RU2490607C1 - Method of measuring amplitude of vibrations - Google Patents
Method of measuring amplitude of vibrations Download PDFInfo
- Publication number
- RU2490607C1 RU2490607C1 RU2012111358/28A RU2012111358A RU2490607C1 RU 2490607 C1 RU2490607 C1 RU 2490607C1 RU 2012111358/28 A RU2012111358/28 A RU 2012111358/28A RU 2012111358 A RU2012111358 A RU 2012111358A RU 2490607 C1 RU2490607 C1 RU 2490607C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- amplitude
- end surface
- vibrations
- vibration
- point contact
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к виброметрии, и может быть использовано для измерения амплитуды механических колебаний поверхностей твердых тел в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот, в частности для измерения амплитуды колебаний многополуволновых излучателей переменного сечения ультразвуковых колебательных систем, используемых в составе аппаратов, предназначенных для интенсификации технологических процессов.The invention relates to the field of measuring equipment, namely to vibrometry, and can be used to measure the amplitude of mechanical vibrations of the surfaces of solids in the range of sound and ultrasonic frequencies, in particular for measuring the amplitude of vibrations of multi-wave emitters of variable cross section of ultrasonic vibration systems used in the apparatus, intended for the intensification of technological processes.
Амплитуда колебаний излучающей поверхности ультразвуковой колебательной системы является основным параметром, определяющим качество работы излучателя и эффективность реализации технологических процессов. Принципиально важным является необходимость контроля амплитуды колебаний непосредственно в технологической среде при реализации процесса, поскольку практически все технологические процессы имеют экстремальный характер, т.е. их эффективность имеет максимальное значение при определенной амплитуде.The oscillation amplitude of the radiating surface of the ultrasonic vibrating system is the main parameter that determines the quality of the emitter and the efficiency of the implementation of technological processes. Fundamentally important is the need to control the amplitude of vibrations directly in the technological environment during the implementation of the process, since almost all technological processes are extreme, i.e. their effectiveness has a maximum value at a certain amplitude.
В связи с тем, что в последние годы, при реализации ультразвуковых технологий в промышленных условиях, используются многополуволновые излучатели [1], представляющие собой последовательно соединенные полуволновые модули с большой поверхностью излучения, проблема существенно обострилась. Обусловлено это тем, что излучающих поверхностей, каковыми являются переходные области между полуволновыми звеньями излучателя, стало несколько (от 3 до 15), амплитуды их колебаний могут существенно отличаться, что обуславливает различную эффективность УЗ обработки вдоль излучателя и снижает качество производимого продукта.Due to the fact that in recent years, in the implementation of ultrasonic technologies in industrial conditions, multi-wave emitters [1] are used, which are series-connected half-wave modules with a large radiation surface, the problem has become much more acute. This is due to the fact that there are several radiating surfaces, which are the transition regions between the half-wave links of the radiator (from 3 to 15), the amplitudes of their vibrations can differ significantly, which leads to different ultrasound processing efficiencies along the radiator and reduces the quality of the product.
Известны различные способы измерения амплитуды колебаний различных тел в области звуковых и ультразвуковых частот, широко используемые для решения частных метрологических задач. Общим недостатком большинства известных способов является сложность или невозможность получения абсолютных значений измеряемой величины (особенно в непрозрачных средах), без осуществления предварительной калибровки под конкретную измерительную ситуацию.There are various methods of measuring the amplitude of oscillations of various bodies in the field of sound and ultrasonic frequencies, widely used to solve particular metrological problems. A common drawback of most known methods is the difficulty or inability to obtain absolute values of the measured value (especially in opaque environments), without preliminary calibration for a specific measuring situation.
Наиболее близким по технической сущности, к предлагаемому техническому решению, является способ измерения амплитуды колебаний, принятый за прототип [2].The closest in technical essence to the proposed technical solution is a method of measuring the amplitude of the oscillations, adopted as a prototype [2].
Прототип представляет собой способ измерения, при котором амплитуду колебаний и ее распределение на излучающих переходных поверхностях и торцевой поверхности измеряют пьезоприемником с точечным контактом при подаче на пьезопреобразователь колебательной системы напряжения, не превышающего 0,1 рабочего напряжения при возбуждении колебаний в воздухе.The prototype is a measurement method in which the amplitude of the oscillations and its distribution on the radiating transition surfaces and the end surface are measured with a point contact piezoelectric transducer when a voltage not exceeding 0.1 operating voltage is applied to the piezoelectric transducer during excitation of vibrations in the air.
