FI68986B - Foerfarande foer alstrande av akustiska svaengningar och en akstisk svaengningskaella foer genomfoerande av foerfarande t - Google Patents

Description

1 68986

Menetelmä akustisten värähtelyjen kehittämiseksi ja akustisten värähtelyjen lähde sen toteuttamiseksi

Tekniikan ala 5 Esillä oleva keksintö liittyy ultraäänitekniikkaan ja erityisesti menetelmään akustisten värähtelyjen kehittämiseksi ja akustisten värähtelyjen lähteeseen sen toteuttamiseksi.

Tekninen tausta

Alalla tunnetaan menetelmä akustisten värähtelyjen 10 kehittämiseksi perustuen magnetostriktiomuuttimen iskukiih- dytykseen, jota muutinta on kuvattu GB-patentissa nro 646 882, julkaistu 1950. Tämä menetelmä akustisten värähtelyjen kehittämiseksi koostuu siitä, että ennalta varattu kondensaattori puretaan muuttimen käämin läpi.

15 Tunnetaan myös menetelmä akustisten värähtelyjen ke hittämiseksi, jolloin magnetostriktiomuutinta kiihdytetään sen käämiin syötetyillä virtapulsseilla 3-10 kertaa alhaisemmalla ja magnetostriktiomuuttimen luonnollisen taajuuden monikerran muodostavalla toistotaajuudella, jolloin pulssin 20 kesto ei ylitä i akustisesta värähtelyjaksosta (vertaa SU-keksijäntodistus nro 251 287 päivätty 1.7.1968). Molempien yllä mainittujen menetelmien suoritusmuodoissa käytettyjen kiihdytyssignaalien spektrikoostumus ei aikaansaa muuttimeen sisältyvän materiaalin magnetostriktio-ominaisuuksien täydel-25 listä hyväksikäyttöä, siten tekniikan tason mukaisilla menetelmillä kehitettyjen akustisten värähtelyjen amplitudi ja teho ovat riittämättömät tuotantoprosessien pääosan läpiviemiseen.

Tunnetaan akustisten värähtelyjen pulssilähde (ver-30 taa GB-patentti nro 646 882, julkaistu 1950) , jota käytetään kattilakiven muodostumisen estämiseen lämmönkehitysyksi-köissä. Lähde sisältää magnetostriktiomuuttimen mekaanisen kytkentäelementin, varastokondensaattorin, teholähteen ja pulssien toistotaajuuden ohjausyksikön.

35 Tekniikan tason mukainen lähde käyttää yllä mainit tua menetelmää akustisten värähtelyjen kehittämiseen, jolloin ennalta varattu varastokondensaattori puretaan magne- 2 68986 tostriktiomuuttimen käämin läpi ja sillä on kaikki yllä kuvatun menetelmän haitat. Lisäksi lähteelle on luonteenomaista alhainen vaste ja sen teho on rajoitettu johtuen mekaanisen kytkentäelementin käytöstä lähdepiirissä.

5 Toinen alalla tunnettu akustisten värähtelyjen lähde käsittää teholähteen, pulssin toistotaajuuden ohjausyksikön kytkettynä siihen sen sisääntulon kautta ja varastokonden-saattorin. Magnetostriktiomuuttimen kenttäkäämi on kytketty kondensaattorin levyihin (tyristoria käyttävän) kytkin-10 elementin tehopiirin kautta (vertaa SU-keksijäntodistus nro 575 144, päivätty 5.10.1977). Tällä tekniikan tason mukaisella lähteellä on alhainen teho johtuen magnetostriktiomuuttimen heikosta kiihdytyksestä. Yllä mainitun lähteen magnetostriktiomuuttimen värähtelyamplitudi on rajoitettu 15 staattiseen magnetostriktioarvoon eikä ole korkeampi kuin 1 - 1,14 ^um värähtelytaajuudella 20 kHz. Siten ultraääni-värähtelyjen amplitudia ei voida nostaa lisäämällä muutinta kiihdyttävän sähkösignaalipulssin amplitudia lopullisen tason yläpuolella, joka riippuu annetun materiaalin kylläs-20 tymisestä.

