Механизм удаления загрязнений с помощью ультразвука

*****@***ru

1. МЕХАНИЗМ УДАЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ УЛЬТРАЗВУКА

1.1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ

Ультразвуковое поле в жидкости характеризует в классической акустике звуковым давлением и интенсивностью колебаний.

В практике ультразвуковой очистки используются ультразвуковые колебания большой мощности, создающие нерегулярное поле с разрывами сплошности среды. В связи с неопределенностью параметра «волновое сопротивление» для такого рода среды звуко­вое давление и интенсивность колебаний не характеризуют пол­ностью мощные ультразвуковые поля, создаваемые в ваннах очистки.

Распространение ультразвуковых колебаний значительной амплитуды вызывает в жидкости целый ряд явлений, важнейшие из которых - кавитация, акустические потоки, радиационное давление. Эти явления оказывают основное физическое воздействие на процесс ультразвуковой очистки, они же усиливают химическое взаимодействие моющей жидкости с загрязнениями.

Кроме чисто механического разрушения пленок загрязнений, кавитация и акустические течения интенсифицируют процессы эмульгирования и растворения, сопутствующие очистке. Акусти­ческие течения способствуют выносу загрязнений и улучшают обмен моющего раствора в зоне очистки, радиационное давление наряду с кавитацией (но в значительно меньшей степени) способ­ствует разрушению загрязнений. Экспериментальные исследова­ния ультразвуковых кавитационных полей, произведенные с помощью скоростной киносъемки, наглядно показали, что кавитационные пузырьки являются главным фактором, разрушаю­щим поверхностные пленки загрязнений.

При воздействии мощного ультразвукового излучателя на жидкость в последней наблюдаются переменные давления, изме­няющиеся с частотой возбуждающего поля и создающие высокие, плотности энергии. При амплитудах звукового пол я, превышающих некоторое пороговое для данной жидкости значение, возникает кавитация, которая характеризуется ростом пузырька в течение всего полупериода отрицательных давлений ультразвукового поля, а также в течение некоторой части полупериода положительных давлений. Пузырек вырастает до некоторого максимального размера и захлопывается. Причем с увеличением звукового давления растет и максимальный радиус пузырька и время захлопы­вания. Верхняя граница прочности жидкости на разрыв равна внутреннему давлению в жидкости, которое определяется силами межмолекулярного взаимодействия. Пузырек, захлопываясь, создает ударные волны большой силы - импульсы давления, достигающие нескольких тысяч ат­мосфер. Такие высокие ударные давления вызывают сильные ка­витационные разрушения на поверхности твердых тел. Вели­чина максимального ударного давления Р определяется из выражения, связывающего его с давлением газа в пузырьке, давлением в жидкости и отношением теплоемкостей газа при постоянном давлении и постоянном объеме.

Методами скоростной киносъемки наглядно показано, как -'происходит разрыв поверхностной пленки загрязнений. Под пленку проникает пузырек, перемещающийся под ней, отрываю­щий и дробящий ее при захлопывании,.

Кавитационное разрушение до некоторого значения растет с увеличением параметра τ/0,5Т. Зависимость убыли веса от параметра τ/0,5Т носит экстремальный характер и достигает максимума при τ/0,5Т = 1, т. е. когда время захлопыва­ния равно полупериоду колебаний. При дальнейшем увеличении этого параметра кавитационное разрушение падает, так как пузырек не успевает захлопнуться к моменту действия отрицатель­ного полупериода давлений. Описанное явление наблюдают при больших звуковых давлениях, когда пузырек захлопывается не сразу, а через некоторое время (т > 0,57) и ударные волны образуются не в каждый период.

Большой радиус кавитационных пузырьков и длительное время их существования объясняют неэффективность очистки при использовании низкочастотных концентраторов.

Кавитационные процессы имеют статистический характер. Коли­чество и размеры кавитационных пузырьков зависят от многих па­раметров, главные из которых интенсивность, звуковое давление, частота, физические свойства жидкости — вязкость, плотность, температура, газосодержащие. Из внешних факторов наибольшее влияние оказывает статическое давление.

