RU2141386C1 - Ultrasonic oscillation system - Google Patents
Ultrasonic oscillation system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2141386C1 RU2141386C1 RU97120873A RU97120873A RU2141386C1 RU 2141386 C1 RU2141386 C1 RU 2141386C1 RU 97120873 A RU97120873 A RU 97120873A RU 97120873 A RU97120873 A RU 97120873A RU 2141386 C1 RU2141386 C1 RU 2141386C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ultrasonic
- diameter
- length
- revolution
- exponential
- Prior art date
Links
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 title abstract description 14
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 claims description 41
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 230000003321 amplification Effects 0.000 abstract description 6
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 abstract description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 4
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 abstract description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 abstract 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 238000004945 emulsification Methods 0.000 description 1
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к конструкциям ультразвуковых колебательных систем, и может быть использовано в технологических аппаратах и установках, предназначенных для осуществления и интенсификации технологических процессов диспергирования, растворения, эмульгирования, экстрагирования, пропитки, сварки, размерной обработки твердых хрупких материалов и др. The invention relates to ultrasound equipment, namely, to designs of ultrasonic oscillatory systems, and can be used in technological devices and installations intended for the implementation and intensification of technological processes of dispersion, dissolution, emulsification, extraction, impregnation, welding, dimensional processing of hard brittle materials, etc. .
В состав любой ультразвуковой технологической установки входят источник энергии (генератор) и ультразвуковая колебательная система. The composition of any ultrasonic technological installation includes an energy source (generator) and an ultrasonic oscillatory system.
УЗ колебательная система состоит из преобразователя, согласующего элемента и рабочего инструмента (органа). The ultrasonic vibrating system consists of a transducer, a matching element and a working tool (organ).
В преобразователе (активном элементе) колебательной системы происходит преобразование энергии электрических колебаний в энергию упругих колебаний ультразвуковой частоты и создается знакопеременная механическая сила. In the transducer (active element) of the oscillatory system, the energy of electrical vibrations is converted into the energy of elastic vibrations of ultrasonic frequency and an alternating mechanical force is created.
Согласующий элемент системы (пассивный концентратор) осуществляет трансформацию скоростей и обеспечивает согласование внешней нагрузки (обрабатываемого материала) и активного внутреннего элемента. При этом согласующий элемент играет роль усилителя амплитуды механических колебаний. The matching element of the system (passive concentrator) carries out the transformation of speeds and ensures coordination of the external load (the processed material) and the active internal element. In this case, the matching element plays the role of an amplifier of the amplitude of mechanical vibrations.
Рабочий инструмент создает ультразвуковые колебания в обрабатываемых средах. The working tool creates ultrasonic vibrations in the processed media.
При выполнении технологических операций, требующих применения интенсивного ультразвукового воздействия (более 1 Вт/см2), используются различные ультразвуковые колебательные системы, назначение которых заключается в преобразовании электрических колебаний, подаваемых от генератора электрических колебаний на электроды пьезоэлектрических элементов, в упругие (механические), усиления механических колебаний до нужного значения и передачи последних к рабочему инструменту для введения в обрабатываемую среду [а. с. N 347141, 1972, а.с. N 986752, 1983, а.c. N 1184617, 1985; а.C.N 1711847, 1992.].When performing technological operations that require the use of intensive ultrasonic exposure (more than 1 W / cm 2 ), various ultrasonic vibration systems are used, the purpose of which is to convert the electrical vibrations supplied from the electric oscillation generator to the electrodes of the piezoelectric elements into elastic (mechanical) amplifications mechanical vibrations to the desired value and transfer of the latter to the working tool for introduction into the processed medium [a. with. N 347141, 1972, a.s. N 986752, 1983, a.c. N 1184617, 1985; A.CN 1711847, 1992.].
Ультразвуковая колебательная система, наиболее широко используемая в технике, выполняется в форме тела вращения и содержит две металлические накладки, установленные последовательно и акустически связанные с расположенными между ними двумя пьезоэлектрическими элементами, вектора поляризации которых направлены встречно [Китайгородский Ю.И., Яхимович Д.Ф. Инженерный расчет ультразвуковых колебательных систем. - М.: Машиностроение, 1982.- С. 4-7]. К одной из накладок (рабочей накладке) крепится необходимый для выполнения конкретной задачи рабочий инструмент. The ultrasonic oscillating system, the most widely used in technology, is in the form of a body of revolution and contains two metal plates installed sequentially and acoustically connected with two piezoelectric elements located between them, the polarization vectors of which are directed counter [Kitaigorodsky Yu.I., Yakhimovich D.F. . Engineering calculation of ultrasonic oscillatory systems. - M .: Mechanical Engineering, 1982.- S. 4-7]. A work tool necessary for performing a specific task is attached to one of the pads (work pad).
