Рис. 3.2. Полуволновая колебательная система и распределение амплитуд колебаний А и действующих напряжений F.

В этом слу-чае удается обеспечить минимально возможные продольный размер и массу УЗ колебательной системы, а также уменьшить число механических соединений.

Недостатком такой колебательной системы является соединение 1феобразователя с концентратором в плоскости наибольших механических напряжений. Однако этот недостаток, как будет показано далее, удается частично устранить путем смещения активного элемента преобразователя от точки максиматьнькс действующих напряжений.

УЗ колебания высокой интенсивиости в технологических аппаратах создаются при помощи магнитострикционных и

ш>езоэлектрических преобразователей.

Магнитострикционные преобразователи способны обеспечить большие мощности излучения УЗ колебаний, однако требуют применения принудительного водяного охлаждения. Это делает их непригодными для использования в многофункциональных малогабаритных аппаратах широкого применения.

Пьезокерамические материалы характеризуются очень высокой рабочей температурой (более 200 градусов Цельсия) и поэтому использутотся без принудительного охлаждения.

Поэтому, преобразователи мощностью до 1 кВт, как правило, изготавливаются из искусственных пьезокерамических материалов на основе цирконата - титаната свинца с различньшн добавками.

Современные пьезокерамические материаты (типа ПКР - 8М. ЦТС - . 24), созданные специально для использования в высокоинтенсивных технологических установках по своим мощностным характеристика не уступают магнитострикционным материалам, а по ОТД значительно превосходят их.

Кроме того, из пьезокерамики могут быть изготовлены пьезоэлементы практически любой формы - круглые диски, квадратные пластины, кольца и др. Поскольку пьезокерамические элементы при изготовлении подвергаются специатьной технологической операции -поляризации в электрическо.м поле с напряженностью около 5 кВ/мм, изготовление пьезоэлементов диаметром более 70 мм и толщиной более 30 мм технологически невозможно и поэтому на практике они не применяются.

Из пьезокерамики изготавливаются круглые пластины и кольцевые элементы имеющие размеры, представленные в таблице 3.1.

3.1. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Продольный размер пьезоэлемента (его толщина), определяется свойствами материала и заданной рабочей частотой. При использовании пьезоматериалов типа ЦТС или ПКР, характеризуемьрс скоростью распространения продольных УЗ колебаний > 3500 м/с, полуволновой резонансный преобразователь на частоту 22 кГц будет иметь продольный размер, равный

Л = ся/со = 8 см

Пьезоэлементы такой толщины ие изготавливаются и на практике не могут быть использованы.

Поэтому, в УЗ колебательных системах, вьшолненных -на основе пьезокерамических материалов применяются преобразователи типа «сэндвич», предложенные Ланжевеном. Такие преобразователи состоят из двух металлических накладок цилиндрической формы, между которыми закреплен активный элемент из пьезокерамики. Металлические накладки действуют как добавочные массы и определяют резонансную частоту преобразователя. Возбуждение активного элемента осуществляется таким образо.м, что вся система работает как полуволновой резонансный преобразователь.

Типичная схема полуволнового преобразователя показана на рис 3.3. Преобразователь состоит из двух пьезокерамических кольцевых элементов 1, излучающей накладки 2, отражающей накладки 3, прокладок из мягкой проводящей фольги 4 и стягивающего болта 5. Для электрической изоляции внутренней цилиндрической поверхности пьезоэлементов от металлического стягивающего болта применяется юолирутащая втулка 6.

РисЗ. 3. Полуволновой пьезоэлектрический преобразователь

Поверхности соединения пьезоэлементов и нактадок при сборке преобразователей тщательно притираются. Стягивающий бо.тг и мягкие (обычно - медные) прокладки обеспечивают прочное механическое соединение. Создание предварительного механического напряжения в пьезоэлементах (более 20 мПа/см) позволяет повысить эффективность рабогьг преобразователя. Для создания необходимых стягивающих усилий используются стягивающие болты М12.,.М18 с мелкой резьбой. Необходимость использования болтов указанных диаметров обуславливает необходтюсть применения в преобразователях кольцевых J пьезоэлементов с внутренним диаметром более 14 мм (с учетом необходимости применения изолирующих втулок).

Медь под действием стягивающих давлений растекается, заполняет микронеровности поверхностей пьезоэлементов и накладок и тем самым обеспечивает надежный акустический контакт. Для снижения напряжения возбуждения, питающего УЗ преобразователь, а также для обеспечения возможности заземления верхней и нижней накладок, активный элемент собирается из двух пьезоэлементов одинаковой толщины. Пьезоэлементы установлены таким образом, что их вектора поляризации направлены встречно. При этом необходимое напряжение возбуждения сшжается в два раза, а сопротивление преобразователя на резонансной частоте составляет четвертую часть сопротивления преобразователя с одной пластиной.

