DK150245B - Ultralydsforstaever - Google Patents

Description

i 150245

Opfindelsen vedrører en ultralydtransor især til forstøvning af brændstof og af den i krav l's indledning angivne art, som f.eks. også er angivet i USA patentbeskrivelse nr. 4 153 201.

5 Som det vil fremgå, kan forstøvningseffektiviteten af en elektromekanisk ultralydstransor af spids-typen forbedres ved at forsyne spidsen med en ende med forøget diameter i form af en stiv flange, og spredningsmønsteret og spredningstætheden kan påvirkes af den geometriske form 10 for den flange-lignende forstøvningsoverflade. For eksempel vil en plan flade vinkelret på spidsens akse frembringe et bestemt mønster og tæthed for den udsendte tåge. Hvis overfladen har en konveks krumning, vil spredningsmønsteret blive bredere, og der vil findes færre forstøvningspartikler 15 per tværsnitsareal, end det er tilfældet ved en plan overflade. En konkav overflade vil medføre en indsnævring af spredningsmønsteret, og tætheden af partikler vil være større end det er tilfældet ved en plan overflade.

Ved anvendelser, hvor en ultralydstransor af den angivne 20 art benyttes til at forstøve brændstof i en brænder, er det ofte ønskeligt at kunne frembringe en bredvinklet kegleformet spraytåge, som typisk har en topvinkel på ca.

60°. Forstøvere med en sfærisk konveks forstøvningsoverflade har imidlertid ikke vist sig at kunne frembringe et til-25 fredsstillende udstrålingsmønster. Prøveforsøg har vist en spredningsvinkel, som kun er ca. det halve af den ønskede vinkel. Endvidere har en transorende med en stiv flange og sfærisk konveks forstøvningsoverflade vist sig at være vanskelig at drive, idet den kræver store effektstød for at 30 forstøve brændslet. En sådan ustabil virkemåde kan ikke accepteres for en brændstofforstøver til huse eller fabrikker.

På den anden side har transorer ved en stiv flange-formet 2 150245 ende med plan forstøvningsoverflade vist sig at arbejde stabilt og effektivt, men det frembragte spraymønster er ikke tilstrækkeligt bredt til at medføre en god blanding med den indsugede luft og medfører ikke en tilfredsstillen-5 de flamme i traditionelle brændere af højtrykstypen.

Formålet med opfindelsen er at angive en ultralydsforstøver, som har en forstøvningsoverflade, der medfører et stabilt, kegleformet spraymønster med en forudbestemt keglevinkel og en ensartet fordeling af forstøvningspartikler-10 ne fra i det væsentlige hele forstøvningsoverfladen.

Dette formål opnås ved en ultralydsforstøver af den i· krav l's indledning angivne art, når forstøvnings-overfladen er udformet som angivet i krav 11 s kendetegnende del.

15 Fortrinsvis udgør den kegleformede forstøvningsoverflade overfladen på en stiv flange, som har en diameter, der er større end diameteren for spidsen, og den væske, som skal forstøves, overføres gennem en kanal, som strækker sig aksialt gennem spidsen og skærer en radialt gående 20 kanal, som er beliggende tilnærmelsesvis i et svingningsknudeplan for transoren. Den kombinerede længde af spidsen med reduceret diameter og den flange-lignende ende bør være mindre end i af en teoretisk bølgelængde i transorens materiale ved arbejdsfrekvensen, og de relative længder for 25 spidsen og enden bør være bestemt på basis af disses respektive diametre, således at svingningsamplituden maksimeres ved forstøvningsoverfladen. For optimale spids- og endelængder, som kan findes ved løsning af grundlæggende bølgeligninger, kan der for en konisk ende opnås svingsnings-30 amplituder, som er lig med ca. 97% af den maksimale amplitude, som kan opnås med en simpel, cylindrisk spids, således at der kan opnås en væsentlig forøgelse af forstøvnings-overfladens areal, uden at svingningsamplituden reduceres 3 150245 nævneværdigt.

Opfindelsen vil blive nærmere forklaret ved den følgende beskrivelse af en udførelsesform, idet der henvises til tegningen, hvor 5 fig. 1 viser et billede dels fra siden og dels i snit af en udførelsesform for ultralydsforstøveren ifølge opfindelsen, fig. 2 viser et forstørret sidebillede af den på fig. 1 viste spids og flange-formede ende, medens fig. 3 viser 10 en graf for længdesvingningsamplituden i forhold til afstanden langs forstærkningsspidsen for ultralydsforstøveren ifølge opfindelsen.