Такие колебательные системы являются резонансными, называются полуволновыми, работают в режиме продольных колебаний и применяются для излучения ультразвуковых колебаний в жидкие среды или твердые тела, если не требуется увеличение амплитуды колебаний (или интенсивности ультразвуковых колебаний). Such oscillatory systems are resonant, called half-wave, operate in the mode of longitudinal vibrations and are used to emit ultrasonic vibrations into liquid media or solids, unless an increase in the amplitude of vibrations (or the intensity of ultrasonic vibrations) is required.
Однако амплитуда колебаний пьезоэлектрических элементов даже в резонансном режиме небольшая (обычно не более 3...10 мкм). However, the amplitude of the oscillations of the piezoelectric elements even in the resonance mode is small (usually no more than 3 ... 10 microns).
Поэтому для увеличения амплитуды колебаний рабочего инструмента и согласования преобразователя с нагрузкой (обрабатываемой средой) применяются УЗ концентраторы. Для получения высокого электроакустического КПД необходимо, чтобы отношение сопротивления обрабатываемой среды (отношение излучаемой акустической мощности к квадрату колебательной скорости) к внутреннему сопротивлению пьезоэлементов приблизительно соответствовало 10. На практике полуволновые колебательные системы, при интенсивности создаваемых ультразвуковых колебаний 3. . . 10 Вт/см2, имеют это отношение равным 0,65...0,85 [Ультразвуковая технология. Под ред. Б.А. Аграната, -М., Металлургия, 1974.] .Therefore, to increase the amplitude of oscillations of the working tool and matching the transducer with the load (processed medium), ultrasonic concentrators are used. To obtain high electro-acoustic efficiency, it is necessary that the ratio of the resistance of the medium being processed (the ratio of the emitted acoustic power to the square of the vibrational velocity) to the internal resistance of the piezoelectric elements approximately corresponds to 10. In practice, half-wave oscillation systems, with the intensity of the generated
Поэтому максимальная эффективность согласования преобразователя с обрабатываемой средой обеспечивается при использовании концентраторов с коэффициентом усиления, имеющем значение более 10 (точное значение от 12 до 15). Therefore, the maximum efficiency of matching the converter with the medium being processed is ensured by using concentrators with a gain having a value of more than 10 (the exact value is from 12 to 15).
Концентраторы представляют собой цилиндрические стержни переменного сечения, выполненные из металлов. Concentrators are cylindrical rods of variable cross section made of metals.
При необходимости увеличения амплитуды колебаний рабочего инструмента и в случаях, когда предъявляются требования повышенной компактности, используются полуволновые колебательные системы с четвертьволновыми преобразователем и концентратором [а. с. N 121606, 1959]. Недостатком таких колебательных систем является соединение преобразователя (пьезоэлектрического или магнитострикционного) с концентратором в плоскости наибольших механических напряжений. If it is necessary to increase the amplitude of oscillations of the working tool and in cases where the requirements of increased compactness are imposed, half-wave oscillation systems with a quarter-wave converter and a concentrator are used [a. with. N 121606, 1959]. The disadvantage of such oscillatory systems is the connection of the transducer (piezoelectric or magnetostrictive) with the concentrator in the plane of the greatest mechanical stresses.
Указанный недостаток устраняется в колебательной системе, принятой за прототип [а. с. N 437537, 1975]. Принятая за прототип ультразвуковая колебательная система выполнена в форме тела вращения, образованного двумя накладками, между которыми выше узла смещения ультразвуковых колебаний расположены пьезоэлектрические элементы, акустически связанные с накладками. The specified disadvantage is eliminated in the oscillatory system adopted for the prototype [a. with. N 437537, 1975]. The ultrasonic oscillatory system adopted as a prototype is made in the form of a body of revolution formed by two plates, between which piezoelectric elements are located acoustically connected to the plates, above the displacement unit of the ultrasonic waves.
Образующая тела вращения колебательной системы, принятой за прототип, имеет вид непрерывной кривой, например катеноиды, экспоненты и пр., обеспечивающей концентрацию ультразвуковой энергии. The generatrix of the rotation body of the oscillatory system adopted as a prototype has the form of a continuous curve, for example, catenoids, exponentials, etc., providing a concentration of ultrasonic energy.