Keksinnön kuvaus Tämän keksinnön kohteena on muodostaa akustisten värähtelyjen kehitysmenetelmä, joka sallii sen materiaalin, josta muuttimen sydän on tehty, magnetostriktio-ominaisuuk-25 sien maksimaalisen hyödyntämisen ja siten lisäyksen akustisten värähtelyjen amplitudissa ja tehossa ja myös muodostaa tämän toteuttamiseksi akustisten värähtelyjen lähteen, jolle on ominaista yksinkertainen rakenne ja suuri tehokkuus .

30 Tämä tavoite on toteutettu siten, että menetelmässä akustisten värähtelyjen kehittämiseksi perustuen magnetostriktiomuuttimen iskukiihdytykseen sähkösignaalipulssilla, keksinnölle tunnusomaisesti sähköinen kiihdytyssignaalipuls-si tuotetaan cosinimuotoisen jännitteen yksisuuntaisten puo-35 liaaltojen muodossa, joiden kesto on yhdestä kahteen kuormitetun muuttimen kehittämien akustisten värähtelyjen puoli-aaltoa toistotaajuudella, joka on akustisten värähtelyjen taajuuden monikerta.

Il 3 68986 Tämän tavoitteen johdosta tässä ehdotetaan akustisten värähtelyjen lähdettä, joka käsittää tehoyksikön, pulssin toistotaajuuden ohjausyksikön ja varastokondensaattorin, jonka levyt on kytkentäelementin tehopiirin kautta kytketty 5 magnetostriktiomuuttimen kenttäkäämiin, joka lähde on keksinnön mukaisesti varustettu ylimääräisellä kenttäkäämillä, joka on sijoitettu magnetostriktiomuuttimelle ja liitetty apuliitäntämenetelmällä pääkenttäkäämiin, lisäkytkentäele-mentin ja kytkentäelementtien ohjausyksikön lisäkenttäkää-10 min ollessa liitettynä sarjaan varastokondensaattorin levyjen kanssa lisäkytkentäelementin tehopiirin ja tehoyksikön kautta ja pulssin toistotaajuuden ohjausyksikön ulostulon ollessa liitettynä kytkentäelementtien ohjausyksikön sisääntuloon, jonka ulostulot on liitetty vastaaviin pää- ja lisä-15 kytkentäelementtien ohjauspiireihin.

Esillä olevan keksinnön mukaisesti toteutettu menetelmä akustisten värähtelyjen kehittämiseksi aikaansaa muut-timen sydänmateriaalin magnetostriktio-ominaisuuksien maksimaalisen hyväksikäytön ja siten akustisten värähtelyjen ke-20 hityksen korkean tehokkuuden.

Keksinnön mukainen akustisten värähtelyjen lähde on piirin rakenteen suhteen yksinkertainen, käyttää elementtejä, joita käytetään laajasti nykyaikaisessa sähkötekniikassa ja muodostaa suuritehoisen ulostulon yhdessä suuren te-25 hokkuuden, korkean luotettavuuden ja korkean toimintasta-biilisuuden kanssa.

Lyhyt piirustusten kuvaus

Esillä oleva keksintö voidaan ymmärtää lähemmin viittaamalla seuraavaan sen erityisen suoritusmuodon selitykseen 30 oheisten piirustusten yhteydessä, joissa: kuvio 1 esittää riippuvuuden magnetostriktiovoiman P ja muuttimen sydämen magnetisoinnin M välillä; kuvio 2 on lohkokaavio akustisten värähtelyjen lähteestä; 35 kuvio 3 (a, b, c, d ja e) esittää sähköisten ja me kaanisten signaalien aaltomuotoja akustisten signaalien lähteen eri piiripisteissä (ajan ollessa X-akselilla).