På fig. 1 er vist en elektromekanisk ultralydstransor 11, som omfatter en elektrodeskive 12, der er beliggende mel-15 lem et par piezoelektriske skiver 13 og 14, som selv er beliggende mellem en forreste forstøvningssektion 15 og en bageste sektion 16. For- og bagsektionerne er forsynet med flanger henholdsvis 17 og 18, således at transoren kan samles ved hjælp af skruer 19, som indføres gennem flugtende 20 huller i flangerne 17 og 18, hvor skruerne strækker sig gennem forseglingsringe 20 og 21 og gennem elektrodeskiven 12 for samvirkning med gevindskårne huller i en monteringsplade 22.

For at forhindre kortslutning af transoren er skruerne 19 25 omgivet af med flanger forsynede isolationsbøsninger 23, hvor skruerne passerer gennem hullerne i elektrodeskiven.

På toppen af elektrodeskiven findes en klemme 24 til forbindelse med et kabel 25 fra en konventionel strømforsyning 26 for ultralydsfrekvens. Da monteringspladen 22 typisk er 30 en del af eller er forbundet til et elektrisk jordet appa- 4 150245 rat, såsom en brænder, er alle transorens dele, bortset fra elektrodeskiven jordet, hvorved der tilvejebringes en returvej for strømforsyningen. Der frembringes således en alternerende spænding ved en forudbestemt ultralyds-5 frekvens over de to piezoelektriske skiver, dvs. mellem elektrodeskiven og henholdsvis for- og bagsektionen.

Transorens forstøvningssektioner 15 har i flangen 17 en radial indføringskanal 27, som skærer en aksial afgangskanal 28, som strækker sig gennem frontsektionen til en 10 åbning i midten af en forstøvningsflade 29. Ved hjælp af et forsyningsrør 30 overføres der væske såsom brændstof fra et reservoir 31 til den radiale indføringskanal, idet røret 30 er forbundet til et kort rør 32, som har forbindelse til kanalen 27. Brændstoffet kan også indføres på 15 anden, konventionel måde.

Funktionsmæssigt omfatter transoren 11 et symmetrisk dobbelt attrap ultralydsdrivorgan I og en svingningsforstærker II. Drivorganet omfatter elektrodeskiven 12, de to piezoelektriske elementer 13 og 14, bag-attrapsektionen 16 20 og en del 33 af den forreste forstøvningssektion 15, der har samme dimension som den bageste attrapsektion 16. Delen 33 af den forreste forstøvningssektion 15 udgør en forreste attrapsektion, som i det væsentlige svarer til den bageste attrapsektion.

25 Den øvrige del af den forreste forstøvningssektion 15 udgør svingningsforstærkeren II, som omfatter en første cylindrisk del 34, som har samme diameter som delen 33, og som har en længde A, og omfatter en anden cylindrisk del 35 i form af en spids med en længde B og med en diameter, 30 som er væsentlig mindre end diameteren for delen 34, som omfatter en trejde del 36 i form af en med flange forsynet ende, hvis diameter er større end spidsens diameter men er t 5 150245 •væsentligt mindre end diameteren for delen 34. Enden har en længde C. Fortrinsvis er det indre af afgangskanalen 28, i det mindste i afgangsdelen, som svarer til forstærkningssektionen II, forsynet med en afkoblingsbøsning 37» der 5 er fremstillet af materiale med en stærk dæmpningskarakteristik ved ultralydsfrekvenser. Fortrinsvis benyttes poly-tetrafluorethylen, fordi det også er modstandsdygtigt over for kulbrinte-brændstof og over for de fleste andre væsker, som det kan have interesse at forstøve.

10 Selv om svingningsforstærkeren II er en sammenhængende del af den forreste forstøvningssektion, foretrækkes det, for at få den bedste funktion, at konstruere transoren i to trin. I det første trin samles en prøvetransor, som er identisk med drivdelen I for den endelige transor, dvs. der 15 fremstilles en længdesymmetrisk dobbelt attraptransor.

Længden af prøvetransoren beregnes til at være lig med halvdelen af en bølgelængde 'K ved en valgt arbejdsfrekvens f i henhold til ligningen: λ= c/f, hvor c er lydhastigheden i det materiale, som er valgt til 20 for- og bagsektionerne. Dette materiale bør have gode egenskaber med hensyn til akustisk ledning. Eksempler på sådanne materialer kan være aluminium, titanium, magnesium, og legeringer deraf, såsom Ti-6A1-4V titaniumaluminiumslege-. ring, 6061-T6 aluminiumslegering, 7025 aluminiumslegering 25 med høj trækstyrke, AZ61 magnesiumlegering, men der kan også benyttes andre materialer.

