Ультразвуковые преобразователи и концентраторы

Колебательная система ультразвуковой установки состоит из источ­ника УЗ колебаний, акустического трансформатора скорости и дета­лей крепления, соединяющих отдельные элементы конструкции.

Источники ультразвуковых колебаний обычно называют преобра­зователями; наибольшее практическое применение нашли электриче­ские (магнитострикционные и пьезоэлектрические) и механические (аэродинамические и гидродинамические).

В магнитострикционных преобразователях использовано явление изменения размеров ферромагнитного тела под влиянием магнитного поля (эффект магнитострикции открыт в 1842 г. Джоулем). Магнито­стрикционные преобразователи применяют двух видов: продольно-колеблющиеся двухстержневые (рис. 8, а) и радиально-колеблющиеся кольцевые (рис. 8, б). Магнитопровод у них замкнутый, пакет ших­тованный; для уменьшения нагрева вихревыми токами его охлаждают водой.

В зависимости от свойств тела и напряженности магнитного поля относительное удлинение тела (линейная магнитострикция) равно 10-5-10-6 (рис. 8, а). Наибольшую магнитострикционную деформацию имеют никель, сплавы алюминия с железом (альфер), железокобальтовые сплавы и сплав платины с железом; в последнее время применяют также ферриты. Для усиления и линеаризации

Рис. 8. Сердечники магнитострикционных преобразователей

магнитострикционного эффекта магнитопровод подмагничивают создающим по­ле постоянным током (рис. 9, б).

Амплитуда колебаний поляризо­ванного преобразователя максималь­на в резонансном режиме при совпа­дении собственной частоты механи­ческих колебаний с частотой коле­баний электромагнитного поля; для этого вибратор изготовляют длиной, составляющей половину длины излу­чаемого им звука.

Рис. 9. Магнитострикционная деформация при возбуждении переменным магнитным полем: а – без подмагничивания; б –
с подмагничиванием; 1 – возбуждающее поле частоты f

При увеличении частоты растут потери на вихревые токи, вслед­ствие чего магнитострикционные преобразователи применяют на час­тотах до 45 кГц. Ферритовые сердечники могут работать с гораздо более высокими частотами.

Преобразователи из металлического магнитострикционного мате­риала благодаря его высокой механической прочности дают возмож­ность получить плотность потока акустической энергии до 100 Вт/см², хотя по условиям устойчивости элементов оборудования и проведения большинства технологических процессов плотность потока энергии ограничивается гораздо меньшими значениями (до 10 Вт/см²). Основ­ная область их применения – возбуждение высокоэнергетических колебаний.

Пьезоэлектрические преобразователи применяют на частотах вплоть до 20МГц (100 кГц-20 МГц). Обратный пьезоэлектрический эф­фект (открыт братьями Кюри в 1880 г.) проявляется в том, что изме­нение электрического поля в направлении пьезоэлектрической оси некоторых кристаллов приводит к сжатию или растяжению кристалла.

В качестве пьезоэлектрических материалов используют кварц, сегнетовую соль, турмалин, керамику титана бария , цирконат-титанат свинца ЦТС и его производные.

Значение продольных колебаний поляризованной пластинки характеризуют продольным пьезомодулем; по его значению d и приложенному напряжению U можно определить абсолютное изменение толщины пластины:

. (24)

Деформация пластины, вызванная пьезоэффектом, невелика; так, для пластины ЦТС при толщине 1 см и напряжении 400 В она составляет 0,1 мкм.

Для повышения к.п.д. и амплитуды колебаний преобразователи изготовляют многослойными.

Многослойный преобразователь установок небольшой мощности (рис. 10) состоит из пластинки 2, изготовленной из пьезоматериала, и двух металлических накладок 1 и 5. Пластины и накладки стягива­ются болтами. Возбуждение осуществляется так, чтобы вся система работала как полуволновой излучатель.

Рис. 10. Многослойный преобразователь: 1, 3 – накладки-пластины; 2 – пьезокерамическая пластинка

Металлические пластины действуют как массы, значительно понижающие частоту излучателя. Вследствие этого устраняется необходимость применения толстых пьезоэлементов и улучшается их охлаждение.

Пьезоэлектрические преобразователи могут работать в режимах непрерывного излучения и в импульсном; при этом можно получить гораздо более высокие интенсивности.