В жидкости пузырьки существуют одновременно в трех стадиях: возникающие и растущие колеблю­щиеся пузырьки, захлопываю­щиеся кавитационные пузырьки, создающие интенсивные ударные волны, и более крупные пузырьки с малой амплитудой пульсаций, всплывающие на поверхность и диффундирующие в жидкость. Имеются также крупные газонаполненные пузырьки, либо воз­никшие в результате химической реакции, либо искусственно введенные в моющий раствор. Доля участия каждой группы пу­зырьков в разрушении и удалении загрязнений различна.

Кавитационные пузырьки, возникшие в ультразвуковом поле, различны по размерам, их диаметры колеблются от 0,01 до 1,0 мм..

Этим размерам соответствуют собственные резонансные частоты пузырьков от 600 до 6 кГц

Наиболее интенсивные импульсы давлений создают пузырьки, собственные частоты которых близки или кратны частоте возбуж­дающего ультразвукового поля. Пузырьки участвуют в кавитационных процессах, если их радиус меньше критического, при данном гидростатическом давлении.

Акустическое поле в жидкости при наличии кавитации имеет широкий спектр частот. Кроме основной частоты, равной частоте возбуждения ее гармоник, где п = 1, 2, 3 .... в спектре содержится серия субгармонических частот кавитационного спектра.

Появление субгармонических составляющих связано с тем, что пульсация и захлопывание пузырьков происходит не строго с ча­стотой колебаний возбуждающего поля, так как имеют место про­пуски циклов захлопывания. Ряд составляющих, спектра возникает при взаимодействии колеблющихся и захлопывающихся пузырь­ков. Процесс кавитации характеризуется интенсивным шумообразованием—характерным «шипением» при работе ультразвуковых • ванн. В полном спектре частот кроме дискретных составляющих появляется сплошной спектр «белого шума». Причиной возникно­вения его считают нелинейное взаимодействие отдельных спек­тральных составляющих. Можно предположить также, что в сплош­ной спектр вносят свой вклад и многочисленные высшие гармони­ческие составляющие линейчатого спектра.

Для ультразвуковых ванн, работающих в диапазоне частот 18—22 кГц, распределение частотного спектра охватывает полосу до 40-й гармоники, но наибольшая спектральная плотность кавитационного шума соответствует полосе частот до 20-й гармоники частоты возбуждения.

Сплошная часть кавитационного спектра несет информацию о функции распределения кавитационных пузырьков в кавитационной области по размерам [2]. Огибающая сплошного спектра шумов изменяется в зависимости от газосодержания и некоторых других параметров жидкости. Установлено, что величина кавита-ционной эрозии линейно связана со средней мощностью кавита-. ционного шума, измеренного в широкой полосе частот. Таким образом, спектр кавитации содержит важную информацию, изуче­ние которой позволит объяснить ряд вопросов, связанных с исполь­зованием кавитационных явлений.

Суммируя сказанное о роли кавитации в процессах очистки, следует отметить ее первостепенное значение при разрушении и снятии твердых пленок и частиц загрязнений, а также при очистке нерастворимых в моющих растворах загрязнений.

Рассмотрим особенности акустических течений и их роль в про­цессах ультразвуковой очистки. Под акустическими течениями понимают стационарные вихревые потоки, образующиеся в озву­ченной жидкости. Эти потоки создаются, как правило, у препят­ствий, например, у деталей, находящихся в звуковом поле, но могут образовываться и в свободном пространстве, если звуковое поле неоднородно. К акустическим потокам относятся также микро­течения, образующиеся вблизи поверхности, очищаемой осцилли­рующими пузырьками.

Из акустических течений наибольший интерес представляют течения в пограничном к твердой поверхности слое и вблизи него. В тонком пограничном слое градиент скорости велик, а силы, воз­никающие в нем, значительно увеличены по сравнению с силами в свободном звуковом поле.

Из акустических течений вне пограничного слоя представляют интерес течения, возникающие между двумя плоскостями, обусловленные стоячей волной между ними.

