RU2730421C1 - High-frequency piezoelectric transducer for ultrasonic coagulation - Google Patents
High-frequency piezoelectric transducer for ultrasonic coagulation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2730421C1 RU2730421C1 RU2019139134A RU2019139134A RU2730421C1 RU 2730421 C1 RU2730421 C1 RU 2730421C1 RU 2019139134 A RU2019139134 A RU 2019139134A RU 2019139134 A RU2019139134 A RU 2019139134A RU 2730421 C1 RU2730421 C1 RU 2730421C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pad
- piezoelectric elements
- ultrasonic
- summing
- ring
- Prior art date
Links
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 title claims abstract description 14
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 abstract 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 11
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
Abstract
Description
Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к конструкциям ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей, формирующих высокочастотные (30…100 кГц) колебания и может быть использовано для создания систем ультразвуковой коагуляции в газодисперсных средах для объединения и удаления субмикронных (менее 1 мкм) твердых и жидких частиц и в жидкодисперсных средах для объединения и удаления твердых и газообразных субмикронных (менее 1 мкм) частиц.The invention relates to ultrasonic technology, namely to designs of ultrasonic piezoelectric transducers that form high-frequency (30 ... 100 kHz) vibrations and can be used to create ultrasonic coagulation systems in gas-dispersed media for combining and removing submicron (less than 1 micron) solid and liquid particles and in liquid dispersed media for combining and removing solid and gaseous submicron (less than 1 micron) particles.
Ультразвуковые технологии находят широкое распространение в различных областях деятельности человека. Воздействие ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности позволяет реализовать новые процессы, существенно ускорить известные технологии и получать новые вещества с уникальными свойствами. Реализация ультразвуковых технологий всегда связана с воздействием на различные среды и объекты таких ультразвуковых колебаний, которые способны изменять их структуру и свойства. Для создания ультразвуковых колебаний разработаны, производятся и применяются различные преобразователи, обеспечивающие преобразование какого либо вида энергии в механические колебания требуемой частоты и мощности при заданной поверхности излучения.Ultrasonic technologies are widely used in various fields of human activity. Exposure to high-intensity ultrasonic vibrations makes it possible to implement new processes, significantly accelerate known technologies, and obtain new substances with unique properties. The implementation of ultrasonic technologies is always associated with the impact on various media and objects of such ultrasonic vibrations that are capable of changing their structure and properties. To create ultrasonic vibrations, various transducers have been developed, produced and used, which ensure the conversion of any type of energy into mechanical vibrations of the required frequency and power at a given radiation surface.
Используемые на практике преобразователи, основанные на магнитострикционном или пьезоэлектрическом эффектах, работают только в области низкочастотных ультразвуковых колебаний (18…30 кГц). При этом такие преобразователи способны формировать УЗ колебания только определенной мощности, ограниченной размерами (объемом) активных магнитострикционных или пьезоэлектрических элементов.The transducers used in practice, based on magnetostrictive or piezoelectric effects, operate only in the region of low-frequency ultrasonic vibrations (18 ... 30 kHz). Moreover, such transducers are capable of generating ultrasonic vibrations of only a certain power, limited by the size (volume) of active magnetostrictive or piezoelectric elements.
Это существенно ограничивает области применения ультразвуковых технологий и делает их не пригодными для решения большого количества актуальных проблем, связанных с возможностями высокочастотных (более 30…100 кГц) ультразвуковых излучателей повышенной мощности (до 1000 Вт), с большой площадью излучения, способных обеспечивать воздействия в газодисперсных средах колебаниями с уровнем звукового давления более 130…150 дБ и интенсивностью более 10 Вт/см2 в жидкодисперсных средах.This significantly limits the scope of application of ultrasonic technologies and makes them unsuitable for solving a large number of urgent problems associated with the capabilities of high-frequency (more than 30 ... 100 kHz) ultrasonic emitters of increased power (up to 1000 W), with a large radiation area, capable of providing exposure to gas-dispersed environments with vibrations with a sound pressure level of more than 130 ... 150 dB and an intensity of more than 10 W / cm2 in liquid-dispersed media.
Таким образом, необходимость создания и применения высокочастотных преобразователей повышенной мощности обусловлена возможностью решения актуальных проблем защиты человека, связанных с воздействием на большие пространства газодисперсных сред для коагуляции субмикронных (менее 1 мкм) частиц и на большие объемы жидкодисперсных сред для коагуляции и удаления твердых и газообразных субмикронных частиц.Thus, the need to create and use high-frequency high-power converters is due to the possibility of solving urgent problems of human protection associated with exposure to large spaces of gas-dispersed media for coagulation of submicron (less than 1 μm) particles and on large volumes of liquid-dispersed media for coagulation and removal of solid and gaseous submicron particles. particles.
