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

не более 0,6 мм. Собственно излучающий элемент, так же как и ванна, выполнен из нержавеющей стали. Размер излучающего элемента преобразователя 15 см2. Рабочая площадь преобразователя увеличена в результате изгибно колеблющихся участков ванны. Техническая характери­ стика преобразователя следующая: напряжение питания 210 В; рабочая частота 23,2 кГц; потребляемая мощность 63 Вт; ток преобразователя 0,65 А; полное сопротивление

320 Ом; cos <р = 0,5.

Создаются сверхмощные фокусирующие преобразова­ тели, которые позволяют получать интенсивность в ты­ сячах ватт на квадратный сантиметр. При этом в центре фокального пятна (при отсутствии кавитации) разви­ ваются звуковые давления с амплитудой 50—60 кГс/см2. Опыт показал, что при таких интенсивностях наблюдается ряд явлений, имеющих физический интерес и с успехом применяющихся на практике. Повышение интенсивности в центре фокального пятна может быть достигнуто либо увеличением полной мощности сходящегося фронта, либо уменьшением площади фокального пятна, т. е. умень­ шением рабочей длины волны. Последнее менее желательно не только потому, что с уменьшением площади фокального пятна затрудняется его излучение, но еще и потому, что

сувеличением частоты существенно возрастет линейное

инелинейное поглощения.

Расчеты показали, что для .получения интенсивности порядка ІО5 Вт/см2 в диапазоне частот 0,5— 1,0 Мгц тре­ буется мощность в несколько киловатт [62]. Для полу­ чения у поверхности преобразователя интенсивности 1 Вт/см2 необходимо, чтобы преобразователь имел поверх­ ность в несколько тысяч квадратных сантиметров. Есте­ ственно, что такую большую поверхность с помощью одной излучающей пластины получить невозможно, по­ этому применяют мозаичные преобразователи. Первый

оболочка с внутренним радиусом 31,4 см и углом раскры­ тия 70°, толщина стенок равна половине волны в алюми­ нии. Излучающая алюминиевая оболочка возбуждается круглыми пьезоэлектрическими пластинками из кварца X-среза диаметром 40 мм, равномерно расположенными в количестве 200 шт. по наружной поверхности полусферы. Пространство внутри оболочки заполнено передаточной

70

ниями. Так как увеличение рабочей частоты в 2 раза приво­ дит к уменьшению площади фокального пятна в 4 раза, то для сохранения средней интенсивности в фокальном пятне можно уменьшить вдвое радиус излучающей поверхности. Вместо кварцевых пластинок применены шестигранные пластинки из пьезокерамики ЦТС. Внутренний радиус полусферы (фокусное расстояние) равен 18,3 см, угол раскрытия 75°.

В рассмотренных преобразователях фокусирование происходит в жидкости. Могут быть созданы преобразова­ тели с фокусированием в твердом теле (твердые концен­ траторы), однако изготовление их сопряжено с опреде­ ленными трудностями.

Вследствие возможности существования в твердых те­ лах, кроме продольных еще и сдвиговых волн, в них легко возбуждаются «паразитные» колебания, на которые может затрачиваться подводимая энергия. Экспериментальные исследования макета твердого концентратора показали, что с его помощью можно получить значительно большие амплитуды, чем в концентраторе с жидкой фокусирующей средой.

Пьезоэлектрические преобразователи характеризуются следующими основными параметрами: потребляемой и импульсной мощностями, частотой следования импульсов и их длительностью, акустической мощностью и мощностью

71

потерь, к. п. д., интенсивностью ультразвука, резонансной и частотной характеристиками, полным электрическим и эквивалентным сопротивлениями. Указанные параметры пьезоэлектрических преобразователей определяются спе­ циальными испытаниями, которые должны проводиться при температуре окружающего воздуха 20 ± 5° С, ат­ мосферном давлении 750 ± 30 мм рт. ст. и относительной влажности 65° ± 15%. Испытания преобразователей в за­ висимости от их содержания и методов можно проводить на месте изготовления для проверки их характеристик до, во время и после воздействия на них факторов, имити­ рующих возможные условия эксплуатации и на технологи­ ческих установках — для проверки эксплуатационных и технических характеристик в условиях применения, ма­ ксимально приближающихся к действительным.