Prøvetransoren afprøves herefter for at bestemme den aktuelle resonansfrekvens. Da længden er beregnet på basis af en ren længdesvingning i en homogen cylinder med konstant 30 diameter, jfr. for- og bagsektionen, er der i beregningen ikke taget hensyn til virkningen af flangerne, bærepladen, monteringsskruerne, de forskellige materialeegenskaber for 6 150245 elektrodeskiven og piezoelektriske elementer, forseglingsringene, unøjagtig tilpasning mellem de forskellige dele, brændselstilgangen samt andre afvigelser fra den teoretiske model. Disse virkninger er vanskelige og i de fleste tilfæl-5 de umulige at forudse og medfører en forskydning af den aktuelle resonansfrekvens i forhold til den teoretiske resonansfrekvens. Ved at benytte den eksperimentelt bestemte resonansfrekvens som arbejdsfr ekven s en for forstøvningsorganet, opnås et drivorgan, som arbejder opti-10 malt.

En mere nøjagtig forudbestemmelse af den aktuelle resonansfrekvens for det dobbelte attrapdrivorgan kan opnås ved at tage hensyn til, at organet er opdelt i kvarte bølgelængder og således sammensat af tre cylindriske elementer 15 med forskellig diameter, massetæthed og lydhastighed svarende til henholdsvis det piezoelektriske element, flangen og delen med mindre diameter. Med givne dimensioner for det piezoelektriske element og for flangen kan længden af delen med mindre diameter opnås ved. at løse den velkendte 20 differens bølgeligning med den betingelse, at sektionens -elektrodeende er beliggende i et knudeplan (ingen forskydning), og at den anden ende af attrapdelen er beliggende i et antiknudepunkt (ingen spænding).

I det andet trin fremstilles en ny forreste forstøvnings-25 sektion, som omfatter en aftrappet forstærkningssektion, hvor længden A og længden B plus C begge er beregnet til at bære en kvart bølgelængde af den empirisk bestemte arbejds-frekvens, som blev bestemt i det første trin. Da forstærkningssektionen omfatter et enkelt, homogent materiale og 30 har en simpel geometri, vil længderne A, B og C, som er bestemt ved at løse bølgeligningen, medføre en sektion med en resonansfrekvens, som ligger meget tæt på den ar-bejdsfrekvens, som benyttes i beregningerne. Ved med andre ord at opdele transoren i-en balanceret drivdel I, hvis 35 resonansfrekvens kun kan bestemmes nøjagtig ved eksperiment, 7 150245 og i en forstærkningssektion, hvis resonansfrekvens kan forudsiges teoretisk med stor nøjagtighed, kan der fremstilles en fuldstændig forstøvningstransor med indbyrdes tilpassede driv- og forstærkningssektioner, som arbejder 5 optimalt.

Den ovenfor beskrevne metode til fremstilling af transoren er angivet i beskrivelsen til USA patent nr. 4 153 201, hvor det også er angivet det hensigtsmæssige i at benytte en stiv forstøvningsende med flange i enden af forstærk-10 ningsspidsen, og det er angivet, at de bedste resultater opnås, når den kombinerede længde af spidsen og enden (dvs. B + C) er mindre end længden A for den del af forstærkningssektionen, som har større diameter.

Grunden hertil er, at den stive med flange forsynede ende 15 medfører en massekoncentration for enden af spidsen, hvil ket medfører en ændring af beliggenheden for planet med maksimal svingningsamplitude, sammenlignet med, hvad der er tilfældet for en almindelig spids uden en forstørret ende.

20 I det ovennævnte patentskrift er der foretrukket en plan forstøvningsoverflade, som står vinkelret på spidsens akse, fordi alle områder af en sådan overflade vibrerer med ens amplitude, hvis spidsen er stiv ved transorens arbejds-frekvens. Det er også foreslået, at forstøvningsoverfladen 25 kunne være konvekst afrundet i tilfælde, hvor der ønskes en større spredning af forstøvningspartiklerne. Efterfølgende prøver har imidlertid vist, at en sådan konveks forstøvningsoverflade ikke er tilfredsstillende.