При создании высокочастотного ультразвукового излучателя за основу может быть выбран только пьезоэлектрический преобразователь, поскольку у магнитострикционных преобразователей при повышении частоты более 30 кГц существенно падает эффективность преобразования.When creating a high-frequency ultrasonic emitter, only a piezoelectric transducer can be chosen as a basis, since in magnetostrictive transducers, when the frequency rises above 30 kHz, the conversion efficiency decreases significantly.
Пьезоэлектрический преобразователь, выполненный по конструктивной схеме Ланжевена (преобразователь Ланжевена), представляет собой последовательно установленные, механически и акустически связанные между собой излучающую накладку, два (или 4, 6) пьезоэлектрических элемента и отражающую накладку. Длина всего преобразователя определяет резонансную частоту формируемых УЗ колебаний и соответствует половине длины волны в материалах преобразователя. Возможность преобразования определенного количества подводимой к преобразователю электрической энергии в энергию механических колебаний ультразвуковой частоты (мощность преобразователя) определяет диаметр и толщина пакета пьезоэлементов (объем пьезоматериала).A piezoelectric transducer made according to the Langevin design scheme (Langevin transducer) is a sequentially installed, mechanically and acoustically interconnected, a radiating pad, two (or 4, 6) piezoelectric elements and a reflective pad. The length of the entire transducer determines the resonant frequency of the generated ultrasonic vibrations and corresponds to half the wavelength in the transducer materials. The possibility of converting a certain amount of electrical energy supplied to the transducer into the energy of mechanical vibrations of the ultrasonic frequency (transducer power) determines the diameter and thickness of the piezoelectric element package (the volume of the piezoelectric material).
Поскольку такие преобразователи хорошо зарекомендовали себя при создании низкочастотных (менее 30 кГц) ультразвуковых излучателей мощностью до 150…1000 Вт, неоднократно предпринимались попытки создать на их основе аналогичные мощные высокочастотные пьезоэлектрические преобразователи путем уменьшения продольного размера и увеличения диаметра.Since such transducers have proven themselves well in the creation of low-frequency (less than 30 kHz) ultrasonic emitters with a power of up to 150 ... 1000 W, attempts have been made repeatedly to create on their basis similar powerful high-frequency piezoelectric transducers by reducing the longitudinal size and increasing the diameter.
Однако такие попытки были обречены на провал по следующим причинам:However, such attempts were doomed to failure for the following reasons:
- уменьшение общей длины пьезопреобразователя приводит к тому, что резонансная частота продольных колебаний начинает приближаться к резонансной частоте паразитных диаметральных резонансных колебаний и эффективность формирования продольных колебаний резко падает.- a decrease in the total length of the piezoelectric transducer leads to the fact that the resonant frequency of longitudinal oscillations begins to approach the resonance frequency of parasitic diametrical resonant oscillations and the efficiency of the formation of longitudinal oscillations drops sharply.
- к сожалению, эту проблему невозможно устранить (даже с потерей эффективности преобразования) повышением мощности пьезопреобразователя за счет увеличения диаметра и количества пьезоэлементов. Основные причины заключаются в том, что промышленностью, из-за ряда принципиальных технологических проблем, не производятся пьезоэлектрические элементы кольцевой формы с внешним диаметром более 50…60 мм и толщиной более 5…6 мм. Кроме того, конструктивное размещение большого количества пьезоэлементов (четыре и более) существенно увеличивает их нагрев за счет размещения пьезоматериала в зонах значительных механических колебаний, при одновременном снижении эффективности теплоотдачи от внутренних пьезоэлектрических элементов в пакете.- unfortunately, this problem cannot be eliminated (even with a loss of conversion efficiency) by increasing the power of the piezoelectric transducer by increasing the diameter and number of piezoelectric elements. The main reasons are that the industry, due to a number of fundamental technological problems, does not produce ring-shaped piezoelectric elements with an outer diameter of more than 50 ... 60 mm and a thickness of more than 5 ... 6 mm. In addition, the constructive placement of a large number of piezoelectric elements (four or more) significantly increases their heating due to the placement of the piezoelectric material in areas of significant mechanical vibrations, while reducing the efficiency of heat transfer from the internal piezoelectric elements in the package.
