RU2068741C1 - Ultrasonic converter oscillation velocity symmetrical transformer - Google Patents

Ultrasonic converter oscillation velocity symmetrical transformer Download PDF

Info

Publication number
RU2068741C1
RU2068741C1 SU4854791A RU2068741C1 RU 2068741 C1 RU2068741 C1 RU 2068741C1 SU 4854791 A SU4854791 A SU 4854791A RU 2068741 C1 RU2068741 C1 RU 2068741C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
transformer
shell
input end
cross
generatrix
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Е.Ш. Статников
В.В. Марьяшин
Original Assignee
Государственное научно-производственное предприятие "Квант"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное научно-производственное предприятие "Квант" filed Critical Государственное научно-производственное предприятие "Квант"
Priority to SU4854791 priority Critical patent/RU2068741C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2068741C1 publication Critical patent/RU2068741C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: ultrasonic oscillatory system. SUBSTANCE: oscillatory system transformer has equal-size section envelope made in the form of hollow axially-symmetric waveguide with curvilinear or conical generatrix of mass center surfaces whose cross sizes at output end exceed the seat input end. Calculations of coordinates of generatrix of envelope mass center surfaces are given in description of the invention. EFFECT: enlarged operating capabilities. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение может найти применение в машиностроительной, судостроительной промышленностях и других отраслях народного хозяйства, в качестве составной части колебательной системы ультразвуковой частоты, например, в процессах резания металлов и обработки металлов давлением. The invention can find application in the engineering, shipbuilding industries and other sectors of the economy, as part of an oscillatory system of ultrasonic frequency, for example, in metal cutting and metal forming processes.

Известны трансформаторы колебательной скорости, предназначенные для передачи энергии колебаний от площадей с малыми поперечными размерами, к площадям, размеры которых превышают длину полуволны, например, колебательные системы или их элементы по авторским свидетельствам N 227736, 231244. Однако они не обеспечивают однородного или "поршневого" распределения смещений на выходной поверхности (см. И.И. Теумин "Ультразвуковые колебательные системы"). Трансформатор с наружной поверхностью в виде цилиндра и внутренней поверхностью в виде параболоида (по авт. св. N 227736, кл. B 06 b 1/08, 1967 г. ) предназначен для передачи продольных колебаний на резонансной частоте системы, однако, не может быть использован для согласования элементов с различными размерами наружных диаметров, например, кольцевых сопрягаемых поверхностей, так как имеет различные площади сечений, нормальных оси симметрии, и не обеспечивает "поршневых" колебаний на выходной поверхности в широком диапазоне частот, однородности распределения амплитуды колебаний при изменении частоты и нагрузки, устойчивости системы к заданным формам колебаний. Трансформатор, выполненный в виде пологого усеченного кругового конуса (по авт. св. N 231244, кл. B 06 b 1/08, 1966 г.) имеет угол между наружной поверхностью и осью симметрии более 40 градусов и предназначен для излучения в технологическую среду посредством возбуждения на выходной поверхности изгибных колебаний. Known vibrational transformers designed to transfer vibrational energy from areas with small transverse dimensions to areas whose dimensions exceed the half-wavelength, for example, oscillatory systems or their elements according to copyright certificates N 227736, 231244. However, they do not provide a uniform or "piston" distribution of displacements on the output surface (see II Teumin "Ultrasonic oscillatory systems"). A transformer with an outer surface in the form of a cylinder and an inner surface in the form of a paraboloid (according to ed. St. N 227736, class B 06 b 1/08, 1967) is designed to transmit longitudinal vibrations at the resonant frequency of the system, however, it cannot be used to match elements with different sizes of outer diameters, for example, annular mating surfaces, as it has different cross-sectional areas normal to the axis of symmetry, and does not provide "piston" oscillations on the output surface in a wide frequency range, uniformity of distribution dividing the oscillation amplitude when the frequency and the load resistance of the system to specify waveforms. The transformer, made in the form of a gently sloping truncated circular cone (according to ed. St. N 231244, class B 06 b 1/08, 1966) has an angle between the outer surface and the axis of symmetry of more than 40 degrees and is intended for radiation into the technological environment by excitations on the output surface of bending vibrations.

