RU2465071C2

RU2465071C2 - Ultrasound vibratory system

Info

Publication number: RU2465071C2
Application number: RU2010139499/28A
Authority: RU
Inventors: Алексей Алексеевич Новиков (RU); Алексей Алексеевич Новиков; Яков Борисович Шустер (RU); Яков Борисович Шустер; Дмитрий Анатольевич Негров (RU); Дмитрий Анатольевич Негров; Татьяна Константиновна Денисова (RU); Татьяна Константиновна Денисова
Original assignee: Открытое акционерное общество "Центральное конструкторское бюро автоматики"
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2012-10-27
Also published as: RU2010139499A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to ultrasound hardware, particularly, ultrasound vibratory systems to be used in development of medical ultrasound hardware. Proposed system represents a solid of revolution and is composed of two metal straps, reflecting and focusing, arranged one after another and two piezoelectric elements arranged between said straps to be acoustically coupled by coupler. Said piezoelectric elements are shaped to discs. Reflecting strap consists of threaded stop with central bore and disc-shape strap. Focusing strap comprises three sections: first, cylindrical section with flange, second, exponential section, and third, outlet cylindrical section with blank threaded hole to lock waveguide tool. Note that aforesaid coupler is made up of barrel with internal thread and two holes, one round hole made at bottom center and rectangular hole made on barrel side surface. Focusing strap first cylindrical section is threaded to flange to support female-swivel nut.

EFFECT: increased amplitude of oscillations, higher reliability, decreased overall dimensions and weight.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области ультразвуковой техники и служит для получения и передачи механических колебаний дозвуковой, звуковой или сверхзвуковой частоты и может быть использовано в любых технологических процессах, идущих с применением ультразвука.The invention relates to the field of ultrasonic technology and is used to receive and transmit mechanical vibrations of a subsonic, sonic or supersonic frequency and can be used in any technological processes involving ultrasound.

Известны ультразвуковые колебательные системы (пьезокерамические преобразователи) типа Ланжевена [Е.Кикучи. Ультразвуковые преобразователи. М.: Издательство «Мир», 1972, с.472.; Патент ФРГ №2711306 МКИ В06В 3/00]. Этот тип преобразователей представляет собой мозаику, набранную из кусков кварца γ-среза и заключенную между двумя металлическими пластинами. Недостатками пьезокерамических преобразователей данного типа являются: нетехнологичность конструкции, сложность сборки и малая мощность.Known ultrasonic oscillatory systems (piezoceramic transducers) of the Langevin type [E. Kikuchi. Ultrasonic transducers. M .: Publishing house "Mir", 1972, p.472 .; German Patent No. 2711306 MKI B06V 3/00]. This type of transducer is a mosaic composed of pieces of quartz γ-slice and enclosed between two metal plates. The disadvantages of piezoelectric transducers of this type are: low-tech design, complexity of assembly and low power.