Under forsøg med en konveks forstøvningsoverflade blev det 30 fundet, at væskeforstøvningen var begrænset til et ringformet område umiddelbart op til afgangskanalen for væsken, og hvor forstøvningsoverfladen var i det væsentlige vinkelret på spidsens akse. I de radialt ydre områder, hvor den kon- 8 150245 vekse forstøvningsoverflade danner en større vinkel med planet vinkelret på spidsen, var væskeforstøvningen meget ringe. Det vil deraf kunne sluttes, at en skrå overflade ikke vil være effektiv til forstøvning af en væske i et 5. stort vinkelområde.

Det "blev imidlertid overraskende konstateret, at en konisk eller en keglestubformet forstøvningsoverflade ifølge opfindelsen medførte fremragende resultater. Forsøg har vist, at væsken forstøves fra hele den koniske overflade, og at 10 den forstøvede væske afgives tilnærmelsesvis vinkelret på den koniske overflade. Der kan derfor opnås en hvilken som helst ønsket topvinkel for væsketågen ved at vælge en konisk forstøvningsoverflade, hvis topvinkel er suplement til den førstnævnte vinkel. F.eks. vil en konisk forstøv-15 ningsoverflade med en topvinkel på 120° frembringe en tåge med en spredningsvinkel på 60°.

På fig. 2 er vist et sidebillede af den ydre ende af for-stærkningsdelen fra den på fig. 1 viste transor, hvor der kan ses en keglestubformet forstøvningsende ifølge opfin-20 delsen.

I tilfælde af en plan forstøvningsoverflade medfører en med flange forsynet ende bedre resultater, fordi forstøvningsarealet forøges. Det er lige så vigtigt, at flangen er stiv.

Den ydre kant af den keglestubformede overflade 29 bør der-25’ for være understøttet af en kort, cylindrisk basisdel 38.

Længden af basisdelen skal kun netop være tilstrækkelig til at medføre den nødvendige stivhed for at sikre, at forstøvningsoverfladen vibrerer ensartet og ikke udbøjer ved · transorens arbejdsfrekvens, idet det ønskes at holde massen 30 af den med flange forsynede ende så lille som mulig for en given diameter og keglevinkel.

9 150245

Da den totale længde af spidsen og enden har en kritisk virkning på svingningsamplituden for den forstøvede overflade, er det meget vigtigt, at længden B for spidsen 35 og længden C for enden 36 bestemmes så nøjagtigt som mu-5 ligt. I tilfælde af en spids med en plan flangeende, er grænsebetingelserne for differensbølgeligningen simple, og der kan derfor let opnås en analytisk løsning af ligningen. I tilfælde af en cylindrisk flangeende med en plan forstøvningsoverflade er den følgende relation mellem læng-10 deme B og C bestemt analytisk: ( tan kB ) ( tan kC ) = hvor k = 2 7rf/c 51 = tværsnitsarealet for spidsen 52 = tværsnitsarealet for flangen

Den analytiske løsning for en konisk ende er væsentligt mere kompliceret, end det er tilfældet for en cylindrisk ende, fordi endediametren ikke er konstant, regnet i længderetningen. Det er heller ikke fundet hensigtsmæssigt at 15 benytte ligningen for den cylindriske ende og antage, at den koniske ende kan opfattes som en "ækvivalent” cylinder.

Ved den ovennævnte tilnærmelse går man ud fra, at den relative masse for spidsen og enden er de faktorer, som har haft indvirkning på de respektive længder. En konisk ende med 20 samme masse som en "ækvivalent" cylindrisk ende skulle der-· for have en ækvivalent svingningsamplitude. En konisk ende med dimensioner baseret på denne antagelse har imidlertid vist sig ikke at medføre en tilfredsstillende tåge. Dette forhold tilsammen med det lige så utilfredsstillende resul- 150245 ίο tat af den ovennævnte prøve af en transor med en sfærisk konveks ende, antyder, at der ikke kan opnås tilfredsstillende forstøvning med en vinkeloverflade.

Det har imidlertid overraskende vist sig, at der kan opnås 5 god forstøvning med en konisk ende, der har dimensioner, som svarer nøjagtigt til en analytisk løsning. Dette forhold demonstrerer klart den kritiske virkning, som selv små dimensionsændringer kan medføre i forbindelse med forstøvningsegenskaber i tilfælde af en konisk forstøvnings-10 overflade.

I det følgende vil der nu blive beskrevet en analytisk teknik til tilvejebringelse af passende dimensioner for de tre dele af en kvartbølgeforstærkningssektion, hvor enden er forsynet med en flange, som har en keglestubfor-15 met forstøvningsoverflade.