Акустические течения играют большую роль в очистке растворимых загрязнений. Этим объясняется, в частности, тот факт, что на высоких частотах, где кавитация намного ниже, чем на низких, растворимые загрязнения очищаются. Растворение связано с процессом диффузии, переходом компонентов загрязнений из твердой фазы в жидкую, причем эффективность очистки определяется скоростью перехода загрязнений из пограничного слоя в остальной объем.

Интенсивное перемешивание, вихревые потоки, возникающие вблизи очищаемых поверхностей, уменьшают толщину диффузнойного слоя и увеличивают скорость очистки.

Турбулентность потока и плотность акустической энергии увеличиваются при наличии микронеровностей поверхностного слоя кавитационные разрушения поверхностного слоя способтвуют усилению действия акустических потоков, интенсифици­руют процесс перемешивания и растворения поверхностных загрязнений. Акустические потоки способствуют также лучшему обмену растворителей в зоне очистки, уносу загрязненного раство­рителя и поступлению свежей порции раствора. На скорость очи­стки влияет и отношение концентрации загрязнений раствора в зоне очистки к концентрации его во всем объеме.

Действующее в ультразвуковом поле радиационное давление возникает в результате того, что переносимый волной средний импульс энергии изменяется в пространстве. Радиационное давле­ние обнаруживается визуально в эффекте фонтанирования, когда при падении ультразвукового пучка на границу раздела двух сред появляется вспучивание поверхности. Поскольку даже в ультразвуковых полях большой интенсивности радиационное давление намного меньше амплитуды переменного звукового давления, можно предположить, что оно не оказывает существен­ного влияния на процесс ультразвуковой очистки.

1.2. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА УЛЬТРАЗВУКОВУЮ ОЧИСТКУ

Эффективность ультразвуковой. очистки определяется физи­ческими и химическими свойствами среды и характеристиками ультразвукового поля. Основными физическими факторами, влияю­щими на ультразвуковую очистку, являются частота колебаний, звуковое давление, интенсивность ультразвукового поля, удале­ние от излучающей поверхности, статическое давление, физиче­ские свойства моющей жидкости — вязкость, плотность, поверх­ностное натяжение," давление парогазовой смеси.

Диапазон частот, используемый в ультразвуковых установках для очистки, простирается от 16 кГц до сотен кГц. Известно, что основную роль в процессе ультразвуковой очистки играют кавитационные явления в рабочей среде. Увеличение частоты колебаний приводит к уменьшению размеров пузырьков за счет сокращения времени роста их, когда звуковое давление превышает внешние силы, удерживающие пузырьки в состоянии равновесия. При этом интенсивность ударных волн с повышением частоты падает. Реше­ние уравнения движения кавитационного пузырька для диапазона частот 20 — 500 кГц, проведенное в работе, показало зна­чительное снижение эрозионной активности с повышением ча­стоты.

Увеличение частоты приводит к повышению порога кавитации, так как уменьшается время действия растягивающих усилий, необходимое для роста кавитационного пузырька. Поэтому тре­буется большая интенсивность колебаний для образования и захлопывания пузырьков. Так, в насыщенной, газом воде при ком­натной температуре и нормальном атмосферном давлении для образования кавитации необходима интенсивность 0,3 Вт/сма при частоте 20 кГц и 1,0 Вт/см2 при частоте 100 кГц. Повышение частоты до определенного предела имеет и положительные эффекты: более равномерное кавитационное поле во всем объеме ванны, уменьшение эффекта экранировки кавитационными пузырьками на границе излучатель - жидкость, возможность очистки деталей на значительном расстоянии от излучателя, большой силы акусти­ческие потоки, создающие интенсивное перемешивание раствора, увеличение эффекта растворения жидкотекучих загрязнений за счет поглощения ультразвуковой энергии. Уменьшение длины волны в жидкости на высоких частотах дает возможность более качественно производить очистку малых отверстий.

В ряде случаев низкие ультразвуковые частоты 16—22 кГц противопоказаны в связи с кавитационным разрушением поверх­ности деталей. Однако к. п. д. преобразователя и. излучаемая им мощность значительно падают с повышением частоты. Использование частот выше 44 кГц для целей очистки вряд ли можно считать целесообразным.