По этим причинам, диаметр пьезоэлектрического преобразователя не может быть больше половины длины преобразователя (т.е. не более четверти длины волны λ/4).For these reasons, the diameter of the piezoelectric transducer cannot be more than half the length of the transducer (i.e., no more than a quarter of the λ / 4 wavelength).
Простейшие расчеты показывают, например, что при создании пьезопреобразователя с рабочей частотой 90 кГц могут быть использованы пьезокерамические элементы с максимальным диаметром не более 13 мм, и мощность такого преобразователя не будет превышать 20…30 Вт.The simplest calculations show, for example, that when creating a piezoelectric transducer with an operating frequency of 90 kHz, piezoceramic elements with a maximum diameter of no more than 13 mm can be used, and the power of such a transducer will not exceed 20 ... 30 W.
Единственным решением проблемы создания преобразователей с мощностью, приближающейся к мощности низкочастотных преобразователей (до 500…1000 Вт) является суммировании энергии нескольких пьезоэлектрических преобразователей Ланжевена. На этом основаны конструкции известных аналогов [1-4]. Все вышеуказанные преобразователи обладают низкой эффективностью суммирования энергии УЗ колебаний из-за размещения источников колебаний на параллельных осях и невозможности формирования УЗ колебаний высокой частоты. Поэтому они не способны обеспечить высокую эффективность коагуляции субмикронных частиц в газах и жидкостях.The only solution to the problem of creating converters with a power approaching the power of low-frequency converters (up to 500 ... 1000 W) is the summation of the energy of several piezoelectric Langevin converters. The constructions of known analogs are based on this [1-4]. All of the above transducers have a low efficiency of summing the energy of ultrasonic vibrations due to the placement of vibration sources on parallel axes and the impossibility of forming ultrasonic high frequency vibrations. Therefore, they are unable to provide high efficiency of coagulation of submicron particles in gases and liquids.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению, является пьезопреобразователь по патенту [5], принятый за прототип.The closest in technical essence to the proposed technical solution is the piezoelectric transducer according to the patent [5], taken as a prototype.
Пьезопреобразователь по [5], состоит из последовательно размещенных и акустически связанных между собой частотнопонижающих отражающих накладок, пакетов из четного числа пьезоэлементов кольцевой формы, установленных на общей суммирующей накладке.The piezo transducer according to [5], consists of sequentially placed and acoustically interconnected frequency-reducing reflective pads, packs of an even number of ring-shaped piezoelectric elements mounted on a common summing pad.
Преобразователь суммирует механическую мощность нескольких источников ультразвуковых колебаний с увеличением ее плотности. Фактически суммирующая накладка представляет собой переднюю массу преобразователя Ланжевена. Излучающем торцом, с меньшей площадью поверхности, она присоединяется, посредством резьбового соединения, шпилькой к остальной части колебательной системы (концентратор, бустерное звено и рабочий инструмент), служащей для передачи акустической мощности в являющуюся нагрузкой газовую или жидкую среду, в которой колебаниями совершается полезная работа. Суммирующая накладка выполнена в виде сужающегося по длине тела вращения с образующей, имеющей в плоскости профиля вид гладкой монотонной кривой. Служащая для присоединения пакетов пьезоэлементов поверхность другого торца суммирующей накладки с площадью больше, чем у излучающего, имеет плоские грани, к которым и присоединяются источники колебательной мощности (пьезоэлементы и отражающие накладки). Оси источников являются нормалями к граням, сходящимися в центре излучающего торца суммирующей накладки. Расстояния между каждой из граней и центром излучающего торца суммирующей накладки по осям источников кратны нечетному числу четвертей длины продольной акустической волны в материале суммирующей накладки на частоте формируемых ультразвуковых колебаний.The transducer adds up the mechanical power of several sources of ultrasonic vibrations with an increase in its density. In fact, the summing pad is the front mass of the Langevin transducer. The emitting end, with a smaller surface area, is connected, by means of a threaded connection, with a pin to the rest of the oscillatory system (concentrator, booster link and working tool), which serves to transfer acoustic power to the gas or liquid medium, which is a load, in which useful work is performed by oscillations ... The summing pad is made in the form of a body of revolution tapering along the length with a generatrix having the form of a smooth monotonic curve in the profile plane. The surface of the other end of the summing pad with an area larger than that of the emitting one serving for attaching packages of piezoelements has flat faces, to which sources of vibrational power (piezoelectric elements and reflective pads) are attached. The source axes are normals to the faces converging at the center of the radiating end of the summing pad. The distances between each of the faces and the center of the emitting end of the summing pad along the source axes are multiples of an odd number of quarters of the length of the longitudinal acoustic wave in the material of the summing pad at the frequency of the generated ultrasonic vibrations.