Наиболее близким по способу технической реализации к данному изобретению является колебательная система по авт. св. N 278272 (кл. B 06 b 1/00), в которой переходные элементы выполнены в виде полых усеченных конусов. Closest to the method of technical implementation of this invention is an oscillatory system according to ed. St. N 278272 (class B 06 b 1/00), in which the transition elements are made in the form of hollow truncated cones.

Вместе с тем эта система не обеспечивает эффективной передачи "поршневых" колебаний в технологические объекты и среды входные размеры которых значительно превышают длину волны продольных колебаний. At the same time, this system does not provide efficient transmission of “piston” vibrations to technological objects and media, the input dimensions of which significantly exceed the wavelength of longitudinal vibrations.

Предметом данного изобретения является создание симметричного трансформатора колебательной скорости, обеспечивающего передачу "поршневых" колебаний с поверхности, размеры которой значительно меньше длины волны, на поверхности с размерами существенно большими длины волны на резонансной частоте системы. The subject of this invention is the creation of a symmetric transformer of vibrational velocity, providing the transfer of "piston" vibrations from a surface whose dimensions are much smaller than the wavelength, on a surface with dimensions substantially greater than the wavelength at the resonant frequency of the system.

Заявленный эффект достигается за счет формирования трансформатора колебательной скорости с заданными размерами входной и выходной поверхностей в виде осесимметричной конической оболочки, площади поперечных сечений которой, перпендикулярных ее оси симметрии равны и ориентированы относительно поверхности центров масс с прямолинейной образующей, как это показано на фиг. 1, либо наружной конической поверхности с прямолинейной образующей, как это показано на фиг. 2. The claimed effect is achieved due to the formation of a vibrational velocity transformer with specified dimensions of the input and output surfaces in the form of an axisymmetric conical shell, the cross-sectional areas of which are perpendicular to its axis of symmetry are equal and oriented relative to the surface of the centers of mass with a rectilinear generatrix, as shown in FIG. 1, or an outer conical surface with a straight generatrix, as shown in FIG. 2.

Экспериментально установлено, что устойчивость "поршневых" форм колебаний в оболочечном трансформаторе колебательной скорости обеспечивается до угла раскрытия не более 40 градусов, как это показано на фиг. 3 и фиг. 4. Определение высоты трансформатора колебательной скорости при заданных из конструктивных соображений размерах входного и выходного диаметров "поршневой" оболочки, осуществляется по числа полуволн продольных колебаний в трансформаторе колебательной скорости на резонансной частоте колебательной системы. Расчет резонансной длины (высоты) поршневого трансформатора колебательной скорости по данному изобретению должен осуществляться по длине образующей конической поверхности центров масс в 1 случае (фиг. 1) и по криволинейной поверхности центров масс во 2 случае (фиг. 2). It was experimentally established that the stability of "piston" modes of vibration in a shell transformer of vibrational velocity is ensured up to an opening angle of not more than 40 degrees, as shown in FIG. 3 and FIG. 4. Determination of the height of the transformer of the vibrational velocity at the dimensions of the input and output diameters of the “piston” shell specified for structural reasons is carried out by the number of half-waves of longitudinal vibrations in the transformer of the vibrational velocity at the resonant frequency of the oscillating system. The calculation of the resonant length (height) of the piston transformer of vibrational velocity according to this invention should be carried out along the length of the generatrix of the conical surface of the centers of mass in 1 case (Fig. 1) and along the curved surface of the centers of mass in 2 cases (Fig. 2).