Применение же для очистки низких частот звукового диапазона нецелесообразно, так как эффективность очистки падает за счет появления в жидкости крупных пульсирующих пузырьков, кото­рые не создают мощных импульсов давления, характерных для кавитационных пузырьков. Кроме того, уровень шумов, созда­ваемых такими установками, значительно превышает санитарные нормы.

В ряде случаев находят применение установки для очистки, работающие одновременно и на низких, и на высоких частотах ультразвукового диапазона. Достоинство таких установок в том, что кавитационные пузырьки, легко возникающие на низких частотах, получают большое ускорение под воздействием гидро­динамических потоков, создаваемых высокими частотами.

В кавитирующей жидкости не существует регулярного поля звуковой волны. Формула (1) для определения звукового давления в данном случае является приближенной. Практически можно говорить о звуковом давлении на границе излучатель—жидкость. Величина его составляет в ультразвуковых установках для очистки 2-105—1,4-10е Н/м2.

Звуковое давление оказывает значительное влияние на пульса­цию и рост кавитационных пузырьков. Его величина должна быть достаточной для образования пузырьков. С увеличением звукового давления повышается время роста и захлопывания кавитационных пузырьков. Увеличивается число пульсирующих пузырьков, ра­стет и объем кавитационной области, так как все большее коли­чество кавитационных зародышей с повышением давления начинает участвовать в кавитационных процессах. При каком-то критиче­ском значении звукового давления количество и объем пульсирую­щих пузырьков резко возрастают. Существует оптимальное соот­ношение между количествами вновь образующихся кавитацион­ных и пульсирующих пузырьков. При этом соотношении величина. эрозионной активности моющей жидкости максимальна.

Интенсивность ультразвукового поля связана со звуковым давлением известным соотношением. В связи с неопределен­ностью понятия рс для кавитирующей жидкости часто возникает ошибка в определении интенсивности ультразвукового поля.

Качество очистки определяется плотностью энергии, вводимой в определенный технологический объем. Практическое измерение этой величины, как и интенсивности ультразвукового поля, пред­ставляет значительные трудности.

На практике под интенсивностью ультразвукового поля пони­мают мощность, приходящуюся на единицу площади излучателя. Оптимальная интенсивность колебаний, используемая при очистке в диапазоне низких ультразвуковых частот, составляет 1,6— 3 Вт/сма для водных растворов и 0,5—1 Вт/сма для органических растворителей, порог кавитации которых ниже. Однако для слабых, легко растворимых загрязнений достаточна интенсивность 0,5 Вт/см2. Одним из факторов, ограничивающих предельную интенсивность ультразвукового поля, является кавитационная эрозия поверхности очищаемых деталей. Кроме того, при интенсивностях, превышающих оптимальное значение, вблизи излу­чающей поверхности возникает плотная кавитационная область, препятствующая распространению ультразвуковых колебаний в объеме ванны.

Очистка деталей происходит тем эффективнее, чем ближе они находятся к излучающей поверхности преобразователя. С удале­нием детали от излучателя интенсивность ультразвуковых колеба­ний изменяется по идеализированной кривой [9.1. В реальных условиях интенсивность ультразвукового поля в объеме зависит от многих факторов. Так, характер изменения интенсивности ультразвука в озвучиваемом объеме зависит от типа колебаний излучающей пластины. При ее изгибных колебаниях кавитацион­ная область сосредоточена вблизи излучающей пластины, в этой зоне создаются и акустические течения; при поршневых колебаниях излучателя кавитационное поле становится равномернее по объему и удаляется от поверхности излучателя.

Из внешних факторов, значительно воздействующих на кавитационную эрозию и характер кавитационного поля, главным является статическое давление. В работах установлено, что при определенном соотношении между звуковым рА и стати­ческим р0 давлениями, равным для воды р0//>А — 0>4, можно значительно увеличить кавитационную эрозию, причем наиболь­ший выигрыш получается при повышении звукового давления, так как эрозионная активность пропорциональна р. Приближенно считают, что при захлопывании кавитационной полости создается давление, равное сумме среднего значения звукового и статиче­ского давлений. Повышение статического давления приводит также к увеличению скорости акустических течений.