При подведении электрического напряжения к электродам пьезоэлементов возникают механические колебания, которые усиливаются за счет выполнения накладок в виде непрерывной кривой, а затем через торцевую поверхность рабочей накладки, передаются рабочему инструменту. When electrical voltage is applied to the electrodes of the piezoelectric elements, mechanical vibrations occur, which are amplified by the execution of overlays in the form of a continuous curve, and then transmitted to the working tool through the end surface of the working lining.
Оптимальным, с точки зрения обеспечения максимального коэффициента усиления колебаний (концентрации энергии), в данном случае является выполнение образующих тыльной и рабочей накладок в форме тела вращения с образующей, имеющей вид катеноиды. Коэффициент усиления при этом может достигать значений, равных [Меркулов Л.Г. Расчет ультразвуковых концентраторов Акустический журнал, 1957.- Т.3.- С. 230-238]
K = 0,9N (при N > 2),
где N = D/d,
D - максимальный диаметр (диаметр тыльной накладки, соответствующий диаметру используемых пьезоэлектрических элементов),
d - минимальный диаметр (рабочей накладки на участке соединения с инструментом).Optimal, from the point of view of ensuring the maximum coefficient of amplification of vibrations (energy concentration), in this case is the implementation of forming the back and working pads in the form of a body of revolution with a generatrix having the form of catenoids. The gain in this case can reach values equal to [Merkulov L.G. Calculation of ultrasonic concentrators Acoustic journal, 1957.- T.3.- S. 230-238]
K = 0.9N (for N> 2),
where N = D / d,
D is the maximum diameter (diameter of the back plate corresponding to the diameter of the used piezoelectric elements),
d is the minimum diameter (of the working pad at the site of connection with the tool).
В рассматриваемой колебательной системе пьезоэлектрические элементы смещены в сторону тыльной накладки и расположены между накладками таким образом, что в плоскости их размещения динамические напряжения не превышают 30% от максимальных, возникающих в узле смещения. In the considered oscillatory system, the piezoelectric elements are biased towards the back plate and are located between the plates in such a way that the dynamic stresses in the plane of their placement do not exceed 30% of the maximum that arise in the bias unit.
Это позволяет существенно повысить надежность и стабильность системы в работе. This can significantly improve the reliability and stability of the system in operation.
Недостаток ультразвуковой системы, принятой за прототип - ограниченные технологические возможности. The disadvantage of the ultrasound system adopted as a prototype is its limited technological capabilities.
Ограничение технологических возможностей заключается в том, что рассматриваемая колебательная система позволяет обрабатывать только сравнительно малые поверхности твердых материалов (например, при сварке или размерной обработке) и вводить ультразвуковые колебания высокой интенсивности (3...10 Вт/см2) через малую площадь излучения.A limitation of technological capabilities lies in the fact that the considered oscillatory system allows only relatively small surfaces of solid materials to be processed (for example, during welding or dimensional processing) and ultrasonic vibrations of high intensity (3 ... 10 W / cm 2 ) can be introduced through a small radiation area.
Попытки изготовления колебательных систем для обработки больших поверхностей (площадью более 100 мм2) ультразвуковыми колебаниями с амплитудой 30. . .70 мкм приводят к необходимости значительного увеличения диаметра тыльной накладки и, соответственно, значительного увеличения размеров используемых пьезоэлектрических элементов.Attempts to manufacture oscillatory systems for processing large surfaces (with an area of more than 100 mm 2 ) by ultrasonic vibrations with an amplitude of 30.. .70 μm lead to the need for a significant increase in the diameter of the back lining and, accordingly, a significant increase in the size of the used piezoelectric elements.
Поясним это на примере. Let us illustrate this with an example.
Для получения коэффициента усиления K=10 при диаметре торцевой поверхности рабочей накладки, равном 20 мм (площадь торцевой поверхности рабочей накладки - 314 мм2), согласно приведенной выше формуле, необходимо использование тыльной накладки (и, соответственно, пьезоэлементов) диаметром 140 мм.To obtain a gain of K = 10 with a diameter of the end surface of the working plate equal to 20 mm (the area of the end surface of the working plate is 314 mm 2 ), according to the above formula, it is necessary to use a back plate (and, accordingly, piezoelectric elements) with a diameter of 140 mm.
Такое значительное увеличение габаритов колебательной системы приводит к возникновению радиальных колебаний, существенно уменьшающих коэффициент усиления [Меркулов Л.Г. Расчет ультразвуковых концентраторов. Акустический журнал, 1957.- Т.3.- С. 230-238]. Such a significant increase in the dimensions of the oscillatory system leads to the appearance of radial vibrations, which significantly reduce the gain [Merkulov L.G. Calculation of ultrasonic concentrators. Acoustic Journal, 1957.- T.3.- S. 230-238].