Известны также ультразвуковые колебательные системы (излучатели) типа «сэндвич» [С.С.Волков, Б.Я.Черняк. Сварка пластмасс ультразвуком. М.: Химия, 1986, с.126.; Новиков А.А., Негров Д.А., Шустер Я.Б. К вопросу определения усилия стяжки пьезокерамических преобразователей продольного типа. Материалы III Международного научно-технологического конгресса «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения». - Омск. - 2005. - Ч.1. - С.177-178; Свидетельство на полезную модель RU №18655. Ультразвуковой керамический излучатель. / Новиков А.А., Шустер Я.Б., Негров Д.А. Опубл. БИ №19, 2001], одна из которых и выбрана в качестве прототипа [RU 2141386 «Ультразвуковая колебательная система» Барсуков Р.В. и др.], как наиболее близкая по технической сущности к предлагаемой. Она представляет собой колебательную систему в форме тела вращения, образованную последовательно расположенными и акустически связанными между собой двумя металлическими накладками и двумя пьезоэлектрическими элементами, расположенными между накладками, причем образующая тела вращения колебательной системы выполнена в виде непрерывной кусочногладкой кривой, а тело вращения состоит из трех участков: первый цилиндрический, второй участок с экспоненциальным или плавным радиусным изменением диаметра сечения, и третий - цилиндрический, при этом кольцевые пьезоэлектрические элементы расположены между экспоненциальным и первым цилиндрическим участком, которые соединены стяжным элементом (например, болтом или шпилькой).Also known are ultrasonic oscillatory systems (emitters) of the "sandwich" type [S.S. Volkov, B.Ya. Chernyak. Ultrasonic welding of plastics. M .: Chemistry, 1986, p.126 .; Novikov A.A., Negrov D.A., Schuster Ya.B. On the issue of determining the efforts of the coupler of piezoelectric ceramic transducers of the longitudinal type. Materials of the III International Scientific and Technological Congress "Military equipment, weapons and dual-use technologies." - Omsk. - 2005. - Part 1. - S. 177-178; Utility Model Certificate RU No. 18655. Ultrasonic ceramic emitter. / Novikov A.A., Schuster Y.B., Negrov D.A. Publ. BI No. 19, 2001], one of which was selected as a prototype [RU 2141386 "Ultrasonic oscillatory system" RV Barsukov and others], as the closest in technical essence to the proposed one. It is an oscillating system in the form of a body of revolution, formed by two metal plates and two piezoelectric elements arranged in series and acoustically interconnected between the plates, and the generatrix of the body of revolution of the oscillating system is made in the form of a continuous piecewise smooth curve, and the body of revolution consists of three sections : the first cylindrical, the second section with an exponential or smooth radial change in the diameter of the cross section, and the third is cylindrical , The annular piezoelectric elements are disposed between the exponential and the first cylindrical portion, which are connected to a coupling element (e.g., a bolt or a pin).

Излучатели типа «сэндвич» свободны от недостатков излучателей типа Ланжевена, описанных выше. Они просты в изготовлении и сборке, однако при малых диаметрах используемых пьезоколец диаметр внутреннего отверстия в пьезокольце становится величиной, ограничивающей энергетические параметры колебательной системы, поскольку с одной стороны уменьшает активную поверхность пьезоэлемента, а с другой - приводит к необходимости такого уменьшения диаметра стяжной шпильки или болта, при котором прочностные характеристики стяжного элемента не обеспечивают надежной работы колебательной системы в целом.Sandwich emitters are free from the disadvantages of the Langevin type emitters described above. They are simple to manufacture and assemble, however, for small diameters of the used piezo rings, the diameter of the inner hole in the piezo ring becomes a value that limits the energy parameters of the oscillating system, since on the one hand it reduces the active surface of the piezoelectric element, and on the other it leads to the need for such a reduction in the diameter of the tie rod or bolt , in which the strength characteristics of the coupling element do not ensure reliable operation of the oscillatory system as a whole.