Для измерения интенсивности упругих волн в жидкости создан акустический ваттметр. Работа его основана на измерении с помощью пьезоэлектрических датчиков дав­ ления Р и скорости частиц жидкости ѵ в одной и той же точке поля и автоматическом выполнении математических операций с пропорциональными им электрическими сиг­ налами согласно выражению для мгновений интенсив­ ности акустической волны [48]

исредой интенсивности волны

/= -4- f Pvdt.

о

Акустический ваттметр позволяет измерять величину и направление вектора интенсивности волны в условиях пространственно-ограниченных полей, а также в нелиней­ ном режиме, возникающем из-за кавитации. Для измерения давления и скорости частиц жидкости в одной и той же точке поля в акустическом ваттметре используется датчик, действие которого основано на том, что свободно подве­ шенная пьезоэлектрическая сфера с диаметром, меньшим длины волны в акустическом поле, совершает одновре­ менно пульсационные и осцилляционные колебания прак­ тически в фазе с давлением и скоростью частиц соответ­ ственно. Пульсации этой сферы позволяют получить элек­ трический сигнал, пропорциональный давлению. Осцил-

72

ляционные колебания сферы можно измерить жестко свя­ занными с ней пьезоакселерометрами, сигнал которых впоследствии интегрируется для получения напряжения, пропорционального скорости сферы.

Учитывая широкое применение ультразвуковых пре­ образователей в различных технических процессах, воз­ никла необходимость в сравнении их эффективности. В частности, представляют интерес сравнительные данные магнитострикционных и пьезоэлектрических преобразо­ вателей. Особенно важны сравнения эффективности се­ рийно выпускаемых однотипных преобразователей при контрольных и типовых испытаниях на заводах-изготови- телях [33].

Целесообразно проводить сравнительную оценку эф­ фективности преобразователей по их к. п. д. Такое сравне­ ние возможно, если преобразователи работают на одну и ту же удельную нагрузку. Известный метод определения к. п. д. по ваттметровым или импедансным частотным ха­ рактеристикам преобразователя применим для опреде­ ления к. и. д. промышленных преобразователей при ра­ боте их на соответствующую реальную нагрузку, если при этом добротность преобразователя достаточно велика.

При применении электрических методов определения к. п. д. необходима предварительная оценка нелинейности сопротивлений механических и электрических потерь как от механических параметров, так и от параметров поля. При этом необходимо учитывать, что если преобра­ зователь как нагрузка на генератор является нелинейным элементом, то при измерениях существенное значение приобретает форма кривых тока и напряжения пи­ тания.

Колориметрический метод определения к. п. д. основан на определении излучаемой и общей мощности потерь по нагреву потоков жидкости в рабочем и охлаждающем сосудах. При этом переход тепловой энергии потерь в ра­ бочую среду зависит от размеров и конструкции преобра­ зователя и от размеров излучающей поверхности. Он будет тем больше, чем больше отношение размеров излучающей поверхности ко всей поверхности преобразователя. Если относительную оценку эффективности однотипных пре­ образователей можно производить по данным колорите-

73

трического метода, то сравнивать эффективность различ­ ных преобразователей нельзя. Для уточнения колориме­ трического метода требуется дополнительная разработка методики учета относительного распределения потока тепловой энергии по всей поверхности преобразователя. Для того чтобы удельные нагрузки на преобразователи были равны, необходимо соблюдать одинаковые условия испытания (состав, температуру, толщину слоя озвучивае­ мой среды, нелинейность нагрузки и т. д.). Для обеспече­ ния равенства нагрузок на сравниваемые преобразователи испытания нужно проводить на искусственную эталонную нагрузку, близкую по величине к реальной и достаточно линейную при режимах, близких к рабочим. Этим опре­ деляется и характер режима испытаний (непрерывный и импульсный).