Кроме того, изготовление пьезоэлектрических элементов таких больших диаметров представляет самостоятельную, весьма сложную проблему, вследствие чего пьезоэлектрические элементы диаметром более 74 мм не выпускаются [Справочный каталог ПО "Аврора". - г. Волгоград, 1992]. In addition, the manufacture of piezoelectric elements of such large diameters is an independent, very difficult problem, as a result of which piezoelectric elements with a diameter of more than 74 mm are not available [Aurora Software Reference Catalog. - Volgograd, 1992].
При использовании максимального по диаметру существующего пьезоэлемента (диаметром 74 мм) и обеспечении коэффициента усиления K=10, диаметр торцевой поверхности рабочей накладки не может превышать 6,6 мм (площадь 34 мм2).When using the maximum diameter of the existing piezoelectric element (with a diameter of 74 mm) and providing a gain of K = 10, the diameter of the end surface of the working plate cannot exceed 6.6 mm (area 34 mm 2 ).
Задачей предлагаемого изобретения является расширение технологических возможностей ультразвуковой колебательной системы. The task of the invention is to expand the technological capabilities of the ultrasonic oscillatory system.
Технический результат изобретения выражается в обеспечении возможности обработки больших поверхностей (более 100 мм2) ультразвуковыми колебаниями высокой амплитуды за счет обеспечения больших коэффициентов усиления (концентрации энергии) колебательной системы.The technical result of the invention is expressed in the possibility of processing large surfaces (more than 100 mm 2 ) with high-amplitude ultrasonic vibrations due to the provision of large amplification factors (energy concentration) of the oscillatory system.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в известной колебательной системе в форме тела вращения, образованной последовательно расположенными и акустически связанными двумя накладками и двумя пьезоэлектрическими элементами, расположенными между этими накладками, образующая тела вращения колебательной системы выполнена в виде непрерывной кусочно-гладкой кривой, а тело вращения состоит из трех участков: первый - цилиндрический, длиной l1, второй участок с экспоненциальным или плавным радиусным изменением диаметра сечения, длиной lz, и третий - цилиндрический, длиной l2. При этом пьезоэлектрические элементы расположены между экспоненциальным и первым цилиндрическим участком, а длины участков выбраны из следующих условий:
l2 = k2c2/ω,
где с1, с2 - скорости распространения ультразвуковых колебаний в материалах накладок, (м/с), с - скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале пьезоэлемента, (м/с), ω/2π - рабочая частота колебательной системы, (Гц), h - толщина используемого пьезоэлемента (м), k1, k2 - коэффициенты, выбираемые из условия обеспечения требуемого (или максимального при k1 = k2) коэффициента усиления K при заданном N, N = D/d, D - максимальный диаметр (диаметр тыльной накладки, соответствующий диаметру используемых пьезоэлектрических элементов), (м), d - минимальный диаметр (рабочей накладки на участке соединения с инструментом), (м).The essence of the invention lies in the fact that in the known oscillatory system in the form of a body of revolution formed by successively located and acoustically connected two plates and two piezoelectric elements located between these plates, the body of rotation of the oscillating system is made in the form of a continuous piecewise smooth curve, and the rotation body is composed of three parts: the first - the cylindrical length l 1, the second portion with a smooth radius or exponential change in the diameter of ce eniya length l z, and the third - the cylindrical length l 2. In this case, the piezoelectric elements are located between the exponential and the first cylindrical section, and the lengths of the sections are selected from the following conditions:
l 2 = k 2 c 2 / ω,
where с 1 , с 2 - the propagation velocity of ultrasonic vibrations in the materials of the plates, (m / s), s - the propagation velocity of ultrasonic vibrations in the material of the piezoelectric element, (m / s), ω / 2π - the operating frequency of the oscillatory system, (Hz), h is the thickness of the used piezoelectric element (m), k 1 , k 2 are the coefficients selected from the conditions for ensuring the required (or maximum at k 1 = k 2 ) gain K for a given N, N = D / d, D is the maximum diameter ( diameter of the back plate corresponding to the diameter of the used piezoelectric elements), (m), d - minimum ln diameter (of the working lining at the site of connection with the tool), (m).
Рассматриваемая УЗ колебательная система схематично изображена на фиг. 1. На этом рисунке также показано распределение амплитуд колебаний A и механических напряжений F в системе, при условии пренебрежения потерями и излучением энергии. Пучностям смещений приблизительно соответствуют узлы механических напряжений, и наоборот, т.е. распределение смещений и сил имеет вид стоячих волн. The ultrasonic vibrating system under consideration is shown schematically in FIG. 1. This figure also shows the distribution of the oscillation amplitudes A and the mechanical stresses F in the system, provided that losses and energy radiation are neglected. The knots of displacements correspond approximately to nodes of mechanical stresses, and vice versa, i.e. the distribution of displacements and forces has the form of standing waves.