4 68986

Paras tapa keksinnön toteuttamiseksi

Akustisten värähtelyjen kehitysmenetelmän tarkka luonne sisältyy seuraavaan.

Magnetostriktiomuuttimen käämiä syötetään sähköisel-5 lä kiihdytyssignaalipulssilla cosimuotoisen jännitteen yksisuuntaisen puoliaallon muodoissa. Käämiin kehitetty virta-pulssi synnyttää magneettikentän, joka magnetisoi sydänma-teriaalin sillä tuloksella, että tuotetaan magnetostriktio-voima, joka pyrkii muuttamaan sydämen pituutta. Sydämen pi-10 tuuden vaihtelu ajan suhteen riippuu muuttimen mekaanisten värähtelyjen luonnollisesta taajuudesta ja akusitsesta kuor-mitusimpedanssista ja on luonteeltaan värähtelevä.

Muuttimen mekaanisten värähtelyjen amplitudin lisäämiseksi on tarkoituksenmukaista, että magnetostriktiovoima P

15 kohotetaan lähellä kyllästystilaa P (kuvio 1) olevalle max tasolle.

Koska magnetostriktiovoiman P riippuvuus magnetoin-nista M esitetään P = f (M°*) , missä M on muuttimen sydämen magnetointi ja ot on alueella 1-2 kyllästystilaan asti useim-20 mille magnetostriktiomateriaaleille, cosinimuotoisen jännitteen puoliaallon kestoksi otetaan oC kuormitetun muuttimen tuottamien akustisten värähtelyjen puoliaaltoa.

Magnetostriktiovoiman ollessa lineaarisesti riippuvainen magnetoinnista, cosinimuotoisen jännitteen puoliaal-25 lon kestoksi otetaan kuormitetun muuttimen tuottamien akustisten värähtelyjen yksi puoliaalto.

2

Neliömäinen riippuvuuden P = f (M ) tapauksessa cosinimuotoisen jännitteen puoliaallon kestoksi otetaan kuormitetun muuttimen kehittämien akustisten värähtelyjen kaksi 30 puoliaaltoa.

Jos cosinimuotoisten kiihdytysjännitepulssien kesto säädetään, kuten yllä on selitetty, magnetostriktiomuuttimen luonnollinen taajuus on yhteneväinen magnetostriktion tehospektrin maksimitason kanssa.

35 Sähköpulssin päättyessä ulkoinen magneettikenttä ja siten varsinainen magnetostriktiovoima P katoavat ja muuttimen värähtelyjärjestelmä jatkaa sen mittojen muuttamista 5 68986 siihen varastoidun energian ansiosta. Sydänmateriaali demag-netoituu jäännösmagnetismin tasolle, joka on ekvivalentti jäännösmagnetostriktiovoiman PQ (kuvio 1) kanssa. Kun syötetään seuraavat cosinimuotoisen kiihdytysjännitteen yksisuun-5 täiset pulssit, magnetostriktiovoima vaihtelee alueella P - P . Magnetostriktiokäyrän osuutta P -P', jolle on ominais-max J o o ta alhainen magnetostriktio, ei käytetä.

Sähköisten kiihdytyspulssien taajuus otetaan samaksi kuin kuormitetun muuttimen kehittämien akustisten värähte-10 lyjen taajuus tai niiden monikerraksi sillä tuloksella, että magnetostriktiovoima vaikuttaa tahdissa muuttimen värähtelyjen kanssa. Tällainen toiminta on mahdollinen, koska kukin seuraava cosinimuotoisen jännitteen pulssi syötetään muuttajan käämiin sillä hetkellä, kun muuttaja, joka värähtelee 15 yhdessä kuorman kanssa, on tilassa, joka vastaa siirtymää negatiiviselta alueelta positiiviselle (kuvio 3e). Sydämen värähtelyamplitudi (se on akustisten värähtelyjen amplitudi) kasvaa asteittain. Amplitudi kasvaa pulssista toiseen, kunnes kullakin kerralla muuttimeen lisätty energia tulee 20 yhtä suureksi kuin samana aikana ilmenevät muuttimen säteily- ja häviöenergiat.