Техническим результатом изобретения является увеличение амплитуды колебаний при одновременном повышении надежности работы и значительном уменьшении габаритных размеров и массы ультразвуковой колебательной системы.The technical result of the invention is to increase the amplitude of the oscillations while improving the reliability and significantly reducing the overall dimensions and mass of the ultrasonic vibrating system.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве, представляющем собой ультразвуковую колебательную систему в форме тела вращения, образованную последовательно расположенными двумя металлическими накладками, отражающей и концентрирующей, и двумя пьезоэлектрическими элементами, расположенными между накладками, акустически связанными между собой стяжным элементом, согласно заявляемому изобретению, пьезоэлементы выполнены дисковыми, отражающая накладка состоит из последовательно расположенных резьбового упора с центральным отверстием и дисковой накладки, концентрирующая накладка содержит три участка: первый - цилиндрический с фланцем, второй - экспоненциальный и третий - выходной цилиндрический с резьбовым глухим отверстием для крепления волновода-инструмента, а стяжной элемент выполнен в виде стакана с внутренней резьбой и двумя отверстиями: круглым в центре днища и прямоугольным на боковой поверхности стакана, причем первый цилиндрический участок концентрирующей накладки выполнен резьбовым до фланца и на этом участке дополнительно размещена накидная гайка.The technical result is achieved by the fact that in the known device, which is an ultrasonic oscillating system in the form of a body of revolution, formed by successively arranged two metal plates, reflecting and concentrating, and two piezoelectric elements located between the plates, acoustically connected together by a clamping element, according to the claimed invention , piezoelectric elements are made disk, a reflecting plate consists of a threaded stop with consecutively located With the central hole and the disk plate, the concentrating plate contains three sections: the first is cylindrical with a flange, the second is exponential and the third is the output cylinder with a threaded blind hole for mounting the waveguide tool, and the coupling element is made in the form of a glass with an internal thread and two holes: round in the center of the bottom and rectangular on the side surface of the glass, and the first cylindrical section of the concentrating lining is threaded to the flange and is additionally placed on this section and a flare nut.

Сборочный чертеж предложенного устройства приведен на рис.1 и содержит следующие элементы: концентрирующую накладку 1, вставленную в круглое отверстие стакана 2 так, чтобы ее положение фиксировалось фланцем накладки; пьезоэлементы 3 с контактными лепестками 4, выступающими через прямоугольное отверстие 5 стакана 2, зафиксированные в стакане 2 с помощью дисковой накладки 6 и фторопластовой ленты в виде разрезанного кольца 7 и резьбового упора 8. Накидная гайка 9 расположена на цилиндрическом фланцевом участке концентрирующей накладки 1.The assembly drawing of the proposed device is shown in Fig. 1 and contains the following elements: a concentrating pad 1 inserted into the round hole of the cup 2 so that its position is fixed by the flange of the pad; piezoelectric elements 3 with contact petals 4 protruding through a rectangular hole 5 of the glass 2, fixed in the glass 2 with a disk lining 6 and a fluoroplastic tape in the form of a cut ring 7 and a threaded stop 8. The union nut 9 is located on a cylindrical flange section of the concentrating lining 1.

Предложенное устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

При подаче высокочастотного напряжения на выводы контактных лепестков 4, выступающих через прямоугольное отверстие 5 боковой поверхности стакана 2, пьезокерамические диски 3 осуществляют преобразование электрического сигнала в акустический сигнал.When applying high-frequency voltage to the terminals of the contact petals 4, protruding through a rectangular hole 5 of the side surface of the cup 2, the piezoceramic discs 3 convert the electrical signal into an acoustic signal.

