2.3. Конструктивные особенности преобразователей

Основные акустические параметры наклонных преоб­разователей — ширина диаграммы направленности, раз­решающая способность (по оси пучка), чувствитель­ность— определяются их конструкцией, а именно: раз­мерами и конфигурацией, углом ввода, акустическими константами призмы и степенью демпфирования.

Преобразователь состоит из следующих основных элементов: пьезопластины, демпфера, призмы, протекто­ра и корпуса.

Пьезопластина — является основным элементом ПЭП. Ее изготавливают из пьезоэлектрических материа­лов: кварца, цирконата-титаната свинца (ЦТС), титаната бария и др. Пьезопластина обычно имеет толщину, рав­ную половине длины волны УЗК в пьезоматериале на рабочей частоте. На противоположных поверхностях пластины располагаются металлические (обычно сереб­ряные) электроды для приложения электрического поля. От формы электродов зависят работающие участки пьезопластин. Во избежание пробоя по краям пластины часто оставляют неметаллизированную полоску.

Демпфер служит для гашения свободных колеба­ний пьезопластины, т.е. для получения коротких УЗ-импульсов, а также для предупреждения механических по­вреждений пьезопластин, особенно тонких. Материал демпфера и его форма должны обеспечивать достаточно сильное затухание УЗК без многократных отражений. В некоторых ПЭП (например, наклонных) демпфер час­то отсутствует.

Призма изготовляется обычно из износостойкого материала с небольшой скоростью ультразвука (оргстекло, полистирол, поликарбонат, деклон, капролон и др.), что позволяет при относительно небольших углах падения получать углы преломлениядо 90°. Размер приз­мы зависит главным образом от размера и формы пьезопластины.

При разработке и изготовлении преобразователей размеры, форму и материал призмы выбирают таким образом, чтобы они по возможности удовлетворяли сле­дующим основным требованиям: обеспечивали достаточ­ное гашение УЗК, возникающих при отражении волн на границе раздела призма — изделие, при этом незначи­тельно ослабляли УЗК в самой призме. Кроме того, ма­териал призмы должен обладать износостойкостью и смачиваемостью, а в ряде случаев и термостабильностью.

Протектор защищает пьезоэлемент от изнашива­ния и воздействия контактной жидкости, улучшает акус­тический контакт при контроле контактным способом. Для повышения износостойкости преобразователя к пьезопластине приклеивают протекторы толщиной 0,1 — 0,5 мм из кварца, бериллия, стали, смол с порошковым наполнителем (например, порошком из компаунда или бериллия) и т. п. Протекторы также изготавливают в виде сменных пленок из эластичных пластмасс, например из полиуретана. В этом случае между пьезопластиной и протектором вводят контактную жидкость (масло).

Корпус преобразователя обеспечивает прочность конструкции, а также экранирование пьезоэлемента и выводов от электронных помех (для этого корпус из пластмассы металлизируют).

2.4.Выбор акустических параметров при проектировании ультразвуковых устройств

При проектировании ультразвукового технологического ус­тройства необходимо решать следующие задачи: расчет и конструи­рование ультразвуковой колебательной системы, подбор источни­ков питания и проектирование кинематики перемещения отдель­ных узлов установки.

В процессе расчета ультразвуковых преобразователей опреде­ляют рабочую частоту, потребляемую мощность, входное электри­ческое сопротивление преобразователя. Этот комплекс парамет­ров определяет возможность комплектации ультразвуковой техно­логической установки универсальным генератором или необходи­мость проектирования специализированного ультразвукового гене­ратора.

Остальные узлы ультразвуковых технологических установок проектируют с учетом специфики конкретного технологического про­цесса.

Расчет и конструирование ультразвукового узла начинают с определения основных акустических параметров, которые обеспе­чивают заданные характеристики технологического процесса. Та­кими параметрами являются: частота, амплитуда колебаний (удельная акустическая мощность), площадь рабочей поверхности излучателя (инструмента). При этом в процессе проектирования ультразвукового узла в ряде случаев необходимо удовлетворить за­данным ограничениям по массе и габаритным размерам.

Рабочую частоту выбирают с учетом влияния многих факторов. Для боль­шинства технологических процессов частота колебаний определяет эффектив­ность самого процесса. Например, при очистке, связанной с кавитационной эро­зией, эффективность растет с понижением частоты в пределах ультразвукового диапазона, производительность ультразвуковой обработки при постоянной ам­плитуде смещений растет с увеличением частоты. При повышении частоты умень­шаются габаритные размеры и масса колебательной системы, облегчается вы­полнение санитарно-гигиенических требований к шуму ультразвуковых устано­вок, но падает амплитуда колебательных смещений и КПД системы.

При определении акустической мощности необходимо учитывать назначение колебательной системы. Она может быть предназначена:

Для процессов, связанных с кавитационной активностью жидкости, оптималь­ное значение удельной акустической мощности для водных сред составляет Wa=l„5—2,0 Вт/см². Этому значению удельной акустической мощности соответ­ствует амплитуда колебательной скорости на поверхности излучателя 0,2 м/с.

Условия работы при излучении в среду характеризуются заданной площадью излучения и удельной акустической мощностью, которая определяется для данного технологического процесса.