Низкая механическая прочность керамических материалов огра­ничивает плотность потока акустической энергии величиной 1-2 Вт/см².

Акустические трансформаторы скорости (волноводы, концентра­торы) служат для согласования параметров преобразователя с нагруз­кой и передачи УЗ колебаний в рабочую зону.

Максимальная амплитуда колебаний преобразователя не превы­шает 10 мкм (для ультразвуковой размерной обработки необходимы колебания с амплитудой 30-80 мкм). Акустические трансформаторы скорости концентрируют акустическую энергию на торце меньшего сечения. Так как мощность колебаний одинакова во всех сечениях концентратора, то коэффициент трансформации

, (25)

где Z_BX, S_t – соответственно входное сопротивление и площадь входного торца; , S₂ – выходное сопротивление и площадь выходного торца.

В технологических ультразвуковых установках наиболее широко применяют акустические трансформаторы скорости конической, экспо­ненциальной, катеноидальной и ступенчатой формы.

Стержни или трубки постоянного сечения, соединяющие преобразователь или концентратор с нагрузкой, называют ультразвуковыми волноводами. В зависимости от типа колебаний различают волноводы продольных, изгибных, радиальных и поперечных колебаний.

В работе концентраторов и волноводов выделяют два режима:

1 – стоячей волны – колебания в ненагруженном состоянии;

2 – бегущей волны – колебания при нагрузке на абсолютно погло­щающую активную среду.

Режим колебаний характеризуется коэффициентом бегущей волны , амплитуды смещения соответственно в узле и пучности колебаний.

Волноводы продольных колебаний не всегда позволяют передавать колебания в заданном направлении, а также складывать или распре­делять мощности нескольких преобразователей. В этом случае исполь­зуют волноводы изгибных и крутильных колебаний.

Сочетание концентратора и долбежного инструмента, присоединен­ного к его концу, называют ультразвуковым, или акустическим, инструментом.

Источники питания ультразвуковых установок преобразуют элек­троэнергию промышленной частоты в энергию переменного тока ультразвуковой частоты возбуждения преобразователя.

Основные технические характеристики ультразвуковых генерато­ров следующие: рабочая частота (диапазон регулирования частоты); выходная мощность; выходное напряжение; эквивалентное сопротив­ление нагрузки в номинальном режиме; к.п.д.; коэффициент искаже­ния; коэффициент модуляции выходного напряжения.

В настоящее время применяют следующие генераторы: ламповые с самовозбуждением; транзисторные и тиристорные непрерывного действия; ударного и импульсного действия; машинные, в том числе со статическими умножителями частоты.

Ультразвуковые генераторы должны удовлетворять следующим требованиям:

1) возможность подключения различного числа преобразователей;

2) диапазон частот должен перекрывать резонансные частоты преобразователей при плавной регулировке частоты в узком диапазоне;

3) плавное регулирование мощности;

4) согласованность внутреннего сопротивления генератора с со­противлением электрической стороны преобразователя;

5) форма кривой напряжения должна быть близкой к синусо­идальной.

Широкое распространение получил ламповый генератор
с самовоз­буждением типа УЗГ-10 с выходной мощностью 10 кВт и рабочей частотой 18-24 кГц (рис. 11). Генератор рассчитан
на работу с раз­личным числом преобразователей МП1-МП4 (один-четыре) типа ПМС-6М и (один-два) типа ПМС-15А18.

Генератор собран на мощном триоде JI1 по схеме автогенератора с индуктивной обратной связью (катушка L2). Для устранения электролиза бачка генераторной лампы JI1 и повышения надежности изоляции колебательного контура и вы­ходного согласующего трансформатора ее анод по постоянному току заземлен.

Рис. 11. Принципиальная электрическая схема
ультра-звукового генератора УЗГ-10

Колебательный контур состоит из параллельно соединенных конденсатора С и катушки индуктивности L1. Он рассчитан на большую реактивную мощность и обеспечивает синусоидальную
форму кривой выходного напряжения. Плавное изменение частоты осуществляется изменением индуктивности контура, ступенчатое – отключением или подключением части конденсаторов. Преобразователи подключают к контуру через выход­ной согласующий трансформатор Тр, а к источнику подмагничивания – через дроссель Др.