Sen jälkeen, kun cosinimuotoisten pulssien syöttö magnetostriktiomuuttimen käämiin on katkaistu, sen värähtelyt asteittain vaimentuvat.

25 Akustisten värähtelyjen kehitysmenetelmän toteuttava akustisten värähtelyjen lähde käsittää keksinnön mukaan magnetostriktiomuuttimen 1 (kuvio 2), pääkäämin 2 ja lisä-käämin 3, joka on sijoitettu sen sydämelle 4 ja liitetty apuliitosmenetelmällä. Pääkäämi 2 on pääkytkentäelementin 5 30 tehopiirin kautta liitetty varastokondensaattorin 6 levyihin. Lähde sisältää myös tehoyksikän 7, joka on lisäkytken-täelementin 8 tehopiirin ja lisäkäämin 3 kautta liitetty kondensaattorin 6 levyihin. Kytkentäelementtien 5 ja 8 oh-jauspiireihin on ulostuloistaan liitetty ohjausyksikkö 9, 35 joka ohjaa kytkentäelementtejä ja joka on yhdestä sisääntulostaan liitetty pulssin toistotaajuusyksikön 10 ulostuloon sen toisen sisääntulon ollessa liitettynä vaiheenkään- 6 68986 töpiirin 11 kautta takaisinkytkentälähettimeen 12. Jälkimmäinen voi olla piezosähköisen tai sähkömagneettisen muuttajan muodossa, joka on mekaanisesti kytketty sydämeen 4. Kyt-kentäelementit 5 ja 8 voivat olla hilatyristorien muodossa.

5 Pulssin toistotaajuuden ohjausyksikkö 10 voi olla ripustettu itsevärähtelevän oskillaattorin tai ulkopuolelta Hipaistavan monostabiilin multivibraattorin ympärille.

Kytkentäelementtien ohjausyksikkö 9 voi olla kiinnitetty symmetrisen monostabiilin multivibraattorin ympärille, 10 joka on tahdistettu takaisinkytkentälähettimen 12 syöttämällä signaalilla.

Magnetostriktiomuuttimen 1 värähtelyn aikana takai-sinkytkentälähetin 12 tuottaa sähköisen signaalin vastaten muuttimen 1 mekaanisia värähtelyjä.

15 Jos kytkentäelementtien ohjausyksikön 9 kehittämien ohjauspulssien taajuus osuu yhteen kuormitetun muuttimen 1 luonnollisen taajuuden kanssa, vaiheenkääntöpiirin 11 ulostulosta syötetty tahdistussignaali ei vaikuta ohjauspulssien toistotaajuuteen. Jos ohjauspulssien toistotaajuus eroaa 20 kuormitetun muuttimen 1 luonnollisesta värähtelytaajuudesta, vaiheenkääntöpiirin 11 ulostulosta johdettu signaali muuttaa sopivasti ohjauspulssin toistotaajuutta ja siten sallii magnetostriktiomuuttimen 1 toimia resonanssitaajuudellaan ja säteillä maksimimäärä akustista energiaa.

25 Akustisten värähtelyjen lähde toimii seuraavasti.

Pulssin toistotaajuuden ohjausyksikkö 10 tuottaa pulssin kytkentäelementtien ohjausyksikön 9 liipaisemiseksi. Yksikkö 9 kehittää ohjauspulssin U-^ (kuvio 3a) , joka Hipaisee lisäkytkentäelementin 8 (kuvio 2), joka kytkee varasto-30 kondensaattorin 6 tehoyksikön 7 ulostuloon lisäkäämin 3 kautta. Varastokondensaattori 6 varautuu virralla I (kuvio 3c), joka virtaa tehoyksiköstä 7 (kuvio 2) lisäkytkentäelementin 8 ja muuttimen 1 käämin 3 kautta. Varautuminen on luonnostaan oskilloiva ja jännitteen (kuvio 3d) vaihtelu 35 muuttimen 1 käämien 2 ja 3 yli on likimain cosinimuotoinen. Sydämen 4 magnetostriktiomateriaalissa kehitetty tuloksena oleva voima P saa muuttimen 1 värähtelyjärjestelmän toimin-