На эффективность работы преобразователя влияет положение пьезоэлементов в системе (в узловой плоскйсти, в пучности или при промежуточном положении между узлом и пучностью колебаний), лщина пьезоэлементов, соотношение удельных волновых сопротивлений

Таблица 3.1. Типоразмеры изготавливаемых пьезоэлементов

3.2, СОГЛАСОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СО СРЕДОЙ

Максимальная амплитуда колебаний пьезоэлектрических преобразователей даже в резонансном режиме небольшая (обычно не более 3... 10 мкм). Поэтому для увеличения амплитуды колебаний рафчего инстру.мента и согласования преобразователя с нагрузкой (обрабатываемой средой) применяются УЗ концентраторы. Для получення

высокого электроакустического КПД необходимо, что бы отношение сопротивления обрабатываемой среды (отношение излучаемой акустической мощности к квадрату колебательной скорости) к внутреннему сопротивлению преобразователя приблизительно соответствовало 10. На практике преобразователи при интенсивности 3 10 вт/см имеют это отношение равным 0,65....0,85 [ 2 ].

Поэтому максимальная эффективность согласования преобразователя с обрабатьтаемой средой обеспечивается при использовании концентраторов с коэффициентом усиления, приблизительно равным 10 (точнее от 12 до 15).

Концентраторы представляют собой цилиндрические стержни переменного сечения, вьшолненные из металлов. По форме образующей концентраторы подразделяются на конусные, экспоненциальные, катеноидальные и ступенчатые [16 ]. Внешний вид концентраторов, а также распределения амплитуд колебаний и механических напряжений показаны на рис. 3.4.

Как следует из рис.3.4. наиболее выгодными в отношении возможности получения значите.тьиых амплитуд смещений при матой нагрузке являются ступенчатые концентраторы [16], у которых коэффициент усиления амплитуды равен отношению площадей входного и выходного сечения (т.е. квадрату отношения диаметров выходного и входного сечений). Но в отношении способности согласования йреобразователя со средой такие концентраторы значительно уступают коническим, экспоненциатьньш и катеноидальным.

УЗ колебательная система со стуненчатьш концентратором характеризуется узкой полосой рабочих частот и, следовательно, очень ограниченной возможностью подстройки по частоте при изменениях нагрузки. Незначительные отклонения резонансной частоты колебательной системы от резонансной частоты ступенчатого концентратора приводят к резкому возрастанию входного сопротивления и, следовательно, к снижению эффективности всей колебательной системы.

Большие механические напряжения, возникающие в зоне перехода между участками различного диаметра при работе с амплитудами более 20 мкм обуславливают сильный нагрев концентратора и. как следствие, значительные изменения частоты колебаний системы. Поэтому ступенчатые концентраторы не обладают достаточной прочностью и срок их эксплуатации очень мал из-за появления усталостных трещин [11].

(произведения плотности материала на скорость расщххлранения УЗ

колебаний в ием) пьезоэлементов и накладок.

Наиболее тяжелые условия по прочностным характеристикам создаются при расположении пьезоэлементов в узловой плоскости колебаний, т.е. в плоскости максимальных механических напряжений. Удельная мощность изл:1ения преобразователя в этом слу-чае ограничивается прочностью пьезоматериала. Помещение пьезоэлементов в конце преобразователя (в пучности колебаний) дает возможность получить максимальный КПД. Уменьшаются механические напряжеши в рабочем сечении, что позволяет увеличить подводимую к пьезоэлементам мощность электрического сщнала. Однако высокое входное сопротивление преобразователя в этом случае требует значительного повьппения питающего напряжения, что для многофутпщиональных аппаратов, используемых в частности, в бытовых условиях, нежелательно.

Большое значение при использовании преобразователей с пьезокерамическими активными элементами имеет стабильность их работы. Потери в пьезоматериате, накладках, опорах приводят к собственномл нагреву преобразователя. Кроме того, в ходе технологического процесса происходит нагрев обрабатываемьгх материалов, изменение внешней нагрузки за счет изменения свойств обрабатьшаемых материалов. Эти дестабилизирующие факторы приводят к изменению резонансной частоты преобразователя, его входного сопротивления и излучаемой мощности.

Влияние этих дестабилизщщих факторов оказывается максимальным при расположении пьезоэлементов в узловой плоскости [16].

Оптимальным вариантом работы составного преобразователя является размещение пьезоэлементов между узловой плоскостью и торцом отражающей накладки. При этом получаются промежуточные усредненные условия по прочности пьезоматериата, КПД и стабильности работы преобразователя.