På fig. 3 er spidsen med reduceret diameter og den kegle-stubformede ende fra den på fig. 2 viste forstærkningssektion vist tilnærmelsesvis i skala med en graf for normaliseret svingningsamplitude i forhold til aksial distan-20 ce. Koordinaten x angiver positionen i aksial retning, og r angiver positionen i radial retning. Skillefladerne mellem endens tre dele er angivet x·^, Xg og x^, og overgangen fra den øvrige del af transoren til spidsen med reduceret diameter er beliggende i afstanden 0, medens keglestubbens 25 toppunkt er beliggende ved x^.

11 150245

Den tidsafhængige ligning for udbredelse af længdebølger i et fast stof ved en enkelt frekvens f er fe ) + = 0 (1) 5 hvor er forskydningen fra ligevægt (svarende til svingningsamplituden) i den i th region (i = 0, 1, 2) som funktion af afstanden x; A^(x) er tværsnitsarealet for hver region også som funktion af x, medens k er bølgetallet, som har relation til bølgefrekvensen f og lydudbredelseshastig-10 heden c ved ligningen k = 2 •ff'f /c.

Ligning 1 er gyldig under forudsætning af, at a) der forekommer en bølgeform med en enkelt frekvens med sinusformet karakter, b) tværdimensioner er mindre end en kvart bølgelængde for 15 den valgte frekvens, og c) der hersker elastisk linearitet.

Disse betingelser er til stede i det aktuelle tilfælde.

For hver af de tre regioner er tværsnitsarealet A^(x) A0(x) = tr2 0<x<x (2a)

Aj^x) « nr!* xllxix2 {2b) 2 A2(x) = TTI^ (x4 - x) x2-x~x3 (2c) ~A “ x2'2 12 150245 Bølgeligningerne med relation til disse tre regioner er givet ved A 2 _o + kn0 =o o<x<x, (3a)

2 — — X

dx 2 _+ k^ =0 x-<x<X, (3b) dx2^ 1 1- - 2 d^TV, 2 dri +___ + = 0; X < x < x (3c) dvr u du < i— i

|u = k(x - x4) I

I region 0 og 1, hvor tværsnitsarealerne ikke er funktioner af X, kan arealudtrykket slettes af bølgeligningen. I 5 området 2 er arealet variabelt, således at bølgeligningen antager en helt anderledes form. Selv om keglevinklen ikke forekommer eksplicit i udtrykket, er denne parameter repræ-. senteret ved værdien x^.

Analytiske løsninger til alle de andenordens differential-10 ligninger, som er vist ovenfor, er mulige. Ligningerne (3a) og (3b) har begge simple harmoniske løsninger. Ligning (3c) er standard fra en sfærisk Bessel-funktion af nul’te orden, hvis løsninger J og Y, der betegnes som Bessel-funktioner, af nul’te orden er givet ved t sin u . xr - cos u

Jo “ ~ΊΓ~ · Yo = “Ί3Γ" y 15 hvor formen for de tre løsninger er som følger: nQ(x) = A cos kx + B sin kx 0 < x< x (4a) η^(χ) = A^cos kx + B^sin kx x^£x£x2 (4b) ^2(χ) = A2cos k(x - x4) + B?sin k(x - x&) x - x4 x - x4 ^2—x—x2 {4c) 13 150246 hvor de seks konstanter Aq, A^, A2, Bq, og B2 endnu ikke er kendt, idet deres værdier afhænger af karakteren af grænseværdier i skillefladerne mellem regionerne og ved sektionsenderne.

5 Grænsebetingelseme er som følger: i) ved hver skilleflade mellem regioner (x = Xp x2) skal bølgeamplituden være kontinuert gennem skillefladen, og de tilhørende kræfter, som er frembragt af bølgebevægelsen, skal også være kontinuerte.

10 ii) ved x = 0 skal svingningsamplituden være nul, fordi dette er et knudeplan.

iii) ved spidsekstremiteten (x = x^) skal spændingen høre op, da planet for x^ er et anti-knudepunkt.