II

7 68986 taan. Voimakkaimmat värähtelyt esiintyvät taajuuksilla lähellä luonnollisia taajuuksia, jotka riippuvat ekvivalentti-massasta, muuttimen 1 elastisuudesta ja kuormitusimpedans-sista. Akustisten värähtelyjen amplitudin lisäämiseksi säh-5 köisen kiihdytyspulssin (kuviot 3c, d) kesto, joka riippuu varastokondensaattorin 6 kapasitanssista ja toisen käämin 2 tai 3 (kuvio 2) induktanssista ottaen huomioon magnetostrik-tio-ominaisuuden epälineaarisen luonteen ja muuttimen mekaanisen puolen vaikutukset sähköiseen puoleen transienttipro-10 sessissa, on valittu alueelta 1-2 kuormitetun muuttimen re-sonanssitaajuuden puolijaksoa. Sillä hetkellä, kun virta I (kuvio 3c) putoaa nollaan, kytkentäelementti 8 (kuvio 2) oikosuljetaan pois ja muutin 1 alkaa värähdellä vajaasti. Tämän aikavälin aikana jännite (kuvio 3d) on indusoitunut 15 käämien 2 ja 3 yli käänteisen magnetostriktiovaikutuksen johdosta. Kun muuttimen 1 tuottamien värähtelyjen vaihtelu ohittaa nollatason suunnassa negatiiviselta alueelta positiiviselle alueelle (kuvio 3e), ohjausyksikkö 9 (kuvio 2) tuottaa liipaisupulssin (kuvio 3b) kytkentäelementin 5 20 (kuvio 2) käynnistämiseksi, mikä purkaa varastokondensaattorin 6 muuttimen 1 pääkäämin 2 kautta. Sekä kondensaattorin 6 varautuminen ja purkautuminen ovat luonteeltaan oskilloivia ja jatkuvat kondensaattorin 6 (kuvio 3c) varausaikaa lähellä olevan ajan. Koska molemmat käämit 2 (kuvio 2) ja 3 on lii-25 tetty apuliitoksella, kondensaattorin 6 purkama virta I indusoi sydämeen 4 magneettikentän, jonka suunta on sama kuin kondensaattorin 6 varautumisen aikana indusoituneen kentän. Siten muuttaja 1 virroitetaan tahdissa sen värähtelyjen kanssa sillä tuloksella, että värähtelyt kasvavat ja yksi-30 suuntainen cosinimuotoinen jännitepulssi indusoituu muuttimen 1 käämeihin 2 ja 3.

Virran I pulssin lopussa (kuvio 3c) kytkentäelementti 5 kytketään irti ja kondensaattori 6 saa teholähteen 7 suhteen polariteetiltaan vastakkaisen varauksen. Kytkentäele-35 mentin 8 toistetun liipaisun aikana virran I pulssi ja jännite U2 muuttimen käämeissä 2 ja 3 kasvavat verrattuina aikaisempaan kondensaattorin 6 varauskierrokseen (kuviot 3c, d) 8 68986 yhdessä muuttimen 1 (kuvio 2) värähtelyjen (kuvio 3e) amplitudin lisäkasvun kanssa.

