Характеристики уз колебаний

УЗ колебания – это колебания материальной точки среды относительно начального положения. Они характеризуются следующими параметрами:

1. Частота и длина волны

где С – скорость звука в веществе.

2. Амплитуда

где А₀ – максимальное значение амплитуды.

3. Скорость колебания материальной точки

максимальное значение колебательной скорости

4. Ускорение материальной точки

максимальное значение колебательного ускорения

5. Энергия, переносимая УЗ волной

- кинетическая:

- потенциальная:

где – коэффициент жесткости колебательной системы,

ρ- плотность среды.

Полная энергия УЗ волны:

6. Интенсивность или сила звука

7. Мощность источника УЗ колебаний

,

Где S – площадь излучающей поверхности.

8. Затухание УЗ волны

9. Коэффициент отражения

где z₁ и z₂ – акустическое сопротивление сред.

Источники ультразвуковых колебаний

Существует ряд способов получения (возбуждения) ультразвуковых колебаний. Их можно разбить на три основные группы:

1. механические;

2. магнитострикционные;

3. пьезоэлектрические.

Механический способ возбуждения ультразвуковых колебаний применяется сравнительно редко, преимущественно при создании мощных колебаний в воздухе: в газоструйных генераторах, сиренах и т.д. Механические излучатели не получили широкого распространения в промышленности в связи со сложностью их изготовления, требующей высокой точности обработки и большой механической прочности деталей.

Пьезоэлектрический способ получения ультразвуковых колебаний основан на принципе пьезоэлектрического эффекта. Сущность эффекта заключается в том, что если деформировать пластинку кварца, то на ее гранях возникают противоположные по знаку электрические заряды. Возникновение зарядов на гранях пластины при механическом воздействии называется прямым пьезоэффектом и используется при изготовлении приемников ультразвуковых колебаний. Изменение размеров пластины, вызванное действием электрических зарядов, называется обратным пьезоэлектрическим эффектом и используется при изготовлении излучателей ультразвуковых колебаний. В настоящее время в качестве пьезоэлектрика наибольшее распространение получила пьезокерамика, искусственный материал достаточно дешевый и технологичный. Наиболее широко используется титанат бария и цирконат-титанат свинца (ЦТС).

Наиболее часто в настоящее время ультразвуковые колебания получают магнитострикционным способом, основанным на магнитострикционном эффекте: если пропускать по обмотке, наложенной на ферромагнитный стержень, переменный ток, то стержень изменит свои размеры под воздействием переменного магнитного поля. В этом заключается прямой магнитострикционный эффект. Если стержень из ферромагнитного материала сжимать или растягивать, то в обмотке возникает переменный ток - обратный магнитострикционный эффект.

В настоящее время в ультразвуковых технологических установках применяют прямой магнитострикционный эффект.

L – длина ферромагнитного стержня;

ΔL – магнитострикция (абсолютное увеличение длины ферромагнитного материала, помещенного в магнитное поле).

Магнитострикционный эффект является четным эффектом, т.е. изменение размера не зависит от направления вектора индукции, при этом, если индукция будет изменяться симметрично относительно нуля, механические колебания будут направлены в одну сторону, о будут иметь незначительную амплитуду – а₀. Для увеличения амплитуды колебаний необходимо ввести постоянное подмагничивание на величину В_п, при этом амплитуда колебаний значительно возрастает – а_п.

При изготовлении магнитострикционных излучателей определяются не только геометрические размеры, но и принимается во внимание материал преобразователя, его конструкция и технология изготовления. В качестве магнитострикционных материалов используют никель, альфер, пермаллой, пермендюр и др.

Часто в качестве магнитострикционных материалов могут использоваться ферриты, представляющие собой окислы железа с легирующими добавками. У них маленькие потери на вихревые токи, высокая температура сохранения магнитострикционных свойств материалов (до 500С), компактные размеры преобразователей, но они обладают малой механической прочностью, что вызывает опасность их перегрузки в системах большой мощности.

Обычный магнитострикционный преобразователь представляет собой пакет, набранный из тонких пластин толщиной 0.1-0.2 мм, которые изолируются между собой лакированием или оксидированием.

Типы сердечников:

- стержневой;

- О – образный;

- Ш – образный;

- ферритовый с постоянными магнитами для создания постоянного подмагничивания.

Сложные сердечники кроме стержня имеют накладку, которая предназначена для передачи колебаний от стержня в пространство и замыкания магнитной цепи между стержнями.

Геометрические параметры сердечников:

• L – длина сердечника;

• L_c – длина стержня;

• d – ширина пакета;

• h – толщина пакета;

• d₂ – ширина окна;

• L_н- высота накладки.

В УЗХА наиболее часто используются О – образные сердечники с двумя обмотками, один торец которого является излучающим, а на другой наклеивается резиновый поглотитель колебаний.

Для питания магнитострикционных преобразователей током высокой частоты используются ультразвуковые генераторы. Рабочая частота ультразвуковых генераторов определяется их назначением и находится в диапазоне 18кГц-60 кГц.

Дальнейшее повышение частоты не целесобразно из-за резкого возрастания потерь на вихревые токи.

В целом ультразвуковые генераторы должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Иметь стабильные выходные параметры, независимые от изменения режимов технологических процессов;

2. Должны быть, по возможности, малогабаритными, удобными в эксплуатации и ремонте;

3. Иметь систему защиты от перегрузок;

4. Обеспечивать достаточно высокий КПД всей установки в целом.