Таким образом, в прототипе длина резонансной конструкции, как и в преобразователе Ланжевена, равна или кратна половине длины волны колебаний в ней. Поскольку источники колебаний (пьезоэлементы) расположены под углом друг к другу, то монтаж их упрощается, значит разместить их на суммирующей накладке можно в большем количестве, чем на параллельных осях. Таким образом, суммирование мощности отдельных пьезоэлементов осуществляется на общей суммирующей накладке, и для суммирования могут быть использованы пьезоэлементы и отражающие накладки малого диаметра, но возможность формирования высокочастотных колебаний ограничивается диаметром суммирующей накладки, а обеспечить суммирование высокочастотных колебаний на общей накладке большого диаметра и резонансной длины невозможно из-за возникновения паразитных диаметральных и изгибных колебаний.Thus, in the prototype, the length of the resonant structure, as in the Langevin transducer, is equal to or a multiple of half the wavelength of the oscillations in it. Since the sources of vibrations (piezoelectric elements) are located at an angle to each other, their installation is simplified, which means that they can be placed on the summing pad in a larger number than on parallel axes. Thus, the summation of the power of individual piezoelectric elements is carried out on a common summing pad, and piezoelectric elements and reflective pads of small diameter can be used for summation, but the possibility of forming high-frequency oscillations is limited by the diameter of the summing pad, and it is impossible to ensure the summation of high-frequency oscillations on a common pad of large diameter and resonance length. due to the occurrence of parasitic diametrical and bending vibrations.
Это приводит к снижению эффективности преобразования на повышенной частоте, не позволяет увеличить мощность преобразователя пропорционально числу использованных пакетов пьезоэлементов и делает такой преобразователь непригодным для решения проблем коагуляции субмикронных частиц.This leads to a decrease in the conversion efficiency at an increased frequency, does not allow increasing the power of the converter in proportion to the number of used packages of piezoelectric elements and makes such a converter unsuitable for solving the problems of coagulation of submicron particles.
Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что высокочастотный пьезопреобразователь для ультразвуковой коагуляции снабжен дополнительной излучающей накладкой, выполненной в виде сплошного цилиндра, диаметр и высота которого соответствуют половине длины волны УЗ колебаний в материале излучающей накладки, излучающая накладка по цилиндрической поверхности акустически и механически соединена с внутренней поверхностью суммирующей накладки, выполненной в виде кольца, разница внешнего и внутреннего диаметров которого соответствуют четверти длины волны в материале, толщина кольца изменяется от размера, соответствующего длине излучающей накладки до размера, соответствующего диаметру пьезоэлементов, кольцевые пьезоэлектрические элементы установлены на плоских участках, выполненных на боковой поверхности цилиндрической суммирующей накладки, минимальный размер плоских участков на боковой цилиндрической поверхности соответствует диаметрам пьезоэлементов и отражающих накладок и не превышает четверти длины волны формируемых колебаний.The essence of the proposed technical solution lies in the fact that the high-frequency piezoelectric transducer for ultrasonic coagulation is equipped with an additional emitting pad made in the form of a solid cylinder, the diameter and height of which correspond to half the wavelength of ultrasonic vibrations in the material of the emitting pad, the emitting pad along the cylindrical surface is acoustically and mechanically connected to the inner surface of the summing pad, made in the form of a ring, the difference between the outer and inner diameters of which corresponds to a quarter of the wavelength in the material, the thickness of the ring changes from the size corresponding to the length of the emitting pad to the size corresponding to the diameter of the piezoelectric elements, the ring piezoelectric elements are installed on flat sections made on the lateral surface of a cylindrical summing pad, the minimum size of flat areas on the lateral cylindrical surface corresponds to the diameters of piezoelectric elements and reflective pads, etc. Extends a quarter of the wavelength of the generated oscillations.