УЗ колебательная система содержит корпус 1, в котором посредством крепежных элементов через опору 2 в узле смещений закреплена ультразвуковая колебательная система, состоящая из отражающей металлической накладки 3, пьезоэлектрических элементов 4, к электродам которых через соединительный кабель подается электрическое возбуждающее напряжение излучающей металлической накладки 5. К последней присоединен рабочий инструмент 6. The ultrasonic vibrating system comprises a
Образующая тела вращения колебательной системы, состоящей из накладок и пьезоэлементов, выполнена в виде непрерывной кусочно-гладкой кривой, а тело вращения состоит из трех участков. Первый - цилиндрический - включает отражающую накладку 3 и пьезоэлементы 4. Второй (с экспоненциальным или плавным радиусным изменением диаметра сечения) и третий (цилиндрический) участки представляют собой рабочую накладку 5. The generatrix of the rotation body of the oscillatory system, consisting of overlays and piezoelectric elements, is made in the form of a continuous piecewise-smooth curve, and the rotation body consists of three sections. The first - cylindrical - includes a
Длины участков выбираются в соответствии с приведенными выше формулами. Plot lengths are selected in accordance with the above formulas.
В связи с тем, что получение аналитических соотношений для практических расчетов при конструировании колебательных систем затруднено отсутствием ряда точных данных о распространении колебаний в стержнях переменного сечения из чередующихся различных материалов, трудоемко и даже приблизительные расчеты требуют громоздких вычислений, приведенные соотношения используются совместно с графическими зависимостями, полученными в результате практических исследований концентраторов с различными соотношениями параметров l1 lz, l2.Due to the fact that obtaining analytical relations for practical calculations in the design of oscillatory systems is difficult due to the lack of accurate data on the propagation of vibrations in rods of variable cross section from alternating different materials, laborious and even approximate calculations require cumbersome calculations, the above relations are used in conjunction with graphical dependencies, obtained as a result of practical studies of concentrators with different ratios of parameters l 1 l z , l 2 .
Полученные результаты, показывающие зависимость коэффициента усиления сложной ступенчато-экспоненциальной колебательной системы от коэффициентов k1 и k2, определяющих длины входного и выходного участков, представлены на графике фиг.2.The results obtained, showing the dependence of the gain of a complex step-exponential oscillatory system on the coefficients k 1 and k 2 that determine the lengths of the input and output sections, are presented in the graph of figure 2.
При условии равенства коэффициента сужения участка с экспоненциальным или плавным радиусным изменением диаметра сечения от диаметра D до d величине N, меньшей чем 3, максимальный коэффициент усиления системы обеспечивается при k1 = k2 = 1,15...1,2 и по своему значению приближается к коэффициенту усиления ступенчатого концентратора. В случае N > 3 максимальный коэффициент усиления колебательной системы обеспечивается при поправочных коэффициентах k1 и k2, равных l,l и не достигает на практике значений, соответствующих коэффициенту усиления ступенчатого концентратора. При N = 3 коэффициент усиления сложной ступенчато-экспоненциальной колебательной системы достигает 85% коэффициента усиления ступенчатого классического концентратора и падает при дальнейшем увеличении N.Provided that the narrowing coefficient of the section with an exponential or smooth radial change in the diameter of the cross section from diameter D to d of N less than 3 is equal, the maximum gain of the system is provided for k 1 = k 2 = 1.15 ... 1.2 and in its own way value approaches the gain of the stepped hub. In the case of N> 3, the maximum gain of the oscillatory system is provided at correction factors k 1 and k 2 equal to l, l and does not reach in practice the values corresponding to the gain of the step concentrator. At N = 3, the gain of a complex stepwise-exponential oscillatory system reaches 85% of the gain of a stepwise classical concentrator and decreases with a further increase in N.
Приведенные экспериментальные данные показывают, что максимальный коэффициент усиления рассматриваемой колебательной системы достигается при k1 = k2 = k и достаточно хорошо описывается формулой
Можно показать, что в предложенной колебательной системе при диаметре торцевой поверхности рабочей накладки, равном d = 12 мм и диаметре тыльной накладки D = 40 мм (т.е. при использовании наиболее широко применяемых кольцевых пьезоэлементов внешним диаметром 40 мм), разработанная колебательная система обеспечит усиление ультразвуковых колебаний, выработанных пьезоэлементами, не менее чем в 10 раз.The experimental data presented show that the maximum gain of the considered oscillatory system is achieved at k 1 = k 2 = k and is described fairly well by the formula
It can be shown that in the proposed oscillatory system with the diameter of the end surface of the working plate equal to d = 12 mm and the diameter of the back plate D = 40 mm (i.e., using the most widely used ring piezoelectric elements with an external diameter of 40 mm), the developed oscillatory system will provide amplification of ultrasonic vibrations generated by piezoelectric elements, not less than 10 times.