Расчет геометрической формы поршневого трансформатора колебательной скорости в 1 случае осуществляется по формулам:

Figure 00000002
(1)
где α угол раскрытия между осью симметрии и образующей конической поверхности центров масс α∈[0,40°]
Figure 00000003
диаметр образующей конической поверхности центров масс на выходном торце трансформатора.The calculation of the geometric shape of the piston transformer of vibrational velocity in 1 case is carried out according to the formulas:
Figure 00000002
(one)
where α is the opening angle between the axis of symmetry and the generatrix of the conical surface of the centers of mass α∈ [0.40 ° ]
Figure 00000003
the diameter of the generatrix of the conical surface of the centers of mass at the output end of the transformer.

Figure 00000004
диаметр образующей конической поверхности центров масс на входном торце трансформатора.
Figure 00000004
the diameter of the generatrix of the conical surface of the centers of mass at the input end of the transformer.

f частота колебаний. f oscillation frequency.

n целое число полуволн. n is an integer of half-waves.

C скорость распространения колебаний в материале. C is the speed of propagation of vibrations in the material.

Figure 00000005
(2)
где Н высота трансформатора.
Figure 00000005
(2)
where H is the height of the transformer.

Figure 00000006
(3)
где Dx наружный диаметр оболочки трансформатора в рассматриваемом сечении Х.
Figure 00000006
(3)
where D x the outer diameter of the transformer shell in the cross section X.

hx расстояние от входного торца трансформатора до рассматриваемого сечения Х. hx∈ [0,H].h x the distance from the input end of the transformer to the cross section X. h x ∈ [0, H].

Dвых наружный диаметр оболочки трансформатора на выходном торце.D o the outer diameter of the shell of the transformer at the output end.

Dвх наружный диаметр оболочки трансформатора на входном торце.D in the outer diameter of the transformer shell at the input end.

Figure 00000007
(4)
где dx внутренний диаметр оболочки трансформатора в рассматриваемом сечении Х.
Figure 00000007
(4)
where d x the inner diameter of the transformer shell in the cross section X.

d внутренний диаметр оболочки трансформатора на входном торце. d inner diameter of the transformer shell at the input end.

Расчет геометрической формы поршневого трансформатора колебательной скорости во 2 случае осуществляется по формулам:

Figure 00000008
(5),
где
Figure 00000009

Система (5) решается относительно неизвестных параметров Н и α
где Н высота трансформатора.The calculation of the geometric shape of the piston transformer of vibrational velocity in the 2 case is carried out according to the formulas:
Figure 00000008
(5),
Where
Figure 00000009

System (5) is solved with respect to unknown parameters H and α
where H is the height of the transformer.

C скорость распространения колебаний в материале. C is the speed of propagation of vibrations in the material.

f частота колебаний. f oscillation frequency.

n целое число полуволн. n is an integer of half-waves.

Dвх наружный диаметр оболочки трансформатора на входном торце.D in the outer diameter of the transformer shell at the input end.

Dвых наружный диаметр оболочки трансформатора на выходном торце.D o the outer diameter of the shell of the transformer at the output end.

d внутренний диаметр оболочки трансформатора на входном торце. d inner diameter of the transformer shell at the input end.

a угол раскрытия между осью симметрии и наружной конической поверхностью. α∈[0,40°]
dx= Dвх+2•hx•tgα (6)
где Dx наружный диаметр оболочки трансформатора в рассматриваемом сечении Х.
a opening angle between the axis of symmetry and the outer conical surface. α∈ [0.40 ° ]
d x = D in + 2 • h x • tgα (6)
where D x the outer diameter of the transformer shell in the cross section X.

hx расстояние от входного торца трансформатора до рассматриваемого сечения Х. hx∈[0,H]

Figure 00000010
(7)
где dx внутренний диаметр оболочки трансформатора в рассматриваемом сечении Х.h x the distance from the input end of the transformer to the cross section X. h x ∈ [0, H]
Figure 00000010
(7)
where d x the inner diameter of the transformer shell in the cross section X.