Таким образом, предложенное техническое решение отличается от прототипа тем, что добавлена дополнительная излучающая накладка, выполненная в виде сплошного цилиндра, диаметр и высота которого соответствуют половине длины волны УЗ колебаний в материале излучающей накладки. Суммирующую накладку предложено выполнять в виде кольца, разница внешнего и внутреннего диаметров которого соответствуют четверти длины волны в материале, толщина кольца изменяется от размера, соответствующего длине излучающей накладки до размера, соответствующего диаметру пьезоэлементов. Излучающую накладку по цилиндрической поверхности предложено соединить акустически и механически с внутренней поверхностью суммирующей накладки.Thus, the proposed technical solution differs from the prototype in that an additional emitting pad is added, made in the form of a solid cylinder, the diameter and height of which correspond to half the wavelength of ultrasonic vibrations in the material of the emitting pad. The summing pad is proposed to be made in the form of a ring, the difference between the outer and inner diameters of which corresponds to a quarter of the wavelength in the material, the thickness of the ring changes from the size corresponding to the length of the emitting pad to the size corresponding to the diameter of the piezoelectric elements. It is proposed to connect the emitting pad along the cylindrical surface acoustically and mechanically with the inner surface of the summing pad.
Таким образом, излучающая накладка в предложенной конструкции выполняет одновременно функции сумматора и преобразователя диаметральных колебаний в продольные колебания.Thus, the radiating patch in the proposed design simultaneously performs the functions of an adder and a converter of diametrical vibrations into longitudinal vibrations.
Высокочастотный пьезопреобразователь для ультразвуковой коагуляции схематично представлен на фиг. 1.A high-frequency piezoelectric transducer for ultrasonic coagulation is schematically shown in FIG. 1.
Высокочастотный пьезопреобразователь повышенной мощности содержит отражающие накладки (1) и пьезокерамические кольца (2), присоединяемые шпильками к суммирующей накладке 3, механически и акустически соединенной с излучающей накладкой 4.High-frequency piezoelectric transducer of increased power contains reflective pads (1) and piezoceramic rings (2), attached by pins to the
Дополнительная излучающая накладка 4 выполненная в виде сплошного цилиндра, диаметр D1 и высота Ln которого соответствуют половине длины волны УЗ колебаний в материале излучающей накладки. Излучающая накладка 4 по цилиндрической поверхности диаметром D1 акустически и механически соединена с внутренней поверхностью суммирующей накладки 3. Суммирующая накладка 3 выполнена резонансной, в виде кольца, разница внешнего и внутреннего диаметров которого L1 соответствуют четверти длины волны в материале, толщина кольца изменяется от размера, соответствующего длине Ln излучающей накладки до размера, соответствующего диаметру Dc пьезоэлементов, кольцевые пьезоэлектрические элементы 2 установлены на плоских участках, выполненных на боковой поверхности цилиндрической суммирующей накладки, минимальный размер плоских участков на боковой цилиндрической поверхности соответствует диаметрам пьезоэлементов и отражающих накладок и не превышает четверти длины волны формируемых колебаний.An additional
УЗ колебания, создаваемые отдельными пьезоэлектрическими элементами за счет конструктивной схемы, включающей отражающие накладки и суммирующую накладку, формируют колебания на заданной частоте, определяемой конструктивными размерами элементов, представляющих преобразователь, выполненный по традиционной схеме Ланжевена. При этом, излучающая накладка 4 суммирует мощность радиально-расположенных пьезоэлектрических преобразователей за счет того, что периодические радиальные растяжения и сжатия излучающей накладки, создаваемые преобразователями Ланжевена, приводят к формированию продольных колебаний излучающей накладки с амплитудой, увеличенной на коэффициент, равный обратной величине коэффициента Пуассона используемого металла.Ultrasonic vibrations created by individual piezoelectric elements due to the design scheme, including reflective pads and a summing pad, form oscillations at a given frequency, determined by the design dimensions of the elements representing a transducer made according to the traditional Langevin scheme. In this case, the emitting
В свою очередь усилие, создаваемое на торцевой поверхности излучающей накладки, будет пропорционально сумме усилий создаваемых всеми радиально расположенными пьезоэлементами.In turn, the force created on the end surface of the emitting pad will be proportional to the sum of the efforts created by all radially located piezoelectric elements.
Таким образом, чем больше количество преобразователей Ланжевена, тем большее усилие (мощность) можно создать на торцевой поверхности излучающей накладки. К сожалению, число преобразователей будет ограничено размерами суммирующей и излучающей накладки и оптимальным будет использование 12 пакетов пьезоэлементов.Thus, the larger the number of Langevin transducers, the more force (power) can be created on the end surface of the radiating pad. Unfortunately, the number of transducers will be limited by the size of the summing and emitting pad and the optimal use of 12 packs of piezoelectric elements.
