книги из ГПНТБ / Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении

/

электродах образца возникает переменное напряжение, пропорциональное отношению cf33/e, по величине кото­ рого можно судить о происходящем в материале про­ цессе. С помощью установки можно проводить исследо­ вания старения пьезокерамики при различных темпера­ турах, а также с приложением деполяризующего поля определять статическую коэрцитивную силу Ес. Знание величины Ес в статическом режиме позволяет сравнить между собой исследуемые составы пьезокерамики по ус­ тойчивости пьезоэлектрической текстуры образцов.

Пьезокерамические преобразователи могут быть пло­ скими и фокусирующими (сферическими, цилиндриче­ скими и др.). Для правильного выбора типа преобразова­ теля, а также для определения основных электрических величин, обеспечивающих его работу, производят расчет

ставляет собой пластинку круглой или прямоугольной формы, толщина которой должна быть равна половине длины волны. В этом случае пластинка будет колебаться на основной частоте. Учитывая, что частота f = сіК и ранее приведенное условие d = %/2, собственную частоту/0 колебаний пластинки можно определить из выражения

/о — fr »

60

где d — толщина пластинки в см; с — скорость распро­ странения звука в пластинке в см/с.

Полуволновый преобразователь можно рассчитать по формуле

где k — постоянная излучателя в кГц.мм.

Постоянная излучателя k для кварца равна 2280, для сегнетовой соли — 1540, для титаната бария — 2200.

В работе [71 ] рассматривается сложный пьезокерами­ ческий преобразователь с использованием материала ЦТС-19. Преобразователь состоит из плоского пьезо­ элемента и жестко связанных с ним частотопонижающих накладок. Возбуждение сложного преобразователя осу­ ществляется таким образом, что вся система работает как полуволновой вибратор

находят применение четвертьволновые и многослойные преобразователи. Четвертьволновый преобразователь представляет собой систему, состоящую из двух жестко соединенных пластинок, одна из которых изготовлена из пьезокерамики, а вторая из металла.

.Толщина пластинок определяется из выражения

Многослойный преобразователь состоит из тонкой пьезокерамической пластинки и двух металлических на­ кладок. Собственная частота такого преобразователя за­ висит от размеров отдельных элементов многослойного преобразователя.

В Центральном конструкторском бюро ультразвуко­ вых и высокочастотных установок (ЦКБ УВУ) прове­ дены исследования составных пакетных преобразовате­ лей на основе новейших отечественных пьезокерамиче­ ских материалов. В работе [31 ] приводятся рекоменда­ ции по выбору материала и методика расчета пакетного

61

преобразователя, предназначенного для озвучивания

жидких сред.

Материал пьезоэлемента выбирается по максимальным значениям произведения пьезомодуля d33 и модуля упру­ гости Ею временного сопротивления и степени стабиль­ ности параметров материала при изменении температуры. Из отечественных пьезокерамических материалов этим условиям удовлетворяют некоторые материалы на основе цирконата-титаната свинца. Площадь пьезоэлемента опре­ деляется по заданным полной и удельной мощности

где Р — полная мощность; Р 0 — удельная мощность; г|э — к. п. д. преобразователя (ориентировочно 0,45— 0,55).

Толщина пьезоэлемента определяется из условий

где k = ю/с — волновой коэффициент; с — скорость звука

принимаются равными площади пьезоэлемента либо не­ значительно отличающимися по конструктивным сообра­ жениям. Толщина рабочей накладки определяется реше­ нием уравнения, полученного из условия оптимума для удельной мощности, толщина нерабочей накладки опре­ деляется решением уравнения резонанса пакетного пре­ образователя [31 ].

Проверка параметров преобразователя производится из условия прочности пьезоэлемента

где W — волновое сопротивление пьезоэлемента; Wcp — волновое сопротивление среды; Р 0— удельная мощность; а д. п — допустимое напряжение в пьезоэлементе; В — тригонометрическое соотношение толщины пьезоэлемента, волнового коэффициента и волновых сопротивлений пьезо­ элемента и накладок.

Для уменьшения напряжения на преобразователе пьезоэлемент может набираться из двух и более пластин толщиной h = 1/2. В этом случае обе накладки зазем­

62

ляются, а напряжение подается на прокладку между пьезоэлементами. В этом случае полное сопротивление преобразователя уменьшается приблизительно в 4 раза, а напряжение — в 2 раза. Конструктивный расчет па­ кетного преобразователя с двойным пьезоэлементом можно производить без больших погрешностей, принимая

/= 2/і.