Повышенное давление в замкнутом рабочем объеме может быть достигнуто подачей сжатого воздуха, инертного газа или путем прокачки моющей жидкости. Недостатками при использовании повышенного статического давления являются уменьшение коли­чества кавитационных пузырьков и сужение области кавитации. Рассмотрим влияние физических свойств жидкости на процесс ультразвуковой очистки. Проведенные исследования пока­зали, что эрозия образцов растет с увеличением поверхностного натяжения жидкостей. Однако при очистке деталей, имеющих отверстия, каналы, щели, капилляры, уменьшение поверхностного натяжения способствует повышению качества очистки за счет лучшего проникновения моющего раствора.

Повышение' плотности жидкости затрудняет образование кавитационных пузырьков в связи с увеличением присоединенной массы жидкости. Поэтому уменьшаются количество кавитационных пузырьков и их радиус. При некотором достаточно высоком значении плотности кавитационмые пузырьки могут вырождаться в пульсирующие.

Для моющих сред, широко используемых при ультразвуковой очистке, вариации плотностей существенно не влияют на ка­чество ультразвуковой очистки.

На эффективность ультразвуковой очистки оказывает влияние вязкость моющей среды. Влияние это двояко. С одной стороны, повышение вязкости приводит к увеличению потерь ультразвуко­вой энергии на вязкое трение. Вязкость влияет на акустические потоки, в особенности в пограничном слое твердое тело—жидкость: уменьшается скорость течения в пограничном слое, изменяется его толщина. С другой стороны, более вязкая жидкость уменьшает максимальный радиус пузырька, сдвигает фазу захлопывания, сокращает время захлопывания, увеличивает силу ударной волны при захлопывании. Необходимо учитывать также, что с увеличе­нием вязкости возрастает активная нагрузка на преобразователь," что может привести к изменению вводимой в объем акустической мощности.

Большое значение для эффективности очистки имеет давле­ние парогазовой смеси в кавитационных пузырьках, рав­ное сумме парциальных давлений водяного пара и газа (воз­духа). Пульсации кавитационных пузырьков сопровождаются их периодическими растяжением и сжатием. В фазе растяжения, когда площадь пузырька значительно возрастает, создаются условия для диффузии газа из жидкости в пузырек, и наоборот, в фазе сжатия газ может диффундировать из пузырька в жидкость. Скорость диффузии зависит от коэффициента растворимости газа, с увеличением которого кавитационная эрозия падает. Экспери­менты показали, что чем сильнее насыщен моющий раствор газом, тем меньше эрозионная активность. Поэтому для процесса очистки не безразлично, какая газовая среда находится над поверхностью * ультразвуковой ванны.

Величина давления при захлопывании кавитационного пузырька полностью определяется параметром парогазосодержания. Давление парогазовой смеси определяет величину силы, необходи­мой для захлопывания пузырька. Давление при захлопывании и эрозионная активность пузырьков уменьшаются при увеличении давления пара. Большой упругостью пара обладают органиче­ские растворители: бензин, керосин, ацетон и др.

Давление насыщенных паров .в растворе зависит от темпера­туры моющего раствора, которую в ряде случаев для обеспече­ния качественной очистки необходимо поддерживать постоянной. Температура оказывает сложное. влияние на физико-химические свойства моющего раствора. При повышении температуры растут химическая активность и растворяющая способность моющего раствора, но уменьшаются вязкость, поверхностное натяжение, резко увеличивается давление парогазовой смеси, что приво­дит к уменьшению эрозионной способности.

Для каждой жидкости существует определенный рабочий интервал температур, в котором эрозионная активность жидкост, оптимальна. Для родных щелочных растворов это 40—65° С, дл: керосина 20—30° С, для спирто-бензиновой смеси 10—20° С В зависимости от вида загрязнений выбирается и температур, раствора. Для химически активных и кавитационно нестойки' загрязнений температуру раствора следует повышать. Для загрязнений, химически не реагирующих с раствором и имеющий высокую кавитационную стойкость, необходимо выбирать температуру раствора, соответствующую максимальному значении кавитационной эрозии.