Экспериментально установлено, что при любом другом законе изменения формы поперечного сечения трансформатора колебательной скорости увеличение ее выходного размера относительно размеров входного торца за счет угла раскрытия даже на 5 градусов (для экспоненциального, катеноидального и случая равной толщины стенки в поперечном сечении) вызывает нарушение "поршневой" формы колебаний в оболочке и возникновение на выходном торце сложного волнового рельефа в виде изгибных, сдвиговых и других видов эпюр распределения колебательной скорости. It was experimentally established that for any other law of changing the cross-sectional shape of the transformer of vibrational velocity, an increase in its output size relative to the dimensions of the input end due to the opening angle even by 5 degrees (for exponential, catenoidal and the case of equal wall thickness in the cross section) causes a “piston” violation forms of vibrations in the shell and the appearance at the output end of a complex wave topography in the form of bending, shear and other types of diagrams of the distribution of vibrational velocities and.

Физическая сущность описанного эффекта объясняется благоприятными условиями "взаимодействия" между смежными равновеликими поверхностями "равных фаз", через которые происходит распределение энергии упругих колебаний. Моделью оптимизации этого взаимодействия может служить известное из теоретической механики положение о коэффициенте передачи энергии равном единице массами равной величины. При определенных геометрических соотношениях поверхностей, образующих тело трансформатора колебательной скорости (волновода) этот механизм работает до тех пор, пока площади (а следовательно и массы) взаимодействующих объемов, ограниченных поверхностями "равных фаз", остаются равными друг другу, что эквивалентно распространению нормальных форм колебаний без отражения от стенок волновода. The physical nature of the described effect is explained by favorable conditions for the “interaction” between adjacent equal-sized surfaces of “equal phases” through which the energy of elastic vibrations is distributed. A model for optimizing this interaction can be a position known from theoretical mechanics on the coefficient of energy transfer equal to unity by masses of equal magnitude. With certain geometric ratios of the surfaces forming the body of the transformer of vibrational velocity (waveguide), this mechanism works as long as the areas (and hence the masses) of the interacting volumes bounded by the surfaces of "equal phases" remain equal to each other, which is equivalent to the propagation of normal forms of vibration without reflection from the walls of the waveguide.

Как было показано выше, наибольшей устойчивостью к "поршневым" формам колебаний характеризуются волноводы равновеликих сечений. ЫЫЫ1 ЫЫЫ2 ЫЫЫ3 As shown above, waveguides of equal cross sections are characterized by the highest resistance to “piston” modes of vibration. YYY1 YYY2 YYY3

Claims (3)

1. Симметричный трансформатор колебательной скорости переменного сечения ультразвукового преобразователя, содержащий оболочку равновеликих сечений, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности передачи колебаний в технологические объекты и среды, оболочка выполнена в виде полого осисемметричного волновода с криволинейной или конической образующей поверхностей центров масс, поперечные размеры которого на выходном торце больше размеров на входном торце. 1. Symmetric transformer of vibrational velocity of a variable cross section of an ultrasonic transducer containing a shell of equal cross-sections, characterized in that, in order to increase the efficiency of transmission of vibrations to technological objects and media, the shell is made in the form of a hollow axisymmetric waveguide with a curved or conical generatrix of the surfaces of the centers of mass, transverse the dimensions of which at the output end are larger than the sizes at the input end. 2. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что для оболочки с конической образующей поверхности центров масс ее координаты рассчитываются по формулам
Figure 00000011

где α угол раскрытия между осью симметрии и образующей конической поверхности центров масс,
α ∈ [0°; 40°],
Figure 00000012
диаметр образующей конической поверхности центров масс на выходном торце трансформатора;
Figure 00000013
диаметр образующей конической поверхности центров масс на входном торце трансформатора;
f частота колебаний;
n целое число полуволн;
c скорость распространения колебаний в материале;
Figure 00000014

