книги из ГПНТБ / Кардашев, Г. А. Тепломассообменные акустические процессы и аппараты

новыми, четвертьволновыми и многослойными. Из усло­

ß этих выражениях Хк и с,, — длина волны и скорость звука в керамике; Я,м и см - длина волны и скорость

звука в металлической накладке; ѵр — резонансная ча­ стота.

В последнее время широкое распространение полу­ чили излучатели с частотопонижающими накладками [3, 20, 47], являющиеся разновидностью пакета Ланжевена. Резонансная частота такого сложного преобразова­ теля определяется не только толщиной пьезокерамической пластинки, а общей толщиной пакета с накладками. Так как склейка — ненадежный метод, то применяют стягива-

100

ние болтами (рис. 43). При этом создается механическая поляризация за счет напряженного состояния керамики. Верхнюю накладку выполняют из алюминия, а нижнюю — из стали. Акустическое сопротивление алюминия в 3 раза меньше сопротивления стали, следовательно, амплитуда колебаний на поверхности алюминиевой накладки в 3 раза больше. Обычно используют два диска из пьезокерамики, расположенные так, чтобы их одноименные полюса выхо­ дили к внешним накладкам. Это позволяет заземлять излучатель. Предварительно напряженные многослойные преобразователи имеют низкую механическую доброт­ ность: ширина полосы частот на уровне 0,5 при средней частоте 20 кгц составляет ± 4 кгц. Удельная мощность, снимаемая с этих преобразователей, составляет 1—5 вт/см2..

Плоские пьезокерамические преобразователи рассчи­ тывают в следующем порядке:

1. По известному диаметру D определяют площадь излучения

пD"

2.По заданной резонансной частоте ѵ определяют толщину I пьезоэлемента:

где К — частотная постоянная, зависящая от материала:

3.Интенсивность звука при одностороннем~'излучении

вжидкую среду

Ра = JS.

101

5. Определяют амплитуды переменного звукового давления рт и колебательной скорости частиц среды ѵт:

или иным излучателем. Назначение излучателя заклю­ чается в том, чтобы наиболее эффективно ввести (излу­ чить) акустическую энергию в рабочую среду при задан­ ных значениях амплитуд колебательного звукового дав­ ления рт или колебательной скорости ѵп и мощности Рт [24, 36, 56]. Между излучателем и обрабатываемой сре­ дой может,находиться дополнительная волноводная си­ стема, связывающая преобразователь с излучающим эле­ ментом. Как волновод, так и излучатель в рассматривае­ мых магнитострикционных и пьезоэлектрических систе­ мах являются пассивными элементами в отличие от магнитостриктора и пьезоэлемента. На практике возможны согласование преобразователя с нагрузкой без сущест­ венной трансформации колебательной скорости и давле­ ния (использование мембран), работа в режиме усиления (использование концентраторов), согласованное объеди­ нение нескольких преобразователей на одну нагрузку и другие варианты. Рассмотрим элементы теории ультра­ звуковых концентраторов.

Концентраторы ультразвука являются механическими трансформаторами скоростей или смещений и представ­ ляют собой стержни переменного сечения, в которых плот­ ность энергии колебаний распределена неравномерно по

102

длине. На малом (выходном) сечении скорость колебаний, а следовательно, и амплитуда смещения получаются зна­ чительно большими, чем на большом (входном) сечении

стержня.

В зависимости от формы образующей концентра­ тора и отношения размеров его входного и выходного се­ чений коэффициент усиления принимает различные зна­ чения. Под коэффициентом уси­

ления (или, в общем случае, коэффициентом траисформации)

понимают отношение амплитуд­ ного значения характеристики колебаний на выходе концент­ ратора к ее значению на входе. Так, коэффициент трансформа­ ции скорости

применяют концентраторы с небольшим усилием (коничес­ кий или экспоненциальный). Если требуется получение больших колебательных скоростей или смещений при сравнительно небольшой активной нагрузке на концент­ раторе, то используют концентраторы с большим усиле­ нием (катеноидальный или ступенчатый). Концентраторы создают интенсивность звука 5,0—10,0 вт/см2.

При расчете концентраторов предполагают, что вдоль его оси распространяется без затухания плоская гармони­ ческая волна..Тогда дифференциальное уравнение для колебательной скорости ѵ в произвольном поперечном

103

сечении 5 на расстоянии х от входного сечения аксиально симметричного концентратора имеет вид [40]

где k — с — волновое число.

Для входного сечения концентратора, присоединен­ ного к излучателю, в случае идеального согласования,

выходного сечения концентратора, при отсутствии внеш­

концентратор, рассчитанный при этих граничных усло­ виях, является резонансным [56].

Если известны законы изменения поперечного сечения концентраторов, то, интегрируя дифференциальное урав­ нение для колебательной скорости и учитывая граничные условия, можно найти расчетные формулы для определе­ ния всех данных, необходимых при конструировании полуволновых концентраторов различных типов. Порядок

ипримеры расчета различных концентраторов изложены

вработах [38, 56]; в качестве примера рассмотрим рас­ чет ступенчатого и экспоненциального концентраторов.

Резонансная длина полуволнового концентратора:

ступенчатого

Диаметры профилей экспоненциального концентратора находят по графику (рис. 45). Для этого задаются Dx (по диаметру преобразователя) и, приняв N, находят DaЗатем для различных расстояний Іх находят отношение Д//р и по графику определяют отношение Dx/Dx и пара­ метры Dx (см. рис. 44).

104

При изготовлении концентратора экспоненту заменяют ломаной линией, а затем подгоняют по шаблону.