Värähtelyamplitudi kasvaa kondensaattorin varautumisen ja purkautumisen vaihtelun aikana muuttimen 1 käämien 2 5 ja 3 kautta, kunnes lisätty energia ja samana aikana kulutettu energia tulevat yhtä suuriksi. Sen jälkeen, kun pulssin toistotaajuuden ohjausyksikkö 10 lakkaa toimimasta ja kytkentäelementtien ohjausyksikkö 9 lakkaa tuottamasta pulsseja ja U2 (kuviot 3a, b) ja sinä ajan hetkenä, kun vir-10 ta I (kuvio 3c) käämien 2 (kuvio 2) ja 3 läpi ja kytkentäelementtien 5 tai 8 läpi putoaa nollaan, molemmat kytkentä-elementit 5 ja 8 pysyvät johtamattomassa tilassa ja muuttimen 1 värähtelyt vaimenevat asteittain (kuvio 3c). Kaikkien akustisten värähtelyjen seuraavan pulssin kehityksen aikana 15 yllä esitetyt prosessit toistuvat.

On mahdollista, että lähde toimii olosuhteissa, kun kytkentäelimet, jotka toimivat akustisten pulssien tai jatkuvien värähtelyjen kehityksen aikana, on aktivoitu taajuudella, joka on alhaisempi kuin akustisten värähtelyjen taa-20 juus, mutta on sen monikerta. Esillä olevan keksinnön akustisten värähtelyjen lähde sallii magnetostriktiomuuttimen kiihdytystehokkuuden lisäämisen kolminkertaiseksi verrattuna iskukiihdytteisiin pulssilähteisiin.

Ulostulotehon suhteen keksinnön mukainen akustisten 25 värähtelyjen lähde on analoginen tekniikan tason mukaisten akustisten värähtelyjen lähteiden kanssa, joissa magneto-striktiomuuttimia kiihdytetään lineaarisissa olosuhteissa.

Teollinen käytettävyys

Esillä olevan keksinnön mukaista akustisten värähte-30 lyjen lähdettä, joka on suunniteltu toteuttamaan uusi akustisten värähtelyjen kehitysmenetelmä, voidaan edullisimmin käyttää useissa ultraäänen kehitysprosesseissa mukaan lukien ultraäänileikkaus, lämmönvaihdinlaitteiden ultraäänikarstan-poisto, ultraäänihitsaus, lääketieteellinen käyttö, jne.

Claims (2)

9 68986

1. Menetelmä akustisten värähtelyjen kehittämiseksi perustuen magnetostriktiomuuttimen iskukiihdytykseen sähkö- 5 signaalipulssilla, tunnettu siitä, että sähköinen kiihdytyssignaalipulssi tuotetaan cosinimuotoisen jännitteen yksisuuntaisten puoliaaltojen muodossa, joiden kesto on yhdestä kahteen kuormitetun muuttimen kehittämien akustisten värähtelyjen puoliaaltoa toistotaajuudella, joka on akustis-10 ten värähtelyjen taajuuden monikerta.

2. Akustisten värähtelyjen lähde käsittäen teholähteen, pulssin toistotaajuuden ohjausyksikön ja varastokon-densaattorin, jonka levyt on kytkentäelementin tehopiirin kautta kytketty magnetostriktiomuuttimen kenttäkäämiin, 15 tunnettu siitä, että se sisältää lisäkenttäkäämin (3), joka on sijoitettu magnetostriktiomuuttimelle (1) ja liitetty apuliitäntämenetelmällä pääkenttäkäämiin (2), lisä-kytkentäelementin (8) ja kytkentäelementtien ohjausyksikön (9) lisäkenttäkäämin (3) ollessa liitettynä sarjaan varasto-20 kondensaattorin (6) levyjen kanssa lisäkytkentäelementin (8) tehopiirin ja tehoyksikön (7) kautta ja pulssin toistotaa-juuden ohjausyksikön (10) ulostulon ollessa liitettynä kytkentäelementtien ohjausyksikön (9) sisääntuloon, jonka ulostulot on liitetty vastaviin pää- ja lisäkytkentäelementtien 25 (5 ja 8) ohjauspiireihin.