где H высота трансформатора;
Figure 00000015

где Dx наружный диаметр оболочки трансформатора в рассматриваемом сечении X;
hx- расстояние от входного торца трансформатора до рассматриваемого сечения Х, hx∈ [O,H];
Dвых наружный диаметр оболочки трансформатора на выходном торце;
Dвх наружный диаметр оболочки трансформатора на входном торце;
Figure 00000016

где dx внутренний диаметр оболочки трансформатора в рассматриваемом сечении X;
d внутренний диаметр оболочки трансформатора на входном торце.
2. The transformer according to claim 1, characterized in that for a shell with a conical generatrix of the surface of the centers of mass, its coordinates are calculated by the formulas
Figure 00000011

where α is the opening angle between the axis of symmetry and the generatrix of the conical surface of the centers of mass,
α ∈ [0 ° ; 40 ° ],
Figure 00000012
the diameter of the generatrix of the conical surface of the centers of mass at the output end of the transformer;
Figure 00000013
the diameter of the generatrix of the conical surface of the centers of mass at the input end of the transformer;
f oscillation frequency;
n is an integer of half-waves;
c is the velocity of propagation of vibrations in the material;
Figure 00000014

where H is the height of the transformer;
Figure 00000015

where D x the outer diameter of the transformer shell in the cross section X;
h x is the distance from the input end of the transformer to the cross section X under consideration, h x ∈ [O, H];
D o the outer diameter of the transformer shell at the output end;
D in the outer diameter of the transformer shell at the input end;
Figure 00000016

where d x the inner diameter of the shell of the transformer in the cross section X;
d inner diameter of the transformer shell at the input end.
3. Трансформатор по п.1, отличающийся тем, что для оболочки с криволинейной образующей поверхности центров масс ее координаты рассчитываются по формулам
Figure 00000017

система решается относительно неизвестных параметров Н и α
где Н высота трансформатора;
с скорость распространения колебаний в материале;
f частота колебаний;
n целое число полуволн;
Dвх наружный диаметр оболочки трансформатора на входном торце;
Dвых наружный диаметр оболочки трансформатора на выходном торце;
d внутренний диаметр оболочки трансформатора на входном торце;
a угол раскрытия между осью симметрии и наружной конической поверхностью, α ∈ [0°; 40°]
Dx Dвх + 2•hx•tgα
где Dx наружный диаметр оболочки трансформатора в рассматриваемом сечении X;
hx расстояние от входного торца трансформатора до рассматриваемого сечения Х, hx∈ [O; H];
Figure 00000018

где dx внутренний диаметр оболочки трансформатора в рассматриваемом сечении X.
3. The transformer according to claim 1, characterized in that for a shell with a curved generatrix of the surface of the centers of mass, its coordinates are calculated by the formulas
Figure 00000017

the system is solved with respect to unknown parameters H and α
where H is the height of the transformer;
with the speed of propagation of vibrations in the material;
f oscillation frequency;
n is an integer of half-waves;
D in the outer diameter of the transformer shell at the input end;
D o the outer diameter of the transformer shell at the output end;
d inner diameter of the transformer shell at the input end;
a opening angle between the axis of symmetry and the outer conical surface, α ∈ [0 ° ; 40 ° ]
D x D in + 2 • h x • tgα
where D x the outer diameter of the transformer shell in the cross section X;
h x the distance from the input end of the transformer to the cross section X under consideration, h x ∈ [O; H];
Figure 00000018

where d x is the inner diameter of the transformer shell in the cross section X.
SU4854791 1990-05-24 1990-05-24 Ultrasonic converter oscillation velocity symmetrical transformer RU2068741C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4854791 RU2068741C1 (en) 1990-05-24 1990-05-24 Ultrasonic converter oscillation velocity symmetrical transformer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU4854791 RU2068741C1 (en) 1990-05-24 1990-05-24 Ultrasonic converter oscillation velocity symmetrical transformer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2068741C1 true RU2068741C1 (en) 1996-11-10