Практическая реализация способа, принятого за прототип заключается в следующем.The practical implementation of the method adopted for the prototype is as follows.
Измерение амплитуды колебаний ультразвуковых колебательных систем (в процессе сборки, настройки) осуществляется на измерительном стенде, состоящем из генератора изменяемой частоты, осциллографа для наблюдения величины амплитуды и приемного пьезопреобразователя с точечным контактом. При этом, контроль реализуется следующим образом. Сигнал переменной частоты от генератора напряжением, не превышающим 0,1 рабочего напряжения при возбуждении колебаний в воздухе (в несколько десятков вольт) подается на электроды пьезоэлементов колебательной системы. Контроль амплитуды механических колебаний УЗ частоты осуществляется при помощи приемного пьезопреобразователя с точечным контактом, прижимаемого через точечный контакт к колеблющейся поверхности. Механические колебания через точечный контакт поступают на приемный пьезопреобразователь, преобразуются в электрические колебания и регистрируемый сигнал, пропорциональный амплитуде колебаний исследуемой поверхности, фиксируется осциллографом. При этом, приемный преобразователь с точечным контактом имеет контакт с излучающей поверхностью волновода в точке, что позволяет легко определять распределение колебаний и находить направления максимальных колебаний на искривленных поверхностях.The vibration amplitude of ultrasonic vibrating systems (during assembly, tuning) is measured on a measuring stand consisting of a variable frequency generator, an oscilloscope for observing the magnitude of the amplitude, and a receiving piezoelectric transducer with a point contact. Moreover, the control is implemented as follows. A variable frequency signal from the generator with a voltage not exceeding 0.1 of the operating voltage during excitation of vibrations in the air (several tens of volts) is supplied to the electrodes of the piezoelectric elements of the oscillatory system. The amplitude control of the mechanical vibrations of the ultrasonic frequency is carried out using a receiving piezoelectric transducer with a point contact, pressed through a point contact to an oscillating surface. Mechanical vibrations through a point contact arrive at the receiving piezoelectric transducer, are converted into electrical vibrations, and the recorded signal, proportional to the amplitude of the vibrations of the surface under study, is fixed by an oscilloscope. Moreover, a point-to-point receiving transducer has contact with the radiating surface of the waveguide at a point, which makes it easy to determine the distribution of vibrations and find the directions of maximum vibrations on curved surfaces.
Однако способу, принятому за прототип, присущи следующие недостатки:However, the method adopted for the prototype has the following disadvantages:
1. Отсутствие возможности измерения истинного значения амплитуды колебаний ультразвукового излучателя, поскольку такой способ позволяет получать только относительные изменения (равномерность распределения колебаний).1. The inability to measure the true value of the amplitude of the oscillations of the ultrasonic emitter, since this method allows you to get only relative changes (uniform distribution of vibrations).
2. Отсутствие возможности проведения измерений амплитуд излучателя в условиях эксплуатации, при подаче на пьезопреобразователь колебательной системы рабочего напряжения (несколько сотен вольт), т.е. при амплитудах колебаний более 5…10 мкм, что обусловлено потерей контакта пьезоприемника с поверхностью излучателя.2. The inability to measure the amplitudes of the emitter in operating conditions, when applying to the piezoelectric transducer oscillatory system operating voltage (several hundred volts), ie with oscillation amplitudes of more than 5 ... 10 μm, which is due to the loss of contact between the piezoelectric receiver and the surface of the emitter.
3. Отсутствие возможности проведения измерений в технологических средах при эксплуатации излучателя, осложненное особенностью строения излучателя (протяженный многополуволновой излучатель переменного сечения).3. The lack of measurement in technological environments during operation of the emitter, complicated by the structural features of the emitter (an extended multi-wave emitter of variable cross section).
Отмеченные недостатки обуславливают невозможность использования способа, принятого за прототип, при решении исследовательских задач, проведении измерений в производственных условиях эксплуатации излучателей в различных технологических средах и требуют устранения.The noted drawbacks make it impossible to use the method adopted for the prototype when solving research problems, taking measurements under the operating conditions of operation of emitters in various technological environments and require elimination.
Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что в способе измерения амплитуды колебаний многополуволновых излучателей контролируют пьезоприемником с точечным контактом амплитуду колебаний и ее распределение на излучающих переходных поверхностях, сравнивают ее с амплитудой колебаний торцевой поверхности при подаче на пьезопреобразователь колебательной системы напряжения, не превышающего 0,1 рабочего напряжения при возбуждении колебаний в воздухе, погружают колебательную систему в обрабатываемую жидкость таким образом, что торцевая излучающая поверхность не покрывается жидкостью, прикладывают к пьезопреобразователю системы рабочее напряжение, измеряют амплитуду колебаний торцевой поверхности излучателя, наблюдая увеличенное изображение светового потока, перекрываемого колеблющейся торцевой поверхностью и используя результаты сравнения амплитуд колебаний, полученных пьезоприемником с точечным контактом устанавливают амплитуды колебаний переходных излучающих поверхностей и их распределение в обрабатываемой жидкости.The essence of the proposed technical solution lies in the fact that in the method for measuring the amplitude of oscillations of multi-wave emitters, the amplitude of the oscillations and its distribution on the radiating transition surfaces are controlled by a piezoelectric receiver with a point contact, they are compared with the amplitude of oscillations of the end surface when a voltage of no more than 0 is applied to the piezoelectric transducer, 1 operating voltage when exciting vibrations in air, immerse the oscillatory system in the processed fluid in this way ohm, that the end emitting surface is not covered by the liquid, a working voltage is applied to the piezoelectric transducer of the system, the oscillation amplitude of the end surface of the emitter is measured, observing an enlarged image of the light flux blocked by the oscillating end surface, and using the results of comparing the amplitudes of the vibrations obtained by the piezoelectric receiver with a point contact, the transient oscillation amplitudes are established radiating surfaces and their distribution in the treated fluid.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется примером его практической реализации (устройство), показанным на фиг.1, где приняты следующие обозначения: 1 - окуляр микроскопа, 2 - торец ультразвуковой колебательной системы, 3 - пьезоприемник с точечным контактом, 4 - технологический объем с жидкостью, 5 - стробоскопическая система освещения.The essence of the proposed technical solution is illustrated by an example of its practical implementation (device), shown in figure 1, where the following notation: 1 - the eyepiece of the microscope, 2 - the end face of the ultrasonic vibrating system, 3 - the piezoelectric receiver with point contact, 4 - the technological volume with liquid, 5 - stroboscopic lighting system.
Практическая реализация предлагаемого способа измерения амплитуды колебаний пьезоэлектрических колебательных систем с многополуволновыми излучателями переменного сечения поясняется на фиг.2, где приняты следующие обозначения: 1 - многополуволнвой ультразвуковой излучатель переменного сечения, 2 - пьезоприемник с точечным контактом. При этом на первом этапе, реализуется измерение амплитуды колебаний торца и переходных излучающих поверхностей ультразвуковой колебательной системы 1 при помощи пьезоприемника с точечным контактом 2.The practical implementation of the proposed method for measuring the amplitude of the oscillations of piezoelectric oscillatory systems with multi-wave emitters of variable cross-section is illustrated in figure 2, where the following notation is adopted: 1 - multi-wave ultrasonic radiator of variable cross-section, 2 - piezoelectric receiver with point contact. In this case, at the first stage, the measurement of the amplitude of the oscillations of the end face and the transition emitting surfaces of the
При реализации измерения амплитуды колебаний торца излучателя, пьезоприемник с точечным контактом располагается строго перпендикулярно торцевой поверхности излучателя, а для измерения амплитуды колебаний переходных поверхностей пьезоприемник с точечным контактом располагается таким образом, чтобы сигнал, фиксируемый осциллографом, имел наибольшее значение, это объясняется тем, что пьезоприемник с точечным контактом располагается в точке, образованной касательной к дуге окружности переходной поверхности излучателя, при этом пьезоприемник с точечным контактом располагается перпендикулярно касательной.When measuring the amplitude of the oscillations of the end face of the emitter, the piezo detector with a point contact is located strictly perpendicular to the end surface of the emitter, and to measure the amplitude of the vibrations of the transition surfaces of the piezo detector with a point contact is located so that the signal recorded by the oscilloscope has the greatest value, this is because the piezo detector with a point contact is located at a point formed by a tangent to the arc of a circle of the transition surface of the emitter, while the piezo a point contact receiver is perpendicular to the tangent.
