопровода, и в оптимальном варианте равную КН. Полуволновые элементы расположены радиально-симметрично относительно центрального отверстия 2 и так, что ось 8 одного из стержней в каждом из полуволновых элементов является касательной к средней окружности 7 кольцеобразного элемента, а ось другого стержня проходит через центральное отверстие. При этом полуволновые элементы снабжены обмоткой возбуждения 9 и экранирующими прокладками 10, прикрепленными к накладкам 5, т.е. к внешним торцам преобразователя. Обмотка возбуждения уложена на стержни 3 и 4 и проходит через окно 11, выполненное в каждом из полуволновых элементов.

Предлагаемый преобразователь работает следующим образом.

Переменное напряжение резонансной частоты, подводимое к обмотке возбуждения 9 от ультразвукового генератора, например от УЗГ-2-10 (на чертеже не показан), возбуждает продольные колебания в стержнях 3 и 4 полуволновых элементов. За счет одновременного возбуждения стержней стенка центрального отверстия 2, т.е. излучающая поверхность преобразователя 1, периодически сжимается и расширяется, совершая сложные колебания, складывающиеся из радиальной и крутильной составляющих. Наличие составляющей крутильных колебаний на излучающей поверхности преобразователя обусловлено тем, что результирующая колебаний (см. чертеж) двух рядом расположенных стержней, ориентированных один относительно другого под углом в 90 градусов, т.е. принадлежащих разным полуволновым элементам, складывающихся, например, в точке «А», направлена под некоторым углом относительно стенки центрального отверстия. Излучение акустической энергии преобразователем в объект обработки осуществляется только со стенки центрального отверстия 2, т.к. на внешних торцах полуволновых элементов расположены экранирующие прокладки 10, изготовленные из пористой резины.

Интенсивность колебаний предлагаемого преобразователя, вследствие согласования длины средней окружности кольцевого элемента с длиной стержня полуволнового элемента, несколько выше, чем у известного (15-30 Вт/см.кв.), и при этом он, вследствие разных масс участков внутренних накладок, расположенных над каждым из стержней одного полуволнового элемента, имеет диапазон резонансных частот, величина которого составляет 4-8% от расчетной частоты полуволновых элементов.

Выполнение в предлагаемом преобразователе центрального отверстия с диаметром, отличающимся по своей величине от значения (КН/3,14)-В, равно как и ориентация оси одного из стержней полуволновых элементов не по касательной к средней окружности кольцеобразного элемента, приводит к снижению интенсивности излучения, поскольку в этих случаях длина средней окружности (КН) кольцеобразного элемента, являющегося нагрузкой для стержней и, в частности для стержня, ось которого - касательная к этой окружности, не будет кратна длине стержня, т.е. размеры кольцеобразного элемента не будут согласованы с длиной стержня и, следовательно, не будут резонансными.

При изготовлении предлагаемого преобразователя необходимо учитывать, что длина средней окружности кольцеобразного элемента, в своих значениях тесно взаимосвязанная с диаметром центрального отверстия, должна быть кратна длине стержня, а в оптимальном варианте - равна КН, т.е. значение коэффициента пропорциональности К должно соответствовать количеству полуволновых элементов (К=N) в магнитопроводе преобразователя. Отступление же от оптимальной длины средней окружности кольцеобразного элемента в ту или иную сторону на величину, кратную длине стержня, но не превышающую одной или двух длин стержня, не отражается на работе преобразователя, в то время как при К, меньшем нежели (N-2), т.е. при К=N-3 или К=N-4 и т.д., диаметр центрального отверстия имеет незначительную величину, ограничивающую возможность использования преобразователя, а при К, превышающем (N=2), т.е. при К=N+3 или К=N+4 и т.д., снижается интенсивность излучения.

Необходимо также учитывать и то, что (для достижения максимального эффекта в функциональных возможностях преобразователя) отверстия 11 в полуволновых элементах следует выполнять с такой длиной, чтобы их радиусная поверхность, расположенная ближе к центру магнитопровода, являлась касательной к внешней окружности (на чертеже не обозначена) центрального кольцеобразного элемента.

Количество полуволновых элементов предлагаемого преобразователя определяется его технологическим назначением и необходимой интенсивностью излучения. Оптимальным представляется выполнение преобразователя с тремя-пятью полуволновыми элементами и с длиной средней окружности кольцеобразного элемента, равной (2-3; 4-5)Н.

Предлагаемый преобразователь, набранный из пластин, изготовленных из магнитострикционного сплава К-65, при расчетной частоте полуволновых элементов, равной 19,5 кГц и при N=5, имеет следующие геометрические размеры: диаметр центрального отверстия 80 мм; длина средней окружности кольцеобразного элемента 325 мм; высота пакета 50 мм; ширина стержней 65 мм; ширина накладок 65 мм; высота внешних накладок 25 мм; высота внутренних накладок 25-65 мм.

Сопоставительный анализ известного и предлагаемого преобразователей показывает значительные преимущества последнего из них в части его функциональных и технологических возможностей. Так, предлагаемый преобразователь обладает несколько (7-12%) большим КПД, на излучающей поверхности имеет составляющую крутильных колебаний, обладает диапазоном резонансных частот и может быть выполнен с отверстием, диаметр которого значительно превышает (100 мм при N=6) максимально возможный (78 мм) диаметр центрального отверстия известного преобразователя.

Источники информации

1. Волосатов В.А. Ультразвуковая обработка. Л: Лениздат, 1973, рис.24а.

2. Авторское свидетельство СССР № 227428, МПК В 06 В 1/08, 1962.

3. Авторское свидетельство СССР № 884747, МПК В 06 В 1/08, 1981.