Ультразвуковые концентраторы и волноводы

Это устройства для увеличения амплитуды колебательного смещения частиц среды, то есть интенсивности ультразвука. Применяются 2 типа концентратора фокусирующие (для создания ультразвуковых колебаний вне концентратора) и стержневые. Фокусирующие концентраторы приведены на рисунках 6.12 и 6.13.

В качестве излучающего элемента (рис. 6.12) может служить сферическая оболочка, которая колеблется на частоте резонанса по толщине. Возбуждается оболочка пьезокерамическими платинами, имеющими туже резонансную частоту и покрывающими ее сплошь в виде мозаики. Излучение колебаний в полость с водой и сходящая сферическая волна фокусируется у основания стакана с исследуемым объектом. Полость стакана отделяется от контактной среды звукопрозрачной пленкой. В качестве контактной среды может использоваться также твердое вещество с малым поглощением звука (рис. 6.13). Стержневой концентратор – твердый стержень переменного сечения или переменой плотности, присоединяемой к излучателю более широким концом или частью с большей плотностью материала. Принцип действия основан на увеличении амплитуды колебаний частиц стержня в результате уменьшения его поперченного сечения или плотности по закону сохранения количества движения. Увеличение амплитуды тем больше, чем больше различия диаметров или плотностей противоположных торцов стержня. Такие концентраторы работают при частотах от 18 до 100 кГц на резонансной частоте, то есть их длина должна быть кратна целому число полуволн. Максимальный линейный размер широко конца концентратора должен быть меньше λ/2. Коэффициентом усиления концентратора К называется отношение амплитуды смещений (или скоростей) на его узком A₀ (V₀) и широком A_n (V_n) его концам.

Стержневые концентраторы квалифицируют:

· По форме продольного сечения (ступенчатые, конические, экспоненциальные, катеноидные, ампульные)

· По форме поперечного сечения (круглые, клинообразные и другие)

· По количеству последовательно соединенных резонансных концентраторов полуволновой длины (одно, двух и так далее ступенчатые)

На рисунке 6.14 показаны различные типы полуволновых концентраторов, а также распределение амплитуд смещений A и напряжение Δ. Различают 2 режима работы концентраторов: колебательный режим вне нагруженном состоянии (режим стоячей волны), режим бегущей волны при нагрузке на полностью поглощающую активную среду. Степень приближения колебаний к режимам бегущей или стоячей волны определяется коэффициентом бегущей волны:

A_0min – амплитуда смещений в узловом сечении

A_0max – амплитуда смещений в пучности колебаний

Переменная площадь по сечению концентратора можно обеспечить, изменяя их внутренний профиль (рис. 6.15). Концентраторы могут изготавливаться из титановых сплавов (минимальные акустические потери, высокая амплитуда колебаний, усталостная прочность), однако соединение титана с магнитострикционными материалами затруднено, чаще концентраторы изготавливают из сталей 40Х и 45. Соединение звеньев колебательной системы выполняют в узлах деформации или пучностях смещений, где механические напряжения минимальны.

Соединение ферритовых преобразователей с концентратором клеевое. Пьезокерамических преобразователей с помощью накладок и стяжных болтов, кроме колебательной систем с продольными колебаниями используют системы с изгибными и крутильными колебаниями (рис. 6.16). Могут применяться пьезокерамические преобразователи крутильных колебаний из двух полуцилиндрических пьезоэлементов поляризованных в круговую, и соединенных вместе клеем (рис. 6.17). Однако они не обеспечивают высокой излучающей мощности. Для устранения этого применяют конструкции, приведенные на рисунке 6.18. Между частотопонижающими накладками (рис. 6.18.а) с помощью болта и гайки закреплены пьезокерамические кольца, набранные из отдельных секций пьезокерамики и серебряных электродов (рис. 6.18.б). Пьезокерамика поляризуется по периферии как одно целое.

Применяются акустические колебательные системы много направленной передачи ультразвуковой энергии, которые преобразовывают колебания по нескольким направлениям или аккумулирует энергию от нескольких источников в одном направлении (рис. 6.19-6.20).

Волновод для преобразования радиальных колебаний в продольные представляет собой диск, к которому по периферии закреплены преобразователи (рис. 6.21). На торцах цилиндра, соединенного с диском возникают продольные колебания. Чаще всего используется режим одностороннего излучения преобразователей, то есть излучающим элементом является лишь одна сторона и концентратор и волновод крепятся к одному из торцов преобразователя. Вместе с тем в некоторых случаях могут применяться двухсторонние колебательные системы, когда используется излучение с обоих торцов ультразвукового преобразователя (рис. 6.22). Такие системы удобны при создании двухпозиционного технологического оборудования.