Второй этап измерений иллюстрируется фиг.3, на которой приняты следующие обозначения: 1 - ультразвуковая колебательная система, 2 - микроскоп, 3 - технологический объем, 4 - ультразвуковой генератор, 5 - стробоскопическая система освещения, 6 - электронный генератор импульсов, 7 - генератор образцовой частоты, 8 - осциллограф, 9 - измерительный щуп. При его реализации ультразвуковой аппарат, состоящий из генератора 4 и ультразвуковой колебательной системы 1 переводится в рабочее состояние, излучатель помещается в технологическую среду и при помощи стробоскопического способа измеряется амплитуда колебаний торцевой поверхности излучателя. При этом ультразвуковая колебательная система погружена в технологический объем 3, заполненный технологической средой, таким образом, что торцевая поверхность излучателя расположена над поверхностью воды между стробоскопической системой освещения 5 и окуляром микроскопа 2.The second stage of the measurements is illustrated in Fig. 3, which uses the following notation: 1 - ultrasonic oscillatory system, 2 - microscope, 3 - technological volume, 4 - ultrasonic generator, 5 - stroboscopic lighting system, 6 - electronic pulse generator, 7 - model generator frequency, 8 - oscilloscope, 9 - measuring probe. When it is implemented, an ultrasonic apparatus consisting of a
Предлагаемый способ был опробован для контроля параметров ультразвукового технологического аппарата модели УЗТА - 8/22 - О, с потребляемой электрической мощностью до 8000 ВА [3].The proposed method was tested to control the parameters of the ultrasonic technological apparatus of the UZTA - 8/22 - O model, with a consumed electric power of up to 8000 VA [3].
В результате проведенных измерений было установлено, что при работе в жидкой среде в кавитационном режиме размах амплитуды колебаний торцевой поверхности ультразвукового излучателя составил 14-16 мкм.As a result of the measurements, it was found that when operating in a liquid medium in the cavitation mode, the amplitude range of the oscillations of the end surface of the ultrasonic emitter was 14-16 microns.
Результаты контроля амплитуды колебаний позволили определить интенсивность излучения в жидкость:The results of the control of the amplitude of the oscillations allowed us to determine the intensity of radiation in the liquid:
I=2π2ρcf2A2,I = 2π 2 ρcf 2 A 2 ,
где ρ - волновое сопротивление среды [кг/м3], с - скорость звука в материале излучателя (титан) [м/с], f - резонансная частота [Гц], А - амплитуда колебаний [м]. Измеренные значения амплитуды и ее распределения вдоль излучателя позволили определить среднюю интенсивность излучения, которая составила для излучения в воду 12 Вт/см2.where ρ is the wave resistance of the medium [kg / m 3 ], s is the speed of sound in the material of the emitter (titanium) [m / s], f is the resonant frequency [Hz], A is the amplitude of the oscillations [m]. The measured values of the amplitude and its distribution along the emitter made it possible to determine the average radiation intensity, which was 12 W / cm 2 for radiation into water.
При сравнении полученных результатов с результатами калориметрического метода контроля [4] было установлено соответствие результатов, с расхождением не более 10%.When comparing the results with the results of the calorimetric control method [4], it was found that the results corresponded with a discrepancy of not more than 10%.
Практическое использование предложенного способа начато в условиях малого инновационного предприятия ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ» при производстве и эксплуатации ультразвуковых технологических аппаратов.Practical use of the proposed method was started in the conditions of a small innovative enterprise LLC “Center of ultrasonic technologies AltGTU” in the production and operation of ultrasonic technological devices.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВLIST OF USED SOURCES
[1] Hielscher - Ultrasound Technology [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.hielscher.com/ultrasonics/i4000_p.htm.[1] Hielscher - Ultrasound Technology [Electronic resource]. - Access mode: http://www.hielscher.com/ultrasonics/i4000_p.htm.
[2] Барсуков Р.В. Измеритель параметров ультразвуковых колебательных систем [Текст] / Барсуков Р.В., Ильченко Е.В., Абраменко Д.С. // International conference and seminar on micro/nanotechnologies and electron devices EDM 2010, Новосибирск, НГТУ.[2] Barsukov R.V. Parameter of ultrasonic oscillatory systems [Text] / Barsukov R.V., Ilchenko E.V., Abramenko D.S. // International conference and seminar on micro / nanotechnologies and electron devices EDM 2010, Novosibirsk, NSTU.
[3] Ультразвуковой технологический аппарат «Булава» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://u-sonic.ru/devices/bulava8.[3] Ultrasonic technological apparatus "Bulava" [Electronic resource]. - Access mode: http://u-sonic.ru/devices/bulava8.