Необходимо отметить, что сравнения эффективности различных промышленных преобразователей по значе­ ниям к. п. д. указанными методами не обеспечивают объ­ ективности суждений. Однако при сравнительных испы­ таниях однотипных серийных преобразователей колори­ метрический метод вполне обеспечивает относительный контроль их качества. Однако использование этих ме­ тодов только для относительного контроля однотипных преобразователей не всегда целесообразно. Контроль од­ нотипных преобразователей можно значительно упро­ стить, если испытания преобразователей проводить в ре­ жиме холостого хода на резонансе при одинаковом на­ пряжении питания или при одинаковом отношении на­ пряжения к частоте с определением электрических мощно­ стей и механических потерь. При этом контроль амглитуды колебания рабочей поверхности вполне определяет отно­ сительный качественный контроль таких преобразовате­ лей. Зная эти данные, можно рассчитать ожидаемый к. п. д. преобразователя для случая работы его на какую нибудь эталонную нагрузку. Для относительных изме­ рений помимо стандартных ваттметров и виброметров можно применять любые соответствующие лабораторные приборы. Применение таких приборов упрощается тем, что они предназначены для измерений в сравнительно узком диапазоне частот и нет необходимости в абсолютной их градуировке.

Рассмотренный метод контроля эффективности одно­ типных преобразователей сравнительно прост и исключает влияние нелинейности нагрузки на сравнительную оценку

74

Глава II УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Для питания электромеханических преобразователей (электродинамических, магнитострикционных и пьезо­ электрических) необходимы источники питания электри­ ческой энергией. Эту задачу выполняют ультразвуковые генераторы, которые подразделяются на машинные и лам­ повые (полупроводниковые). К ультразвуковым генерато­ рам предъявляются следующие основные требования: стабильность частоты, возможность плавного регулиро­ вания частоты в заданном диапазоне; возможность регу­ лирования выходной мощности в заданном диапазоне; кривая выходного напряжения генератора должна иметь синусоидальный характер; надежность в работе; неболь­ шие габаритные размеры; небольшие затраты.

Машинные генераторы

Машинные генераторы, а точнее машинные преобразова­ тели (умформеры) рассчитаны на работу с частотой до 20 кГц и мощностью до 150 кВт. Машинные генераторы просты по устройству и обслуживанию, экономичны, имеют большой к. п. д. и надежны в работе. Однако они не получили широкого распространения в ультразвуковой технике ввиду низкой стабильности частоты и сложности ее регулирования, а также трудности получения частоты

более 20 кГц без дополнительных устройств — множителей частоты.

Машинные генераторы представляют собой смонтиро­ ванные на одной оси электродвигатель переменного тока промышленной частоты и генератор переменного тока по­ вышенной частоты. Машинные генераторы строятся обычно по типу синхронных генераторов. В однофазных син­ хронных генераторах магнитные полюсы неподвижны, а якорная обмотка вращается. Однако при создании гене­ раторов больших мощностей целесообразно, чтобы обмотка была неподвижна, а вращался статор (индуктор).

76

Машинные синхронные генераторы по способу воз­ буждения делятся на генераторы с самовозбуждением и не­ зависимым возбуждением. При независимом возбуждении к генератору подводится питание от автономного источ­ ника постоянного тока. Самовозбуждение может быть до­ стигнуто с помощью полупроводниковых выпрямителей или постоянных магнитов. В мощных машинных генера­ торах иногда используют отдельный возбудитель — элек­ трическую машину постоянного тока, расположенную на одном валу с ротором генератора.