В рабочей конструкции преобразователя на рабочую частоту 30 кГц количество пьезоэлектрических пакетов составляет 12 и расстояние между ними равно нулю. Диаметр суммирующей излучающей накладки при этом составил 147 мм, длина равна 91 мм, диаметр пьезоэлементов 40 мм, их толщина 5 мм, толщина отражающей накладки равна 20 мм. Такой преобразователь обеспечивает суммирование мощностей ультразвуковых колебаний отдельных резонансных преобразователей за счет трансформации диаметральных колебаний в продольные с усилением в 5 раз. При таком конструктивном построении высокочастотного пьезопреобразователя на основе 12 пакетов пьезоэлементов диаметром 40 мм на рабочую частоту 30 кГц удается создать преобразователь мощностью не менее 500 Вт при непрерывном режиме работы.In the working design of the transducer for an operating frequency of 30 kHz, the number of piezoelectric packages is 12 and the distance between them is zero. The diameter of the summing emitting pad was 147 mm, the length was 91 mm, the diameter of the piezoelectric elements was 40 mm, their thickness was 5 mm, and the thickness of the reflecting pad was 20 mm. Such a transducer provides the summation of the power of ultrasonic vibrations of individual resonant transducers due to the transformation of diametral vibrations into longitudinal ones with an amplification of 5 times. With such a constructive construction of a high-frequency piezoelectric transducer based on 12 packs of piezoelectric elements with a diameter of 40 mm at an operating frequency of 30 kHz, it is possible to create a transducer with a power of at least 500 W in continuous operation.
Увеличение количества пьезоэлектрических пакетов при уменьшении диаметров используемых пьезоэлементов не позволяет увеличить коэффициент трансформации и мощность преобразователяAn increase in the number of piezoelectric packages with a decrease in the diameters of the used piezoelectric elements does not allow an increase in the transformation ratio and the power of the converter
Для проверки эффективности работы разработанного пьезоэлектрического преобразователя были проведены экспериментальные исследования изготовленного образца пьезоэлектрического преобразователя с максимальным коэффициентом трансформации, имеющего рабочую частоту 90 кГц на основе пьезоэлементов диаметром 13 мм.To check the efficiency of the developed piezoelectric transducer, experimental studies of the manufactured sample of a piezoelectric transducer with a maximum transformation ratio, having an operating frequency of 90 kHz, based on piezoelectric elements with a diameter of 13 mm were carried out.
Проведенные измерения подтвердили эффективность предложенного пьезопреобразователя, соответствие частотных и мощностных характеристик. На торцевой поверхности излучающей накладки такого преобразователя при потребляемой электрической мощности в 250 Вт удалось получить колебания с амплитудой 8 мкм.The measurements carried out confirmed the effectiveness of the proposed piezoelectric transducer, the correspondence of the frequency and power characteristics. Oscillations with an amplitude of 8 μm were obtained on the end surface of the emitting pad of such a converter with an electrical power consumption of 250 W.
Практическая реализация предложенного устройства в лабораторных условиях позволила установить, что использование предложенного устройства, совместно с концентратором и дисковым излучателем, обеспечивает формирование ультразвуковых колебаний с интенсивностью до 140…150 дБ. При таком УЗ воздействии были созданы условия для возникновения интенсивных акустических микропотоков и вихрей, способствующих коагуляции дисперсных частиц и осаждению их агрегатов.Practical implementation of the proposed device in laboratory conditions made it possible to establish that the use of the proposed device, together with a concentrator and a disk emitter, provides the formation of ultrasonic vibrations with an intensity of up to 140 ... 150 dB. With this ultrasonic action, conditions were created for the emergence of intense acoustic microflows and vortices, which promote coagulation of dispersed particles and the deposition of their aggregates.
Проведенные предварительные исследования предлагаемого устройства позволили установить высокую эффективность (более 90%) коагуляции частиц микронного и субмикронного диапазонов и показали возможность создания по предложенной конструктивной схеме устройств УЗ коагуляции различных по размерам частиц с необходимой производительностью.Preliminary studies of the proposed device made it possible to establish a high efficiency (more than 90%) of coagulation of particles of the micron and submicron ranges and showed the possibility of creating ultrasonic coagulation devices of various sizes of particles with the required productivity according to the proposed design scheme.
Практическая реализация предлагаемого технического решения запланирована к реализации Бийским технологическим институтом АлтГТУ им. И.И. Ползунова в 2020 году.The practical implementation of the proposed technical solution is planned for implementation by the Biysk Technological Institute of the Altai State Technical University. I.I. Polzunov in 2020.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ в рамках научного проекта №19-19-00121.This work was carried out with the financial support of the Russian Science Foundation in the framework of the scientific project No. 19-19-00121.