Grænsebetingelserne kan udtrykkes ved hjælp af de seks 15 nedenstående ligninger: η0(ο) = 0 (Tilstand ii) (5a) ij0(x1) = 1^(¾) (5b) (Tllstandi) . (5c) ^(xg) - η2(χ2) (5d) 20 = (5e) η2(χ^) = 0 (Tilstand iii) (5f) ' Ved hjælp af disse seks ligninger og løsningerne til differentialligningerne (ligning 3) er det muligt at finde de seks ubekendte konstanter (dvs. A'eme og B’erne). Der 25 findes stadig en frihedsgrad i denne beregning, idet det kun er muligt at bestemme forholdene mellem enhver af de nævnte konstanter. Det er således nødvendigt arbitrært at fastsætte en værdi for en af konstanterne for at kunne beregne resten. Dette forhold giver imidlertid ingen prak-30 tiske vanskeligheder, da det kun er de relative amplituder, som har interesse.

14 150245

Inden beregningen af konstanterne er det nødvendigt at specificere værdierne for x2, x^ og x^ (og også SQ og S^). Det skal imidlertid særligt bemærkes, at længdekoordinat eme ikke er uafhængige af hinanden, men er indbyrdes 5 .sammenhørende ved det krav, at den totale længde skal være lig med en kvart bølgelængde.

Ved at løse de seks grænsebetingelsesligninger (ligning 5) ved i hver af ligningerne at substituere den passende form for bølgeløsning (ligning 3) opnås en 6 x 6 determi-10 nant, som skal sættes lig med nul. Ved løsning af determinanten fremkommer et langt algebraisk udtryk mellem de fire koordinater. Denne relation, som betegnes den karakteristiske ligning, er som følger: tan kx « £o k(af-be)cos k(x2-xi)-(cf-ed)sin k (xj-x^) ^ ^ ^k(af-be)sin k{x2-x^)+ (cf-ed)cos k (x2“Xi) (6) -cos k(x2-x4) · u _ ~s*n kfx^-x^) hvor a = - ' " = - x2-x4 x2“x4 k sin k(x2-x4) + cos k(x2-x4) x2-x4 (x2"x4)2 a -k cos k(x2-x4) + s^-n k(x2~x4) <Vx4)l! hvor e = -(x^-x^) k sin k (x^-x^) -cos k (x^-x^) f = (x^-x^) k cos k (x3-x4) -sin k (x^-x^)

Ved arbitrært at vælge tre ud af de fire koordinater kan 15 den fjerde koordinat beregnes ved at løse den karakteristiske ligning. Det vil kunne indses, at det er logisk at beregne koordinaten x-^ efter at have valgt værdierne for X2-Xl, x3-x2, x4”x3 og cylindretværsnitsarealerne. Det bemærkes, at det er de aktuelle længder, χ2-χι o.s.v., der 20 er angivet i stedet for selve koordinaterne. Disse størrelser er funktionsmæssigt ækvivalent med løsningen til den karakteristiske ligning og medfører en bemærkelses- 150245 15 værdig simplificering.

De følgende krav bør tages i betragtning, når der vælges egnede værdier: a) massen af den med flange forsynede ende skal være så lille, 5 at der undgås en kraftig belastning af forstøvningsaggregatet, b) den koniske overflade skal være stor nok til at medføre et tilstrækkeligt forstøvningsareal ved de ønskede strømningshastigheder, c) keglevinklen skal vælges i overensstemmelse med den ønske-10 de spredningsvinkel, d) ved keglens bund skal der være en cylindrisk del, som har tilstrækkelig tykkelse til at sikre, at hele enden vil svinge som et stift legeme, og e) enden skal nødvendigvis være keglestubformet, for at der 15 opnås en lille plan overflade, som omgiver hullet for afgangsåbningen .

De modstridende krav om stivhed og lav masse er bestemmende for den optimale længde af den cylindriske konusbund x2“xi·

Den ønskede spredningsvinkel fastlægger keglespidsvinklen, 20 og størrelsen af hullet, hvor væsken afgives, bestemmer diametren ved x^. Herefter bestemmes diametren x2 til at medføre det nødvendige forstøvningsoverfladeareal. Topvinklen og diametrene ved x2 og x^ fastlægger derved afstandene Xj-x2 og x4“x^· Herefter er længden x^ for sektio-25 nen med reduceret diameter den eneste ubekendte størrelse.

Værdien for x-^ beregnes ved hjælp af den ovenfor angivne karakteristiske ligning, som antager formen x-L = tan"1 g(x2—x-j^· χ3-χ2,· x^-x^,· Δ0/\ΐ k) (6) hvor g er et algebraisk udtryk, som omfatter trigonometriske funktioner af parametrene.