Машинные генераторы повышенной частоты могут быть двух типов: переменно-полюсные и индукторные. У гене­ раторов с переменно-полюсной системой большой диа­ пазон изменений магнитного потока ротора, связанного с витком обмотки статора, что обеспечивает возможность получения значительной величины э. д. с. на виток и уменьшение общего числа витков статорной обмотки. Генераторы индукторного типа отличаются тем, что э. д. с. индуцируете# в обмотке не за счет периодического изме­ нения магнитного сопротивления какой-либо части магни­ топровода машины, а в результате пульсации магнитного потока. Генераторы индукторного типа могут быть пе­ ременно-полюсными с магнитным полем, замыкающимся

вплоскости, перпендикулярной плоскости вала, и по­ стоянно-полюсными с магнитным полем, замыкающимся

вплоскости вала. В переменно-полюсных генераторах статор и ротор делают сдвоенными. Каждая часть статора имеет свою обмотку, связанную с магнитным потоком только одной полярности, что позволяет иметь общую

катушку возбуждения, расположенную между двумя ча­ стями статора.

У постоянно-полюсных генераторов индукторного типа имеется ряд преимуществ перед другими типами генера­ торов подобного назначения. У них можно увеличить полюсное деление в результате того, что на каждой части статора остается одинаковая полярность. Пульсации ма­ гнитного потока происходят вследствие перераспределе­ ния магнитного потока между зубцами статора, а ма­ гнитный поток ротора остается почти неизменным, что позволяет сделать ротор сплошным.

Отечественной промышленностью выпускаются машин­ ные генераторы типа ВПЧ [35]. Они предназначены для преобразования электрической энергии трехфазного пере­ менного тока с частотой 50 Гц в однофазный с частотой 2,4

77

или 8 кГц. Генератор типа ВПЧ состоит из асинхронного электродвигателя и синхронного генератора индукторного типа.

Частоту электрического тока, вырабатываемого машин­ ным генератором, можно определить из выражения

f __ тп

I W ’

где т — число полюсов; п — частота вращения ротора в об/мин.

Для получения более высоких частот применяются удвоители (умножители) частоты. Принцип умножения частоты заключается в том, что если к цепи, содержащей сопротивление R, индуктивность L и емкость С, приложена э. д. с. синусоидальной формы, то на каждом участке цепи напряжение и ток тоже будут изменяться синусоидально. Чтобы добиться умножения частоты, необходимо исказить форму напряжения или тока, так как только несинусои­ дальная периодическая функция, будучи разложена в ряд Фурье, дает нужные гармоники высшего порядка [56]. Для искажения кривой напряжения или тока необходимо, чтобы один из параметров цепи R, L или С менялся во времени в зависимости от переменных Е или / (на практике обычно изменяют индуктивность).

На рис. 23 приведена схема умножителя частоты в чет­ ное число раз, состоящего из трех обмоток и двух кернов. Обмотка^ W ! (общая для обоих сердечников) является обмоткой поляризации и одновременно обмоткой умножен­

78

Рис. 24. Схема установки для испытания удвоителя частоты

дый момент времени какой-либо из сердечников сильно насыщен, другой же работает при сравнительно малых индукциях.

Расчет удвоителя частоты ведется графоаналитиче ким методом при условии, если потери на гистерезис и вих­ ревые токи в сердечниках отсутствуют, обмотки удвоителя не обладают сопротивлениями и индуктивностями рассея­ ния, пренебрегают всеми гармониками выше первой в кри­ вой тока первичной обмотки удвоителя и выше второй в кривой тока вторичной обмотки. Методика расчета удвои­ теля частоты мощностью 25 кВт была испытана на уста­ новке (рис. 24), состоящей из машинного генератора ВПЧ-30/8000, пускорегулировочной аппаратуры и на­ грузки удвоителя — шести магнитострикционных преоб­ разователей по 4 кВт каждый [56]. Машинный генера­ тор МГ питает удвоитель частоты, состоящий из двух торои­ дальных сердечников с намотанными на них обмотками. Конденсатор Сф служит для согласования удвоителя с ма­ шинным генератором, конденсатор С2 — разделительный, конденсатор С3 — для компенсации реактивных токов. Трансформатор поляризации 7 \ включен в контур 8 кГц через катушку связи L v Одновременно с ростом возбу­ ждения машинного генератора растет и ток поляризации удвоителя. Следовательно, одной регулировкой возбужде­ ния машинного генератора можно установить нормальный режим установки,

7і