При использовании кольцевых пьезоэлементов с внешним диаметром 50 мм (внутренний диаметр обычно равен 14...20 мм) в предложенной колебательной системе и обеспечении коэффициента усиления 10, диаметр торцевой поверхности рабочей накладки может быть равен 16 мм. When using ring piezoelectric elements with an external diameter of 50 mm (the internal diameter is usually equal to 14 ... 20 mm) in the proposed oscillatory system and providing a gain of 10, the diameter of the end surface of the working plate can be 16 mm.
Подобная колебательная система легко реализуема на практике. Such an oscillatory system is easily implemented in practice.
Таким образом, предложенная ультразвуковая колебательная система, при практически реализуемых размерах отражающей накладки (и, соответственно, пьезоэлементов), позволяет обеспечить высокие значения коэффициента усиления при больших диаметрах рабочего инструмента, то есть обеспечивает расширение технологических возможностей ультразвуковых колебательных систем. Thus, the proposed ultrasonic oscillatory system, with practically feasible dimensions of the reflective lining (and, accordingly, piezoelectric elements), allows to provide high values of the gain at large diameters of the working tool, that is, it provides the expansion of technological capabilities of ultrasonic oscillatory systems.
Длина каждого из участков колебательной системы определяется по приведенным формулам. Изменение диаметра сечения экспоненциального переходного участка определяется уравнением
Dz = D•e-β·z,
где β ln(N/lz) - коэффициент сужения экспоненциального участка.The length of each of the sections of the oscillatory system is determined by the above formulas. The change in the diameter of the cross section of the exponential transition section is determined by the equation
D z = D • e -β · z ,
where β ln (N / l z ) is the narrowing coefficient of the exponential section.
Выполнение второго участка с экспоненциальным изменением диаметра сечения в рассмотренной колебательной системе достаточно сложная и не всегда оправданная технологическая операция. Проведенные экспериментальные исследования по замене экспоненциального изменения диаметра сечения колебательной системы плавным радиусным изменением диаметра показали, что параметры колебательной системы изменяются весьма незначительно (коэффициент усиления снижается не более чем на 5%), а стоимость изготовления колебательной системы снижается существенно (до 30%). The execution of the second section with an exponential change in the diameter of the cross section in the considered oscillatory system is a rather complicated and not always justified technological operation. The experimental studies on replacing the exponential change in the diameter of the cross section of the oscillatory system with a smooth radius change in diameter showed that the parameters of the oscillatory system change very slightly (the gain decreases by no more than 5%), and the manufacturing cost of the oscillatory system decreases significantly (up to 30%).
Длина цилиндрического участка излучающей накладки (концентратор) на практике уменьшается на величину продольного размера рабочего инструмента (в случае выполнения его сменным). The length of the cylindrical portion of the radiating lining (hub) in practice decreases by the size of the longitudinal size of the working tool (if it is interchangeable).
Приведенные практические формулы и рекомендации позволяют легко сконструировать УЗ колебательную систему для любого УЗ технологического аппарата с заданными техническими характеристиками. The given practical formulas and recommendations make it easy to design an ultrasonic vibrating system for any ultrasonic technological apparatus with specified technical characteristics.
Предлагаемая ультразвуковая колебательная система работает следующим образом. При подведении от генератора к электродам пьезоэлементов 4 электрического напряжения в них возникают механические колебания, которые распространяются в колебательной системе и усиливаются за счет того, что образующая тела вращения колебательной системы выполнена в виде непрерывной кусочно-гладкой кривой, описанной выше. При этом обеспечивается коэффициент усиления 
Легко показать, что для получения K=10 в предложенной системе при диаметре торцевой поверхности рабочей накладки, равном d = 20 мм, диаметр тыльной накладки D будет равен 70 мм, т.е. в два раза меньше, чем в рассмотренном выше примере, когда использовался прототип.The proposed ultrasonic oscillatory system operates as follows. When a voltage is applied from the generator to the electrodes of the
It is easy to show that to obtain K = 10 in the proposed system with the diameter of the end surface of the working pad equal to d = 20 mm, the diameter of the back pad D will be 70 mm, i.e. two times less than in the above example, when the prototype was used.