1S 02 4 5 16

EKSEMPEL

En ultralydsforstøver er konstrueret for en arbejdsfrekvens på 85 kHz, hvor for- og bagsektionerne er fremstillet af aluminium, og de piezoelektriske skiver er fremstillet af bly-zirconium-titanat (PZT), og hvor elektrodeskiven er af 5 hårdt kobber. Da lydhastigheden i aluminium er ca. 5,13 x 105 cm/sek., er en kvart bølgelængde ved arbejdsfrekvensen ca. 1,51 cm.

For at sikre, at transoren i det væsentlige kun udfører længdesvingninger, skal elementernes sidedimensioner være 10 mindre end en kvart bølgelængde. Da forstærkningsfaktoren for spidsen er lig med forholdet mellem tværsnitsarealeme mellem transorkroppen og spidsen, skal spidsdiametren være så lille som muligt, således at der opnås en tilstrækkelig svingningamplitude, som er større end forstøvningstærskel-15 værdien for den benyttede væske. Spidsdiametren er imidlertid nedadtil begrænset ved, at der skal være en tilstrækkelig stor kanal for afgivelse af væsken, og spidsen skal have tilstrækkelig styrke og stivhed til at bære den stive flangeformede ende med det nødvendige forstøvningsover-20 fladeareal, og spidsen må ikke kunne udføre bøjningsbevægelse.

Under forudsætning af de ovennævnte betragtninger blev de følgende transordimensioner valgt med henblik på at give et forstærkningsforhold på ca. otte: 25 PZT krystal - 1,27 cm dia. x 0,25 cm tyk Transorkrop - 1,27 cm dia.

Spids - 0,46 cm dia.

Flangeende - 0,70 cm grundlinjedia.

Når spraykeglens topvinkel ønskes at være 60°, skulle den 30 tilsvarende topvinkel for den kegleformede forstøvningsoverflade være 120°. Længden af den cylindriske grunddel af den kegleformede flange (x2-x1) skulle være ca. 0,05 cm 150245 17 for at sikre, at flangen vibrerer som et stift legeme. I henhold til simpel geometri vil den totale aksiale længde for spidsendens kegleformede flade (x^-Xg) være ca. 0,2 cm.

Den aktuelle flade er keglestubformet med en fladediameter 5 på ca. 0,21 cm. x^-x^ er således 0,06 cm. Dette reducerer den aksiale længde af den keglestubformede overflade (x^-Xg) til ca. 0,14 cm.

De forudbestemte parameterværdier i de karakteristiske ligninger er således 10 x2"xl = 0,051 cm x3-x2 = 0,137 cm x^-x^ = 0,066 cm

Vsi - k = 1,050 om-1 15 Dette medfører, at x^ - 1,230 cm

Et forstøvningsorgan med de ovenstående dimensioner har ved forsøg vist sig at frembringe en spray med rimelig god stabilitet, og hvor væsken blev forstøvet fra størstedelen af 20 forstøvningsoverfladen under en vinkel på ca. 30° i forhold til transorens akse (dvs. en keglespredningsvinkel på 60°, således som det er angivet ved pile X, Y på fig. 2). Foruden at den ønskede spredningsvinkel blev opnået, har den keglestubformede forstøvningsoverflade endvidere kraftigt 25 reduceret omfanget af genforening af de forstøvede dråber til sammenligning med den spray, som afgives fra en plan forstøvningsoverflade, således at der opnås en meget ensartet fordeling. Det omhandlede forstøvningsorgan blev installeret i en traditionel oliebrænder til erstatning for 30 en konventionel højtryksbrænder og medførte en meget god, selvbærende flamme, som forekom meget lig med flammen fra den konventionelle højtryksdyse.

18 150245

De resultater, som blev opnået med forstøvningsorganet i-følge opfindelsen, som er konstrueret i overensstemmelse med den ovenstående analytiske løsning, stod i stærk modsætning til de tidligere beskrevne prøveresultater med et 5 forstøvningsorgan, der har en forstærkningsspids, som er konstrueret under den simplificerende antagelse, at ligningen for en cylindrisk flangeende benyttes. Denne forskel i resultater er forbløffende, eftersom forskellen i den totale længde af spids og ende mellem den approksimerede 10 og teoretisk nøjagtige løsning kun var ca. 10%. Dette understreger, hvor kritisk længdedimensionerne for forstærknings-delen med den koniske ende for ultralydsforstøveren ifølge opfindelsen er.

