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.

 

2.5.Резонансная частота и чувствительность преобразователя

Пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи являются резонансными. Поэтому расчет преоб­разователя следует начинать с выбора геометрических размеров, соответствующих заданной резонансной частоте. В ряде случаев необходимо решить обрат­ную задачу — найти резонансную частоту преобразователя известных разме­ров.

Обычно используют сим­метричный магнитострикционный преобразователь, который условно можно представить как сис­тему трех последовательно соединенных стержней. Длина среднего стержня равна высоте окна l₂, длина крайних одинакова и равна толщине накладки l₁. Отно­шение площадей поперечного сечения q=S₁/S₂=a/(a-b), где a — ширина преобразо­вателя; b — ширина окна. Ре­зонансная частота определяется из условия , где ; волновые размеры преобразователя; f—заданная частота преобразователя; с—скорость звука в ма­териале преобразователя. График для определения волновых разме­ров накладки и полной длины преобразователя приведены на рис. 7.

 

Рис.2.7. График для определения резонансных размеров и симметричной колебательной системы при разном соотношении

 

Задачей последующих расчетов является выбор материала, оп­ределение размеров и других параметров преобразователя с целью получения заданной амплитуды колебаний на выходе преоб­разователя. В линейном приближении амплитуда колебаний на вы­ходе преобразователя пропорциональна амплитуде вынуждаю­щей силы :

, где S — площадь поперечного сечения активной части преобразо­вателя (S=S₂); —амплитуда вынуждающих напряжений. Для магнитострикционного преобразователя = —амплитуда магнитострикционных напряжений. В линейном режиме , где —магнитострикционная постоянная; B_m — амплитуда индукции. Для пьезоэлектрического преобразователя =d_ikE_m где d_ik — пьезомодуль; E_m —амплитуда напряженности электрического по­ля.

Внутреннее сопротивление преобразователя Z_i имеет комплекс­ный характер. Его реактивная составляющая обращается в нуль на частоте механического резонанса. При этом амплитуда колеба­ний достигает максимума. Активная составляющая внутреннего со­противления преобразователя при резонансе равна сопротивлению механических потерь преобразователя R_м.п. Значение А определяется вы­бором конструкции преобразователя.

Амплитуда индукции в рабочей части магнитострикционного преобразователя пропорциональна напряжению на концах обмотки возбуждения: , где N — полное число витков обмотки возбуждения; U_m—напря­жение на входе преобразователя; S₂ — площадь поперечного се­чения магнитопровода

Аналогично для пьезоэлектрического преобразователя

где l₂— толщина пьезоэлемента.

С учетом приведенных формул получим выражение, позволяю­щее определить амплитуду колебаний при заданной величине на­пряжения на входе преобразователя: , где g =l₂^-1 для пьезокерамического преобразователя и для магнитострикционного.

Из выражения определения амплитуды колебаний следует, что отношение амплитуды коле­баний на выходе к амплитуде электрического напряжения на вхо­де зависит только от свойств преобразователя и характера нагруз­ки.

Итак, чтобы найти амплитуду колебаний на выходе преобразо­вателя при заданной нагрузке R_н, необходимо знать чувствитель­ность и сопротивление механических потерь R_м.п. для магнито­стрикционного или составного пьезоэлектрического преобразова­телей.