RU18655U1 - Ультразвуковой пьезокерамический излучатель - Google Patents

Abstract

Ультразвуковой пьезокерамический излучатель, представляющий собой ультразвуковой преобразователь, содержащий соединенные стяжным элементом отражающую накладку, активную зону из пьезокерамических кольцевых пластин, разделенных контактными электродами, и излучающую накладку, соединенную с согласующим промежуточным элементом, отличающийся тем, что активная зона ультразвукового преобразователя удовлетворяет соотношениюгде h- ширина активной зоны УЗ-преобразователя;f- резонансная частота УЗ-преобразователя;С - скорость распространения звуковой волны по пьезоматериалу активной зоны,а согласующий элемент удовлетворяет условиюf=(0,93-0,97)f,где f- резонансная частота согласующего промежуточного элемента;f- резонансная частота УЗ-преобразователя.

Description

2000132927

-о . -г

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области получения или передачи механических колебаний дозвуковой, звуковой или сверхзвуковой частоты и может быть использовано в любых техпроцессах, идущих с применением ультразвука.

Известны ультразвуковые пьезокерамические преобразователи типа Ланжевена 1-3. Этот тип преобразователей представляет собой мозаику, набранную из кусков кварца у-среза и заключенную между двумя металлическими пластинами.

Недостатками пьезокерамических преобразователей данного типа являются нетехнрлогичность конструкции, обусловленная сложностью сборки и малая мощность.

Известен также излучатель типа «сэндвич 4, наиболее близкий к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту. Он представляет собой ультразвуковой преобразователь, содержащий соединенные стяжным элементом (например, болтом или шпилькой) отражающую накладку, активную зону, состоящую из кольцевых пьезокерамических пластин, разделенных контактными электродами, и излучающую накладку, соединенную с согласующим промежуточным элементом (волноводом, бустером), передающим акустические волны к акустическому инструменту.

Излучатели типа «сэндвич свободны от недостатков излучателей типа Ланжевена, описанных выше. Они просты в сборке и изготовлении, однако на повышенных частотах (свыше 20 кГц) резко возрастают потери в активной зоне, что приводит к повышенному разогреву пьезокерамического материала и снижению электроакустической эффективности УЗ-излз ателя в целом.

М. Кл. В06 в 3/00

Поставленная задача решена за счет того, что в ультразвуковом ньезокерамическом излучателе, представляющем собой УЗ-преобразователь, содержащий соединенные стяжным элементом отражающую накладку, активную зону из пьезокерамических кольцевых пластин, разделенных контактными электродами, и излзчающую накладку, соединенную с согласующим промежуточным элементом, ширина активной зоны УЗпреобразователя удовлетворяет соотношению:

где с - скорость распространения звуковой волны по пьезоматериалу активной зоны;

fп - резонансная частота УЗ-преобразователя, а согласующий промежуточный элемент удовлетворяет условию:

f,.,. 0,93-0,97f,

где fс.э - резонансная частота согласующего элемента;

fn - резонансная частота УЗ-преобразователя.

Ограничение на ширину активной зоны в зависимости от частоты возбуждаемых колебаний и материала пьезокерамики введено в силу следующих соображений.

Конструирование пьезокерамических излучателей предполагает в качестве одного из базовых допущений излучаюшую плоскость, а не излучающий объем. При конструировании учитываются свойства пьезоматериала - плотность, скорость распространения звуковой волны, модуль Юнга и т. п., но как активный излучающий элемент выбирается плоскость (обычно в центре активной зоны).

Фактически же излучает волну каждая плоскость обьема пьезоактивного материала по ширине активной зоны, причем все они излучают колебания синфазно в соответствии с подачей возбуждающего электрического сигнала.

,

Очевидно, что, если взять две крайние плоскости активной зоны, то при распространении возбужденной волны от одной плоскости до другой происходит какое-то время, определяемое шириной активной зоны и скоростью распространения звуковой волны по материалу. Это время определяет фазовый сдвиг между волной, пришедшей от противоположного края активной зоны и волной, возбуждаемой излучающей плоскостью ближнего края активной зоны. В соответствие с фазовым сдвигом происходит наложение одной возбуждаемой волны на другую. Уровень затухания результирующего сигнала определяется для двух плоскостей достаточно просто:

А Sin(a)f + ф) + А Sinrof 2А Sin

(of+ cof+ ф

.Cos 2A.SinLf + Icos

2I 2j 2

Очевидно, что уровень затухания определяется косинусом половинного угла фазового сдвига. (При сдвиге в 180 сигналы оказываются в противофазе и фактически компенсируют друг друга).