For at gøre analysen fuldstændig er det ønskeligt at be-15 regne koefficienterne Ai og Bi for løsningerne til ligning (3). Koefficienterne er ikke nødvendige for yderligere dimensionsinformation, men er hensigtsmæssige til forståelse af virkningen af forstærkningssektionens konstruktion. Som tidligere nævnt kan absolutte værdier for disse 20 koefficienter kun opnås, når én af koefficienterne vælges arbitrært. Denne situation er sædvanlig i et system af ligninger af den omhandlede art, hvor løsningerne svarer til utvungne svingninger, dvs. at der ikke påtrykkes endesektionen nogen kraft. 1 2 3 4 5 6

Det er naturligt at tillægge en arbitrær værdi til en af 2 koefficienterne i løsningen for region 0 (ligning 4a), da 3 denne region af forstærkningssektionen udgør koblingen til 4 dysens dobbelt-attrapsektion. Da grænsebetingelsen i lig 5 ning 5a medfører, at AQ = 0, vælges BQ = 1 som den arbi- 6 trære. værdi. De fire øvrige koefficienter kan derefter beregnes ved at substituere ligning 4 i grænseligningeme og løse de resulterende, samtidige ligninger.

Claims (5)

150245 Por det givne system er resultaterne = 0,150938961 = 0,956888663 A2 = 0,000039163 5 B2 = 0,364829648 På fig. 3 er vist en graf for den relative forskydning som funktion af positionen langs forstærkningssektionen. Den relative amplitude er defineret som forholdet mellem den aktuelle amplitude og den amplitude, som ville herske i hvert 10 punkt, hvis forstærkningssektionen var en ensartet cylinder med et tværsnitsareal på w'rQ og med en længde på en kvart bølgelængde. Det bemærkes, at endens tilstedeværelse medfører en amplitudereduktion på kun ca. 3%. Patentkrav: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1. Ultralydsforstøver omfattende drivorganer, som har et 2 udgangsplan til tilvejebringelse af længdesvingningsfor- 3 skydelse ved en forudbestemt ultralydsarbejdsfrekvens og 4 omfattende forstærkningsorganer i form af et aftrappet 5 ultralydshorn med en første cylindrisk del (34), som har 6 en indgangsende, der falder sammen med udgangsplanet for 7 drivorganerne, og hvor længden af den første cylindriske 8 del er lig med en kvart bølgelængde ved den nævnte arbejds- 9 frekvens, og med en anden cylindrisk spidsdel (35), som 10 strækker sig fra den anden ende af den første cylindriske 11 del, og som har en diameter, der er væsentligt mindre end 12 diametren for den første del, og omfattende en med flange 13 (36) forsynet ende ved den ydre ende af den anden, cylin 14 driske spidsdel, hvor diameteren af den flangelignende ende 15 er større end diameteren for spidsdelen, men er mindre end 16 diameteren for den første cylindriske del, hvorhos den flangelignende endes ydre overflade udgør en forstøvningsover- 150265 flade (29), og hvor der findes organer (27, 28, 30 -32) for afgivelse af en væske til forstøvningsoverfladen, hvor væsken forstøves som følge af de af drivorganerne frembragte svingninger, kendetegnet ved, 5 at forstøvningsoverfladen (29) har en konveks, konisk form, hvor aksen for den koniske form er parallel med længdesvingningernes retning, hvorhos topvinklen for den koniske form er supplementvinkel til en forudbestemt spredningstopvinkel for den forstøvede væske.

2. Ultralydsforstøver ifølge krav 1, kendeteg net ved, at organerne for afgivelse af væske til forstøvningsoverfladen omfatter en fremføringskanal (28), som strækker sig aksialt gennem spidsdelen (35) og den med flange (36) forsynede ende, og som udmunder i centrum af 15 forstøvningsoverfladen (29).

3. Ultralydforstøver ifølge krav 2, kendetegnet ved, at forstøvningsoverfladen (29) omfatter en keglestubformet overflade.

4. Oltralydforstøver ifølge krav 3, kendeteg- 20 net ved, at den med flange (36) forsynede ende omfatter en kort cylindrisk del, som er sammenhængende med og har samme diameter som grundfladen for forstøvningskeglen, således at forstøvningsoverfladen afstives til kun at svinge i længderetningen. 1

5. Ultralydsforstøver ifølge krav 1, kendeteg net ved, at den første del (34) af. de svingningsforstærkende organer har en længde A, at spidsdelen har en længde B, at den med flange (36) forsynede ende har en aksial længde G, hvorhos summen af B og C er mindre end A.