Family

ID=21529632

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU4854791 RU2068741C1 (en) 1990-05-24 1990-05-24 Ultrasonic converter oscillation velocity symmetrical transformer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2068741C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7276824B2 (en) 2005-08-19 2007-10-02 U.I.T., L.L.C. Oscillating system and tool for ultrasonic impact treatment
US7301123B2 (en) 2004-04-29 2007-11-27 U.I.T., L.L.C. Method for modifying or producing materials and joints with specific properties by generating and applying adaptive impulses a normalizing energy thereof and pauses therebetween
US7344609B2 (en) 1998-09-03 2008-03-18 U.I.T., L.L.C. Ultrasonic impact methods for treatment of welded structures
US7431779B2 (en) 1998-09-03 2008-10-07 U.I.T., L.L.C. Ultrasonic impact machining of body surfaces to correct defects and strengthen work surfaces

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Авторское свидетельство СССР N 278272, кл.В О6 В 1/00, 1966. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7344609B2 (en) 1998-09-03 2008-03-18 U.I.T., L.L.C. Ultrasonic impact methods for treatment of welded structures
US7431779B2 (en) 1998-09-03 2008-10-07 U.I.T., L.L.C. Ultrasonic impact machining of body surfaces to correct defects and strengthen work surfaces
US7301123B2 (en) 2004-04-29 2007-11-27 U.I.T., L.L.C. Method for modifying or producing materials and joints with specific properties by generating and applying adaptive impulses a normalizing energy thereof and pauses therebetween
US7276824B2 (en) 2005-08-19 2007-10-02 U.I.T., L.L.C. Oscillating system and tool for ultrasonic impact treatment

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yazdabadi et al. Characterization of the PVC phenomena in the exhaust of a cyclone dust separator
US4877516A (en) Manipulating particulate matter
US4218921A (en) Method and apparatus for shaping and enhancing acoustical levitation forces
Whitworth et al. Particle column formation in a stationary ultrasonic field
US4777823A (en) Controlled sample orientation and rotation in an acoustic levitator
US7156201B2 (en) Ultrasonic rod waveguide-radiator
CA1079184A (en) Fluid resonator
JPH0647344A (en) Acoustic resonator
RU2068741C1 (en) Ultrasonic converter oscillation velocity symmetrical transformer
EP2195122B1 (en) High capacity ultrasonic reactor system
US5945642A (en) Acoustic horn
US3468517A (en) Means for applying a sonic or ultrasonic transducer system to a surface to prevent deposition of materials thereon
WO1987007421A1 (en) Ultrasonic field generation
US2413012A (en) Means for producing mechanical vibrations
GB2251570A (en) Improvements in or relating to vibratable ring-like structures
SU1669527A2 (en) Device for high-amplitude ultrasonic processing of items in liquid medium
Gubaidullin et al. Acoustic streaming in a cylindrical cavity at variation of its radius and boundary conditions
CN101096030A (en) Ultrasonic radiator
JPS63154522A (en) Coanda spiral flow producing device
Khmelev et al. Determination of optimum construction of the ultrasonic radiator for cavitation-acoustic intensification of the absorption processes by mathematical and computer modeling methods
NANI et al. REGARDING SOME FUNDAMENTAL ASPECTS OF DESIGN AND DEVELOPMENT OF BESSEL ULTRASONIC CONCENTRATORS USED IN NONCONVENTIONAL MACHINING.
SU1269821A1 (en) Hydrodynamic powder dispenser
SU1037986A1 (en) Apparatus for drawing metal with ultrasonic oscillations
SU730549A1 (en) Part-burnishing device
Barmatz et al. Controlled sample orientation and rotation in an acoustic levitator