Спомощью пьезокерамических преобразователей можно получить относительно небольшие интенсивности уль­ тразвука. Это объясняется целым рядом факторов: уста­ лостной прочностью материала излучателя и нагревом излучателя вследствие электрических и механических потерь. Плоские преобразователи не позволяют получить большие амплитуды колебаний, так как имеется опре­ деленный предел механической и электрической прочно­ стей материала преобразователя. Кроме того, у плоских преобразователей наибольшая интенсивность наблюдается только у поверхности, а по мере удаления от поверхности интенсивность резко понижается из-за поглощения. При излучении ультразвука в жидкость возникает еще один ограничивающий фактор — кавитация, на образование которой расходуется значительная часть излучаемой энергии. Чтобы поддержать постоянство излучаемой мощ­

ности, нужно существенно увеличить амплитуду колеба­ ний преобразователя, а это как раз и ограничивается уста­ лостно-прочностными свойствами материала. Однако даже при значительном увеличении амплитуды колебаний ин­ тенсивность в рабочей зоне, находящейся на некотором рас­ стоянии от поверхности преобразователя, будет всегда меньше, чем вблизи его. Кроме того, сама излучающая по­ верхность неизбежно подвергается кавитационной эрозии.

Указанных недостатков не имеют фокусирующие пре­ образователи, которые позволяют получить очень боль­ шие интенсивности в заданной области на некотором рас­ стоянии от излучающей поверхности. В таких системах интенсивность нарастает по мере приближения от излу­ чающей поверхности к фокальной области по закону Ѵг для цилиндрической и 1/г2 для сферической фокусировки, где г — радиальная координата, отсчитываемая от центра фокальной области или соответственно от фокальной оси. Интенсивность излучения в центре фокального пятна у сферических преобразователей превышает в 50— 150 раз среднюю интенсивность на излучающей поверхности пре­ образователя.

63

Для получения мощных ультразвуковых полей можно применять различные фокусирующие системы, например, линзовые или зеркальные. Однако эти системы не только сложны и обладают существенными потерями, но и харак­ теризуются меньшими значениями основной величины, определяющей эффективность их работы, — фактором фо­ кусировки. Более удобны фокусирующие преобразова­ тели, в которых эффект фокусировки может быть получен без дополнительных устройств. Достаточно придать по­ верхности преобразователя вогнутую сферическую или цилиндрическую форму, чтобы сформировать сфокуси­ рованный луч. Такой преобразователь необычайно прост и достаточно эффективен.

Возможны два вида фокусирования: сферическое или осесимметричное, когда сходящийся в фокус волновой фронт имеет сферическую форму, и цилиндрическое, при котором форма сходящегося фронта — цилиндрическая. В первом случае фокальная область представляет собой

тический цилиндр, ось которого совпадает с осью цилин­ дрической излучающей поверхности; при этом большая полуось эллипса, лежащего в основании цилиндра, на­ ходится в плоскости симметрии преобразователя перпен­ дикулярно его оси.

позволяет получить большую концентрацию акустиче­ ской энергии в небольшом объеме и поэтому применяется для исследовательских целей и в медицинской практике для ультразвуковой хирургии. Корытообразные преобра­ зователи дают меньшее фокусирование энергии, но зато зона концентрации у них вытянута по оси корыта. Это

64

Рис. 20. Керамический трубчатый (цилиндри­ ческий) преобразователь

удобно для технологических процес­ сов, построенных по принципу не­ прерывного действия, когда обраба­ тываемая деталь перемещается вдоль оси преобразователя. Трубчатые из­ лучатели очень удобны при поточной обработке жидкостей, например при

ности преобразователя можно рассматривать как плоские. Следовательно, резонансная толщина преобразователя

будет равна длине полуволны d = — . Отсюда можно перейти к частоте

Трубчатые преобразователи работают как на толщинном резонансе, так и на радиальном (окружном). В первом случае, кроме формы, они ничем не отличаются от коры­ тообразных и расчет собственной частоты производится так же. Преобразователи с использованием радиального резонанса работают на принципе использования волн Юнга, распространяющихся по окружности цилиндра. Условием резонанса для тонкостенного цилиндра будет соотношение

2л{ F +"г) =Я~Т ’

где F — внутренний радиус; d — радиальная толщина кольца; с — скорость распространения волн Юнга, рав­

преобразователя.