Список использованных источниковList of sources used
1. Ультразвуковая колебательная система [Текст]: патент 2141386 РФ: МПК В06В 3/00. / Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н.; Правообладатель ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова».1. Ultrasonic oscillatory system [Text]: patent 2141386 RF:
2. Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь [Текст]: патент 2452586 РФ: МПК В06В 1/06 (2006.01) / H04R 17/00 (2006.01) / Варнаков А.Е., Малишевский А.О., Хмелев В.К.; Правообладатель Общество с ограниченной ответственностью "УльтраТехМаш" (RU).2. Ultrasonic piezoceramic transducer [Text]: patent 2452586 RF:
3. Ультразвуковое устройство [Текст]: патент 2248850 РФ: МПК В06В 1/06, G01N 29/00. / Коломеец Н.П., Новик А.А.; Правообладатель ООО «Ультразвуковая техника - инлаб».3. Ultrasonic device [Text]: patent 2248850 RF:
4. Интегрирующий акустический волноводный трансформатор [Текст]: патент 2402386 РФ: МПК В06В 3/02 (2006.01 / Шестаков С.Д., Городищенский П.А.; патентообладатель: Шестаков С.Д.,4. The integrating acoustic waveguide transformer [Text]: patent 2402386 RF:
5. Ультразвуковая колебательная система [Текст]: патент 2332266 РФ: МПК В06В 1/06 (2006.01 / Хмелев В.Н., Савин И.И., Цыганок С.Н., Барсуков Р.В., Лебедев А.Н. Правообладатель:5. Ultrasonic oscillatory system [Text]: patent 2332266 RF:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) (RU)-прототип.State educational institution of higher professional education "Altai State Technical University named after II Polzunov" (AltSTU) (RU) -prototype.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019139134A RU2730421C1 (en) | 2019-11-29 | 2019-11-29 | High-frequency piezoelectric transducer for ultrasonic coagulation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019139134A RU2730421C1 (en) | 2019-11-29 | 2019-11-29 | High-frequency piezoelectric transducer for ultrasonic coagulation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2730421C1 true RU2730421C1 (en) | 2020-08-21 |
Family
ID=72237998
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019139134A RU2730421C1 (en) | 2019-11-29 | 2019-11-29 | High-frequency piezoelectric transducer for ultrasonic coagulation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2730421C1 (en) |
Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2302655A1 (en) * | 1975-02-27 | 1976-09-24 | France Etat | MULTI-MOTOR PIEZOELECTRIC TRANSDUCER WITH SINGLE COUNTERBASS |
| US4151437A (en) * | 1976-08-03 | 1979-04-24 | Etat Francais Represente Par Le Delegue General Pour L'armement | Piezoelectric transducers and acoustic antennas which can be immersed to a great depth |
| EP0684085A1 (en) * | 1994-05-26 | 1995-11-29 | ETAT FRANCAIS Représenté par le Délégué Général pour l'Armement | Open sonar array comprising electroacoustic transducers |
| RU2141386C1 (en) * | 1997-12-15 | 1999-11-20 | Бийский технологический институт Алтайского государственного технического университета им.И.И.Ползунова | Ultrasonic oscillation system |
| RU2222387C1 (en) * | 2002-06-20 | 2004-01-27 | Кривега Владимир Андреевич | Piezoelectric through-type ultrasonic converter |
| RU2284228C1 (en) * | 2005-05-13 | 2006-09-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Ultrasonic oscillating system |
| WO2008080888A1 (en) * | 2007-01-02 | 2008-07-10 | Heraeus Psp France Sas | Device for producing ultrasonic vibrations |
| RU2332266C1 (en) * | 2006-12-11 | 2008-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Ultrasonic vibration system |
| RU2430509C1 (en) * | 2010-03-18 | 2011-10-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий" | Device of electrophysical exposure of aerosols |
| RU2473400C2 (en) * | 2011-08-10 | 2013-01-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий" | Ultrasonic vibration system |
| RU132000U1 (en) * | 2013-05-24 | 2013-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ" | ULTRASONIC VIBRATION SYSTEM FOR GAS MEDIA |
| RU138071U1 (en) * | 2013-10-22 | 2014-02-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий Алт ГТУ" | ULTRASONIC VIBRATION SYSTEM |
| RU2548344C2 (en) * | 2013-06-27 | 2015-04-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Device for ultrasonic processing |
-
2019