Массы концентраторов находят по формулам: для ступенчатого концентратора

здесь р — плотность материала концентратора;

lpN— резонансная длина концентратора при задан-

'ном N.

При расчете концентраторов следует учитывать потери мощности в них и усталостную прочность, зависящие от ма­ териала и конструктивных

особенностей концентрато­

ра. Сравнительно малыми N=12.0 потерями при одновре­ менно большой прочнос­ ти обладают легирован­ ные стали и титановые сплавы. Опасное сечение в стыке ступеней концен­ траторов можно проверить по формуле

опюх = 2лѵУрЕ > с_ 1р,

используют для введения ультразвука в жидкие (особенно агрессивные) среды. Плас­

тину припаивают к пакету магнитостриктора. Она является излучателем. Помимо разделения преобразователя от обрабатываемой среды пластина предназначена для со­ гласования, так как сопротивление нагрузки вибратора Rn

105

чтобы по площади излучающей поверхности она была зна­ чительно больше магнитостриктора. Эти площади подби­ рают экспериментально. Однако поле излучения пластины неравномерное, что и является недостатком этих излу­ чателей. В настоящее время разработаны и внедряются на практике преобразователи с излучающей пластиной и равномерным полем; последнее достигают за счет того, что к излучающей пластине припаивают не один, а не­ сколько пакетов. Пакеты располагают в узловых точках на расстоянии, равном половине длины /\,І13Г изгибной волны. Длину волны Л]ІЗГ можно рассчитать по скорости распространения сизг и частоте ѵ:

где h — толщина пластины;

р — плотность материала пластины; (.1 — коэффициент Пуассона.

При расчете по этим формулам для стальной пластины толщиной 8 мм получают Л,нзг/2 = 2,9 см.

КОНСТРУКЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Эффективность промышленного применения ультра­ звука в значительной степени определяется эффектив­ ностью и надежностью работы преобразователей. В на­ стоящее время серийно выпускают два основных типа магнитострикционных преобразователей: плоские (ПМС) и цилиндрические (ЦМС). Эти преобразователи имеют несколько модификаций и предназначены для интенсифи­ кации разнообразных технологических процессов. Вы­ пускают также мелкими сериями ряд специализирован­ ных установок со специальными типами преобразователей и различными согласующими излучающими элементами.

Магнитострикторы, как правило, используют для одно­ стороннего излучения. Для этого на торец магнитострик­ тора, противоположный излучающему, наклеивают по­ ристую резину. Колебания, отражаясь от этого торца, изменяют фазу на 180° и достигают излучающей поверх­ ности в фазе с прямой волной. В магнитострикторе нагре­ ваются как обмотка, так и пакет. Для сохранения нор­ мальных условий работы температура в центральной ча­ сти вибратора не должна превышать 80° С. Поэтому магни-

106

1 — бачок охлаждения; 2 — пакет преобразопатсля; 3 — обмотка; 4 — штуцер вывода провода; 5 — шпилька; 6 — излучающая пластина; 7 , 8 — штуцеры для воды, 9 диск прижимной; 10 — кронштейн; 11 — резиновая подушка

Рис. 41. Излучающая пласти­ на преобразователя ПМС-6М

Рис. 48. Варианты крепления магнитострикционного преобразователя к дну в£)нны:

тостриктор заключают в герметичный бачок с принуди­ тельным охлаждением водой; обмотку выполняют спе­ циальным проводом типа БПВЛ. В широко распростра­ ненном преобразователе ПМС-6М (рис. 46) излучающая пластина (рис. 47) имеет переменное сечение. На рис. 48

Рис. 49. Распределенный магнитострнкщюнный преобразователь (мощность 4 квт)

показаны схемы крепления магнитострикторного преоб­ разователя к дну ванны.

Конструкция серийного магнитострикционного рас­ пределительного преобразователя [20] мощностью 4 квт показана на' рис. 49. В распределенных преобразователях площадь охлаждения больше, что позволяет использовать вместо водяного принудительное воздушное охлаждение от вентилятора.

3 — концентратор

Для повышения эффективности используют преобра­ зователи с акустической обратной связью в системе с авто­ подстройкой частоты [20]. Такой преобразователь (рис. 50) состоит из двух рабочих излучающих пакетов и одного приемного с обмоткой обратной связи. Все па­ кеты припаяны к одному торцу пластины или концентра­ тора. Толщина приемного пакета примерно в 7 раз меньше суммарной толщины двух излучающих пакетов. Напря­ жение обратной связи t/oc, наводимое в приемном пакете,

108

является сигналом для автоматической подстройки ча­ стоты.

Цилиндрические преобразователи выпускают несколь­ ких типов: ЦМС-18 с внутренним диаметром 64 мм, ЦМС-8 диаметром 150 мм и ЦМС-5 диаметром 250 мм. В маломощ­ ных технологических. установках очистки поверхностей изделий применяют пьезокерамические преобразователи (см. рис. 43), разработанные во ВНИИТВЧ *. Преобразо­ ватель состоит из стяжного болта из коррозионностойкой стали, двух пьезокерамическңх пластин ЦТС-19 (размеры 50X50X4 мм) и двух накладок: из твердого дюралюми­ ния Д16 и из стали. Пластины изолируют от болта тефло­ новой прокладкой, токопроводящие шайбы выполняют из медной фольги и покрывают серебром. При сборке излучателя затяжкой болта создают напряженное состоя­ ние керамики. Рабочая частота излучателя 18—20 кгц, интенсивность звука в воде 1—2 вт/см2. В дне ванны, как правило, монтируют несколько излучателей для созда-

.ния равномерного поля излучения.

* ВНИИТВЧ — Всесоюзный научно-исследовательский институт токов высокой частоты им. В. П, Вологдина,