С другой стороны, величина фазового сдвига может быть определена через ширину активной зоны и длину волны возбуждаемых в ней УЗколебаний

Если задать ограничение по величине потерь сигнала в активной зоне на уровне 10 % т.е. Cos ф 0,9 что соответствует ,86 рад, то

, 0,86 h с

- л г

г , и возникает естественное ограничение на ширину активной

зоны в зависимости от частоты возбуждаемых колебаний и материала пьезокерамики.

С другой стороны, передача акустических волн от ультразвукового пьезокерамического преобразователя к акустическому инструменту либо технологической нагрузке осуществляется с помощью промежуточных

27rf-h 2Tifh

А,с

согласующих элементов (волноводов, бустеров). При этом резонансная частота согласующего элемента должна соответствовать резонансной частоте УЗ-нреобразователя. Однако в процессе работы основные потери ультразвукового пьезокерамического излучателя сосредоточены в преобразователе частоты, там, где находятся пьезокерамические кольцевые пластины.

Поскольку потери в ультразвуковых пьезокерамических преобразователях составляют от 3 % до 7 % в зависимости от режима эксплуатации, наибольшая эффективность работы ультразвукового пьезокерамического излучателя в целом достигается при следз ющем соотношении частоты входящих в него преобразователя и согласующего промежуточного элемента:

Сущность технического решения поясняется чертежом, где изображена полуконструктивная схема заявляемого излучателя, состоящего из ультразвукового пьезокерамического преобразователя и согласующего промежуточного элемента, служащего для передачи акустических волн от УЗ-преобразователя к инструменту.

Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь содержит: отражающую накладку 1, активную зону, выполненную из кольцевых пьезокерамических пластин 2, разделенных контактными электродами 3 и излучающую накладку 4. Отражающая накладка, активная зона и излучающая накладка соединены между собой болтом или шпилькой.

Излучающая накладка 4 соединена с промежуточным согласующим элементом 6, который предназначен для передачи акустических волн от ультразвукового пьезокерамического преобразователя к акустическому инструменту.

Работа ультразвукового пьезокерамического излучателя осуществляется следующим образом.

f,, 0,93-0,.

На контактные электроды 3 подается переменное напряжение, которое возбуждает в пьезокерамических кольцевых пластинах 2 акустическую волну, вследствие пьезоэлектрического эффекта. Параметры этой волны определяются возбуждающим напряжением, свойствами пьезоматериала, его геометрическими размерами. Возбужденная акустическая волна, распространяясь в обе стороны от активной зоны, проходит в одну сторону через отражающую накладку и, отражаясь от ее торца, возвращается через активную зону в излучающую накладку 4, где, накладываясь на прямую волну, усиливает ее и затем через промежуточный согласующий элемент 6, обеспечивающий кроме того крепление УЗ-излучателя, поступает к ультразвуковому волноводу - инструменту, обеспечивающему непосредственное технологическое воздействие на рабочую среду.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет за счет вводимых ограничений обеспечить более эффективное преобразование электрической энергии в энергию ультразвуковых колебаний, путем уменьшения потерь в активной зоне и более точного согласования частот преобразователя с согласующим промежуточным устройством.

Источники информации:

1.Е. Кикучи Ультразвуковые преобразователи. М: Издательство «Мир, 1972,424с.

2.Заявка ФРГ № 2711306 МКИ В06В 3/00

3.Заявка Японии №56-18265 МКИ В06В 3/00

4.С.С. Волков, Б.Я. Черняк Сварка пластмасс ультразвуком. М.: Химия, 1986 г, 256 с.

уию{}(:)

- (

Claims (1)

1. Ультразвуковой пьезокерамический излучатель, представляющий собой ультразвуковой преобразователь, содержащий соединенные стяжным элементом отражающую накладку, активную зону из пьезокерамических кольцевых пластин, разделенных контактными электродами, и излучающую накладку, соединенную с согласующим промежуточным элементом, отличающийся тем, что активная зона ультразвукового преобразователя удовлетворяет соотношению
   

   

   
   где h_а.з - ширина активной зоны УЗ-преобразователя;
   f_п - резонансная частота УЗ-преобразователя;
   С - скорость распространения звуковой волны по пьезоматериалу активной зоны,
   а согласующий элемент удовлетворяет условию
   f_с.э=(0,93-0,97)f_п,
   где f_с.э - резонансная частота согласующего промежуточного элемента;
   f_п - резонансная частота УЗ-преобразователя.