Это выражение удобнее представить в виде

I (Г+4)-15Г-

Подробные исследования и расчеты фокусирующих пьезокерамических преобразователей рассмотрены в ра­

боте [62].

В ультразвуковой технологии находят все более ши­ рокое применение высокочастотные преобразователи, ра­ ботающие в диапазоне частот примерно от 0,5 до 3 МГц. Для обеспечения максимальной производительности при минимальных затратах мощности необходимо произвести расчет параметров высокочастотных преобразователей. Производительность преобразователя прямо пропорцио­ нальна критической интенсивности, при которой протекает технологический процесс, объему излучаемой среды, в ко­ торой протекает этот процесс, и обратно пропорциональна акустической мощности преобразователя

где /к — минимальная интенсивность (критическая), при которой еще может протекать заданный технологи­ ческий процесс; Ѵк — объем среды, в которой интенсив­ ность не ниже критической; W — акустическая мощность излучателя.

В технологических процессах применяются плоские и фокусирующие преобразователи. Плоские высокоча­ стотные преобразователи из пьезокварца или пьезокера­ мики обладают ограниченной электрической и механиче­ ской прочностью, в результате чего создаваемые этими преобразователями ультразвуковые поля имеют интен­ сивность от единиц до нескольких десятков ватт на квад­ ратный сантиметр. Плоские преобразователи, создающие поля интенсивностью более 100 Вт/см2, сложны по кон­ струкции и для них необходимы специальные источники питания. Фокусирующие преобразователи позволяют легко получать поля, интенсивность которых превышает 100 Вт/см2, а также поля с интенсивностью до нескольких к В т / c m 2 . Преимущество фокусирующих преобразователей состоит еще и в том, что при больших интенсивностях на поверхности преобразователя не возникает кавитация, так как повышенная интенсивность создается в фокальной области, вдали от излучающей поверхности.

66

Промышленностью выпускается много разнообразных типов пьезоэлектрических преобразователей, предназна­ ченных для использования в различных технологических процессах. Некоторые проектно-конструкторские органи­ зации разрабатывают и изготовляют специальные преоб­ разователи для проведения лабораторных исследований. На рис. 21 показаны пьезоэлектрические керамические преобразователи с исполнительными размерами, указан­ ными в табл. 6—9. Указанные преобразователи изготов­ ляются из титаната бария или керамики ЦТС. Допуски на толщину преобразователей определяются допусками на рабочую частоту. Поверхность плоских преобразова­ телей после обжига шлифуют. Механическая обработка сферических и цилиндрических поверхностей преобразо­ вателей не обязательна. Активная поверхность преобра­ зователей должна быть покрыта слоем серебра толщиной не менее 10 мкм.

В Советском Союзе разработаны пьезокерамические преобразователи мощностью 0,8; 1,6; 2,5 кВт на частоты

68

Т а б л и ц а 9

16 и 18 кГц, основанные на принципе мозаики из однотип­ ных пакетных преобразователей. Существуют различные виды мозаичных преобразователей, отличающихся спо­ собами присоединения преобразователей к излучающим поверхностям и набором мозаики. Целесообразно по­ строение мозаики выполнять так, чтобы вся рабочая по­ верхность состояла из совокупности излучающих поверх­ ностей собственно преобразователей, определяющих порш­ невые участки и частично изгибно колеблющиеся участки излучающей пластины. Соотношение между этими участ­ ками определяется условиями получения равномерно озву­ чиваемого поля и оптимальным согласованием преобразо­ вателей с нагрузкой.

С учетом требований, предъявляемых к ультразвуко­ вым установкам и прежде всего к частотам, па которых они должны работать, уделяют большое внимание созда­ нию пакетных пьезокерамических преобразователей на повышенную частоту. Необходимость в таких преобразова­ телях объясняется уменьшением габаритов установок и снижением шума на рабочем месте.

Преобразователи на повышенной частоте целесообразно применять в тех случаях, когда в ходе технологического процесса не требуется значительная кавитация.

Разработанный во Всесоюзном научно-исследователь­ ском институте токов высокой частоты (ВНИИТВЧ) пре­ образователь на 44 кГц основан на двух пьезокерамиче­ ских кольцах из материала ЦТС-19 диаметром 50 мм и толщиной 4,5 мм. Преобразователь предназначен для встраивания в стенку технологической ванны толщиной

69