[4] ГОСТ 27955-88 (МЭК 782) Преобразователи ультразвуковые магнитострикционные. Методы измерения характеристик. - М.: Издательство стандартов, 1989.[4] GOST 27955-88 (IEC 782) Ultrasonic magnetostrictive transducers. Methods of measuring characteristics. - M .: Publishing house of standards, 1989.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012111358/28A RU2490607C1 (en) | 2012-03-23 | 2012-03-23 | Method of measuring amplitude of vibrations |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012111358/28A RU2490607C1 (en) | 2012-03-23 | 2012-03-23 | Method of measuring amplitude of vibrations |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2490607C1 true RU2490607C1 (en) | 2013-08-20 |
Family
ID=49162928
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012111358/28A RU2490607C1 (en) | 2012-03-23 | 2012-03-23 | Method of measuring amplitude of vibrations |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2490607C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4321464A (en) * | 1978-06-08 | 1982-03-23 | Westinghouse Electric Corp. | Device for measuring vibration phase and amplitude |
| JP2001108519A (en) * | 1999-10-05 | 2001-04-20 | F Techno:Kk | Vibration amplitude measuring method and instrument |
| RU2271521C1 (en) * | 2004-11-03 | 2006-03-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Mode of measuring amplitudes of vibrations of radiating surface of ultrasonic oscillating system |
| RU2292530C1 (en) * | 2005-04-14 | 2007-01-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Method of measuring amplitude of vibration |
-
2012
- 2012-03-23 RU RU2012111358/28A patent/RU2490607C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4321464A (en) * | 1978-06-08 | 1982-03-23 | Westinghouse Electric Corp. | Device for measuring vibration phase and amplitude |
| JP2001108519A (en) * | 1999-10-05 | 2001-04-20 | F Techno:Kk | Vibration amplitude measuring method and instrument |
| RU2271521C1 (en) * | 2004-11-03 | 2006-03-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Mode of measuring amplitudes of vibrations of radiating surface of ultrasonic oscillating system |
| RU2292530C1 (en) * | 2005-04-14 | 2007-01-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Method of measuring amplitude of vibration |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| БАРСУКОВ Р.В. Измеритель параметров ультразвуковых колебательных систем. БАРСУКОВ Р.В., ИЛЬЧЕНКО Е.В., АБРАМЕНКО Д.С. International conference and seminar on micro/nanotechnologies and electron devices EDM. 2010, Новосибирск, НГТУ. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7057176B2 (en) | System and method for multiple mode flexible excitation in sonic infrared imaging | |
| Sadiq et al. | High-performance planar ultrasonic tool based on d 31-mode piezocrystal | |
| US7122801B2 (en) | System and method for generating chaotic sound for sonic infrared imaging of defects in materials | |
| JP4480640B2 (en) | Ultrasonic fatigue test apparatus and ultrasonic fatigue test method | |
| Zhang et al. | Fabrication and characterization of a wideband low-frequency CMUT array for air-coupled imaging | |
| Pratap et al. | Fluid spectroscopy with piezoelectric ultrasound mems transducers | |
| EP1582867A2 (en) | System and method for multi-frequency sonic excitation in infrared imaging | |
| US11065644B2 (en) | Method for exciting piezoelectric transducers and sound-producing arrangement | |
| RU2490607C1 (en) | Method of measuring amplitude of vibrations | |
| Khmelev et al. | Control of the impedance characteristics of the ultrasonic radiators for the study of the processes and the phenomena occurring in fluid media | |
| US7669478B2 (en) | Ultrasonic driving device with multi-frequency scanning | |
| Holbrook | A Pulse Method for Measuring Small Changes in Ultrasonic Velocity in Solids with Temperature | |
| Khmelev et al. | Control of vibration amplitude and its distribution at the design and operation of multi half-wave vibrating systems | |
| US8197604B2 (en) | Method and apparatus for controlling optimal operation of acoustic cleaning | |
| Khmelev et al. | Control of distribution of vibration amplitude on radiating surfaces of ultrasonic action sources | |
| RU2473076C2 (en) | Method of monitoring properties of liquid media | |
| RU149707U1 (en) | AMPLITUDE CONTROL DEVICE OF MECHANICAL OSCILLATIONS | |
| KR101506080B1 (en) | A method and device of for generating vibration with intensive pulsed light | |
| Sudo et al. | Streaming flows produced by oscillating interface of magnetic fluid adsorbed on a permanent magnet in alternating magnetic field | |
| Okada et al. | Robust hydrophone with hydrothermal PZT thick-film vibrator and titanium front layer for use in high-power ultrasound fields | |
| Johri et al. | Measurement of the intensity of sonoluminescence, subharmonic generation and sound emission using pulsed ultrasonic technique | |
| Huber et al. | Noncontact modal excitation of small structures using ultrasound radiation force | |
| Liang et al. | Design and Test of Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer Array for the Air-coupled Ultrasound Imaging Applications | |
| Kanda et al. | Droplets generation using micropore plate driven by Langevin type transducer | |
| JPH06300725A (en) | Measuring method for cavitation condition |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190324 |