- 2019-11-29 RU RU2019139134A patent/RU2730421C1/en active
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2302655A1 (en) * | 1975-02-27 | 1976-09-24 | France Etat | MULTI-MOTOR PIEZOELECTRIC TRANSDUCER WITH SINGLE COUNTERBASS |
| US4151437A (en) * | 1976-08-03 | 1979-04-24 | Etat Francais Represente Par Le Delegue General Pour L'armement | Piezoelectric transducers and acoustic antennas which can be immersed to a great depth |
| EP0684085A1 (en) * | 1994-05-26 | 1995-11-29 | ETAT FRANCAIS Représenté par le Délégué Général pour l'Armement | Open sonar array comprising electroacoustic transducers |
| RU2141386C1 (en) * | 1997-12-15 | 1999-11-20 | Бийский технологический институт Алтайского государственного технического университета им.И.И.Ползунова | Ultrasonic oscillation system |
| RU2222387C1 (en) * | 2002-06-20 | 2004-01-27 | Кривега Владимир Андреевич | Piezoelectric through-type ultrasonic converter |
| RU2284228C1 (en) * | 2005-05-13 | 2006-09-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Ultrasonic oscillating system |
| RU2332266C1 (en) * | 2006-12-11 | 2008-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Ultrasonic vibration system |
| WO2008080888A1 (en) * | 2007-01-02 | 2008-07-10 | Heraeus Psp France Sas | Device for producing ultrasonic vibrations |
| RU2430509C1 (en) * | 2010-03-18 | 2011-10-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий" | Device of electrophysical exposure of aerosols |
| RU2473400C2 (en) * | 2011-08-10 | 2013-01-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий" | Ultrasonic vibration system |
| RU132000U1 (en) * | 2013-05-24 | 2013-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ" | ULTRASONIC VIBRATION SYSTEM FOR GAS MEDIA |
| RU2548344C2 (en) * | 2013-06-27 | 2015-04-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Device for ultrasonic processing |
| RU138071U1 (en) * | 2013-10-22 | 2014-02-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр ультразвуковых технологий Алт ГТУ" | ULTRASONIC VIBRATION SYSTEM |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103028540B (en) | Ultrasonic tool head | |
| US20060090956A1 (en) | Ultrasonic rod waveguide-radiator | |
| Khmelev et al. | Summation of high-frequency Langevin transducers vibrations for increasing of ultrasonic radiator power | |
| Lu et al. | A new topological structure for the Langevin-type ultrasonic transducer | |
| RU2332266C1 (en) | Ultrasonic vibration system | |
| CN102527628A (en) | High-power dumbbell rod type tubular longitudinal-radial compound vibration ultrasonic irradiator | |
| Khmelev et al. | Ultrasonic transducer with increased exposure power and frequency up to 100 kHz | |
| Gallego-Juárez et al. | Recent developments in vibrating-plate macrosonic transducers | |
| Royster | The flextensional concept: A new approach to the design of underwater acoustic transducers | |
| RU2730421C1 (en) | High-frequency piezoelectric transducer for ultrasonic coagulation | |
| Khmelev et al. | Longitudinally oscillating ultrasonic emitter for influencing gas-dispersed systems | |
| JPH09103740A (en) | Structure of driving apparatus for ultrasonic sealing device | |
| US3148293A (en) | Vibratory device for delivering vibratory energy at high power | |
| Khmelev et al. | High power ultrasonic oscillatory systems | |
| RU2284228C1 (en) | Ultrasonic oscillating system | |
| CN113731326B (en) | Large-volume ultrasonic tube reactor | |
| RU64274U1 (en) | DEVICE FOR LOW-FREQUENCY ACOUSTIC INFLUENCE ON THE PERFORATION ZONE AND OIL LAYER IN THE BOTTOM-HOLE ZONE | |
| RU138071U1 (en) | ULTRASONIC VIBRATION SYSTEM | |
| RU94488U1 (en) | ULTRASONIC VIBRATION SYSTEM | |
| JP2017523891A (en) | A method and apparatus for enhancing the effects of alternating ultrasonic transmissions without cavitation. | |
| RU2744826C1 (en) | Piezoelectric oscillating system for ultrasonic action on gaseous media | |
| RU2222387C1 (en) | Piezoelectric through-type ultrasonic converter | |
| Khmelev et al. | Summation of oscillations of high-frequency Langevin transducers to increase the power of an ultrasonic emitter | |
| RU2141386C1 (en) | Ultrasonic oscillation system | |
| RU186060U1 (en) | SUBMERSIBLE ULTRASONIC UNIT ASSEMBLY, ENSURING THE STABILITY OF OPERATION OF ULTRASONIC EQUIPMENT |