Такая колебательная система легко реализуема на практике: отечественная промышленность выпускает пьезоэлементы нужного размера, значительно уменьшены массогабаритные характеристики, отсутствие радиальных колебаний приводит к увеличению КПД системы. Such an oscillating system is easily implemented in practice: the domestic industry produces piezoelectric elements of the required size, weight and size characteristics are significantly reduced, the absence of radial oscillations leads to an increase in the efficiency of the system.
Таким образом, предложенная ультразвуковая колебательная система при практически реализуемых размерах тыльной накладки, позволяет обеспечивать высокие значения коэффициента усиления при больших поверхностях рабочего инструмента. Это дает возможность расширить технологические возможности колебательной системы и использовать ее для обработки больших поверхностей обрабатываемых материалов. Thus, the proposed ultrasonic oscillatory system with practically feasible dimensions of the back plate, allows to provide high values of gain with large surfaces of the working tool. This makes it possible to expand the technological capabilities of the oscillatory system and use it to process large surfaces of the processed materials.
В настоящее время предложенная ультразвуковая колебательная система прошла всесторонние лабораторные и производственные испытания в составе ультразвуковых технологических аппаратов для интенсификации технологических процессов в жидких средах, ультразвуковых станков для сверления твердых хрупких материалов и сварки полимерных материалов и рекомендована к промышленному внедрения в составе ультразвуковых технологических аппаратов, разрабатываемых Бийским технологическим институтом. Currently, the proposed ultrasonic oscillatory system has undergone comprehensive laboratory and production tests as part of ultrasonic technological devices for the intensification of technological processes in liquid media, ultrasonic machines for drilling brittle brittle materials and welding of polymeric materials and is recommended for industrial implementation as part of the ultrasonic technological devices developed by Biyskiy Institute of Technology.
Claims (1)
l1 = k1 • [c1/ω - 2 • h • (c1/c + 1)];
lz = ln(N);
l2 = k2 • c2/ω,
где с1, с2 - скорости распространения ультразвуковых колебаний в материалах накладок, (м/с);
с - скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале пьезоэлемента, м/с;
ω/2π - рабочая частота колебательной системы, Гц;
h - толщина используемого пьезоэлемента, м;
k1, k2 - коэффициенты, выбираемые из условия обеспечения требуемого (или максимального при k1 - k2) коэффициента усиления К при заданном N, N - D/d, D - максимальный диаметр (диаметр тыльной накладки, соответствующий диаметру используемых пьезоэлектрических элементов), м; d - минимальный диаметр (рабочей накладки на участке соединения с инструментом), м.An ultrasonic oscillating system in the form of a body of revolution, formed by two metal plates and two piezoelectric elements arranged in series and acoustically interconnected between the plates, characterized in that the generatrix of the body of revolution of the oscillating system is made in the form of a continuous piecewise-smooth curve, and the body of revolution consists of three sections: the first is cylindrical, with a length l 1 , the second section with an exponential or smooth radial change in the diameter of the section, length th l z , and the third is cylindrical, with a length of 1 2 , while the piezoelectric elements are located between the exponential and the first cylindrical section, and the lengths of the sections are selected from the conditions:
l 1 = k 1 • [c 1 / ω - 2 • h • (c 1 / c + 1)];
l z = ln (N);
l 2 = k 2 • c 2 / ω,
where s 1 , s 2 - the propagation velocity of ultrasonic vibrations in the materials of the plates, (m / s);
C is the propagation velocity of ultrasonic vibrations in the material of the piezoelectric element, m / s;
ω / 2π - operating frequency of the oscillatory system, Hz;
h is the thickness of the used piezoelectric element, m;
k 1 , k 2 - coefficients selected from the conditions for ensuring the required (or maximum at k 1 - k 2 ) gain K for a given N, N - D / d, D - maximum diameter (diameter of the back plate, corresponding to the diameter of the used piezoelectric elements ), m; d is the minimum diameter (of the working lining at the connection with the tool), m
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU97120873A RU2141386C1 (en) | 1997-12-15 | 1997-12-15 | Ultrasonic oscillation system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU97120873A RU2141386C1 (en) | 1997-12-15 | 1997-12-15 | Ultrasonic oscillation system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU97120873A RU97120873A (en) | 1999-09-27 |
| RU2141386C1 true RU2141386C1 (en) | 1999-11-20 |