При работе акустической колебательной системы [Новиков А.А., Шустер Я.Б., Негров ДА. Особенности проектирования ультразвукового пьезокерамического преобразователя полуволновой длины. Омский научный вестник. - 2009. Сер.: Приборы, машины и технологии. - №3 (83). - С.194-198.], распределение амплитуд продольных акустических колебаний по длине данной акустической системы будет выглядеть, как показано на рис.2. При этом «нулевые» колебания будут приходиться на область цилиндрического фланцевого участка концентрирующей накладки 1, поэтому расположение на этом участке накидной гайки 9 позволит использовать ее для жесткого крепления всей колебательной системы в корпусе излучателя при минимальном воздействии элементов крепления на характеристики акустической системы. С другой стороны, использование в качестве стяжного элемента стакана 2, переводит конструкцию ультразвуковой акустической системы из системы с внутренней стяжкой (наиболее широко распространенной в настоящее время как у нас в стране, так и за рубежом [Prokic M. Piezoelectric transducers modeling and characterization // MP Interconsulting. Le Locle, Switzerlend. - 2004. - 186 р.]), в конструкцию систем с внешней стяжкой. Это, во-первых, обеспечивает возможность использования в качестве пьезоактивных элементов не кольца, а диски, что при тех же диаметрах акустической системы позволяет увеличить выходную акустическую мощность, причем тем существеннее, чем меньше диаметр используемых пьезоэлементов, а во-вторых, избавляет от проблемы обеспечения необходимой прочности и надежности работы внутреннего стяжного элемента.When the acoustic oscillatory system [Novikov A.A., Schuster Ya.B., Negrov YES. Design features of an ultrasonic piezoceramic half-wavelength transducer. Omsk Scientific Herald. - 2009. Ser .: Devices, machines and technologies. - No. 3 (83). - S.194-198.], The distribution of the amplitudes of longitudinal acoustic vibrations along the length of this speaker system will look as shown in Fig. 2. In this case, “zero” vibrations will fall on the region of the cylindrical flange section of the concentrating cover 1, therefore, the location of the union nut 9 on this section will allow it to be used for rigid fastening of the entire oscillatory system in the emitter housing with minimal impact of the fastening elements on the characteristics of the speaker system. On the other hand, the use of cup 2 as a clamping element translates the design of an ultrasonic acoustic system from a system with an internal screed (the most widespread at present both in our country and abroad [Prokic M. Piezoelectric transducers modeling and characterization // MP Interconsulting. Le Locle, Switzerlend. - 2004. - 186 p.]), In the design of systems with an external coupler. This, firstly, makes it possible to use discs rather than rings as piezoactive elements, which, with the same diameters of the speaker system, allows you to increase the output acoustic power, the more significant the smaller the diameter of the piezoelectric elements used, and secondly, it eliminates the problem ensuring the necessary strength and reliability of the internal clamping element.

Прямоугольное отверстие 5 на боковой поверхности стакана 2 используется для вывода через него контактных лепестков 4, а отверстие в резьбовом упоре 7 обеспечивает не только возможность стяжки пьезодисков без их проворота, но и возможность некоторой коррекции частотных характеристик колебательной системы.The rectangular hole 5 on the side surface of the glass 2 is used to output contact petals 4 through it, and the hole in the threaded stop 7 provides not only the possibility of tightening the piezo disks without turning them, but also the possibility of some correction of the frequency characteristics of the oscillatory system.

Таким образом, предлагаемая ультразвуковая акустическая система позволяет:Thus, the proposed ultrasonic acoustic system allows you to:

- получить эффективные малогабаритные ультразвуковые излучатели при использовании пьезоэлементов (дисков) малых диаметров;- to obtain effective small-sized ultrasonic emitters using piezoelectric elements (disks) of small diameters;

- достичь минимального влияния элементов крепления акустической системы в корпусе ультразвукового излучателя;- to achieve the minimum influence of the fastening elements of the acoustic system in the body of the ultrasonic emitter;

- увеличить амплитуду колебаний системы при одновременном повышении надежности работы при значительном уменьшении габаритных размеров и массы, что крайне необходимо для современного ультразвукового медицинского оборудования.- increase the amplitude of the oscillations of the system while improving reliability while significantly reducing overall dimensions and mass, which is extremely necessary for modern ultrasonic medical equipment.

Claims

An ultrasonic oscillating system in the form of a body of revolution, formed by two metal plates in series, reflecting and concentrating, and two piezoelectric elements located between the plates, acoustically connected by a clamping element, characterized in that the piezoelectric elements are made of disk, the reflecting plate consists of a threaded plate emphasis with a central hole and a disk lining, the concentrating lining contains three sections: the first is qi indigenous with a flange, the second - exponential and the third - output cylindrical with a threaded blind hole for mounting the waveguide tool, and the coupling element is made in the form of a glass with an internal thread and two holes: round in the center of the bottom and rectangular on the side surface of the glass, the first cylindrical a section of the concentrating lining is threaded to the flange, and a union nut is additionally placed on this section.