Family
ID=20200072
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU97120873A RU2141386C1 (en) | 1997-12-15 | 1997-12-15 | Ultrasonic oscillation system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2141386C1 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2293012C2 (en) * | 2005-04-21 | 2007-02-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Combination method for working openings and apparatus for performing the same |
| RU2311971C1 (en) * | 2006-07-26 | 2007-12-10 | Никольский Константин Николаевич | Acoustic transformer |
| RU2317863C1 (en) * | 2006-06-22 | 2008-02-27 | Государственное учреждение "Институт химии твердого тела" Уральского отделения Российской академии наук | Ultrasound transmitting device |
| RU2446030C2 (en) * | 2010-06-02 | 2012-03-27 | Институт машиноведения и металлургии Дальневосточного отделения Российской академии наук | Device to produce castings |
| RU2730421C1 (en) * | 2019-11-29 | 2020-08-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | High-frequency piezoelectric transducer for ultrasonic coagulation |
| CN116493233A (en) * | 2023-02-28 | 2023-07-28 | 西南交通大学 | Ultrasonic device for complex curved surface ultrasonic vibration assisted CMP |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0667189A2 (en) * | 1994-02-09 | 1995-08-16 | Emerson Electric Co. | Mounting means for vibration member |
-
1997
- 1997-12-15 RU RU97120873A patent/RU2141386C1/en active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0667189A2 (en) * | 1994-02-09 | 1995-08-16 | Emerson Electric Co. | Mounting means for vibration member |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| A1, 30.10.88. 4. 243980 A, 14.05.69. 5. 2343519 A1, 11.11.77. 6. * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2293012C2 (en) * | 2005-04-21 | 2007-02-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Combination method for working openings and apparatus for performing the same |
| RU2317863C1 (en) * | 2006-06-22 | 2008-02-27 | Государственное учреждение "Институт химии твердого тела" Уральского отделения Российской академии наук | Ultrasound transmitting device |
| RU2311971C1 (en) * | 2006-07-26 | 2007-12-10 | Никольский Константин Николаевич | Acoustic transformer |
| RU2446030C2 (en) * | 2010-06-02 | 2012-03-27 | Институт машиноведения и металлургии Дальневосточного отделения Российской академии наук | Device to produce castings |
| RU2730421C1 (en) * | 2019-11-29 | 2020-08-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | High-frequency piezoelectric transducer for ultrasonic coagulation |
| CN116493233A (en) * | 2023-02-28 | 2023-07-28 | 西南交通大学 | Ultrasonic device for complex curved surface ultrasonic vibration assisted CMP |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Peshkovsky et al. | Matching a transducer to water at cavitation: Acoustic horn design principles | |
| US20060090956A1 (en) | Ultrasonic rod waveguide-radiator | |
| US3368085A (en) | Sonic transducer | |
| US10702889B2 (en) | Modular, submersible ultrasonic tubular transducer | |
| JP3278846B2 (en) | Modular unit for tubular sonicator | |
| US3546498A (en) | Curved sonic transmission line | |
| Lu et al. | A new topological structure for the Langevin-type ultrasonic transducer | |
| Li et al. | A novel large thrust-weight ratio V-shaped linear ultrasonic motor with a flexible joint | |
| Khmelev et al. | Summation of high-frequency Langevin transducers vibrations for increasing of ultrasonic radiator power | |
| RU2332266C1 (en) | Ultrasonic vibration system | |
| Gallego-Juárez et al. | A macrosonic system for industrial processing | |
| RU2141386C1 (en) | Ultrasonic oscillation system | |
| Zhou | The performance and design of ultrasonic vibration system for flexural mode | |
| Field et al. | Design and implementation of an efficient acoustically levitated drop reactor for in stillo measurements | |
| Baraya et al. | Design of an electromechanical system for measuring and monitoring micro-ultrasonic amplitude of Langevin transducer | |
| Xu et al. | A 2D dual-mode composite ultrasonic transducer excited by a single piezoceramic stack | |
| JPH09103740A (en) | Drive structure for ultrasonic sealing device | |
| Yu et al. | A modal sensor integrated circular cylindrical wedge wave ultrasonic motor | |
| Juang et al. | A new disc-type ultrasonic motor | |
| RU2185896C1 (en) | Ultrasonic device (its variants) | |
| RU2248850C1 (en) | Ultrasonic device | |
| Iula et al. | A power transducer system for the ultrasonic lubrication of the continuous steel casting | |
| RU2323774C1 (en) | Hypersonic chemical reactor | |
| RU2284228C1 (en) | Ultrasonic oscillating system | |
| RU2345505C2 (en) | Ultrasonic magnetostrictor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL: 32-1999 FOR TAG: (73) |
|
| QB4A | License on use of patent |
Effective date: 20111222 Free format text: LICENCE |