1.3. МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Ферромагнетики, применяемые э ультразвуковых преобразо­вателях, относятся к группе поликристаллических веществ. По­ликристаллическое вещество состоит из большого числа отдельных очень малых областей, называемых доменами. В каждом отдель­ном домене атомные магнитные моменты ориентированы в одном направлении, обычно отличном от направления ориентации со­седних областей.

Даже при отсутствии внешнего магнитного поля домены остаются намагниченными из-за наличия внутримолекулярного поля, которое ориентирует элементарные диполи параллельно друг другу в направлении так называемого легчайшего намагни­чивания, т. е. намагничивают эти области самопроизвольно (спон­танно) до насыщения.

В ферромагнетиках элементарные диполи устанавливаются параллельно друг другу в результате действия особых сил электрического происхождения. Эти силы поддерживают параллель­ность магнитных моментов в весьма малых областях. Вследствие беспорядочной ориентации магнитных моментов отдельных об­ластей векторная сумма всех намагниченностей равна нулю, и внешне ферромагнетик при отсутствии приложенного извне поля остается магнитно-нейтральным.

При наличии внешнего магнитного поля в ферромагнитном теле происходит перераспределение магнитных моментов обла­стей, и намагниченность тела возрастает. При увеличении напря­женности магнитного поля Н растет намагниченность образца. При слабых полях она растет медленно; с ростом напряженности поля намагниченность начинает расти очень быстро. При сильной напряженности поля рост намагниченности замедляется и при значении Я, равном насыщению, прекращается. Образец до­стигает так называемого технического насыщения.

Если после достижения технического насыщения начать умень­шать внешнее магнитное поле, то последняя фаза намагничивания (вращение векторов) повторится в обратном направлении, но последующие фазы окажутся частично необратимыми, т. е. воз­никнет остаточная намагниченность Вг. Ее можно уничтожить, приложив поле противоположного знака. Кривая, характеризую­щая этот процесс, называется динамической кривой намагничи­вания (гистерезисной кривой).

Магнитострикционный эффект заключается в том, что ферро­магнитное тело при намагничивании деформируется. Существует также обратный Магнитострикцион­ный эффект, заключающийся в изме­нении намагниченности тела при его деформации.

В ферромагнетике возможны два вида магнитострикции: линейная магнитострикция, при которой про­исходит изменение геометрических размеров тела в направлении при­ложенного поля, и объемная магни­тострикция, при которой геометри­ческие размеры тела изменяются во всех направлениях.

Области «смещения границ» и «вращения векторов» кривой на­магничивания соответствуют действию магнитных сил в кристал­лической решетке, и магнитострикция в этой области существенно зависит от направления вектора намагничивания по отношению к кристаллографическим осям.

Таким образом, линейная магнитострикция осуществляется в сравнительно слабых полях за счет изменения магнитных сил кристаллической решетки и соответствует областям смещения и вращения кривой намагничивания; объемная магнитострикция осуществляется в более сильных полях за счет действия электри­ческих сил и определяется - областью насыщения кривой намагни­чивания.

В магнитострикционных преобразователях используется ли­нейная магнитострикция.

Магнитострикционный эффект различен у разных металлов и сплавов. Сравнительно высокой магнитострикцией обладают никель и пермендюр. Величина магнитострикции во мно­гом определяется технологией изготовления и режимом работы магнитострикционных преобразователей.

Пакет магнитострикционного преобразователя представляет со­бой сердечник из тонких пластин, на котором размещена обмотка для возбуждения в нем переменного высокочастотного поля.

Магнитострикционный эффект является четным эффектом по­скольку знак деформации сердечника не изменяется при перемене направления поля на обратное. Частота изменения деформаций будет в два раза больше частоты переменного тока, протекающего через обмотку преобразователя.

Обычно в ультразвуковой технике применяют поляризованные преобразователи, по обмотке которых пропускают помимо пере­менного еще и постоянный ток. Физически это можно представить себе так, что внешнее постоянное поле ориентирует элементарные магнетики в одинаковом направлении, и вещество начинает вести себя подобно монокристаллу. При наличии поляризации частота деформаций равна частоте приложен­ного электрического напряжения, а амплитуда деформации Хп значительно больше при той же амплитуде перемен­ной магнитной индукции Вт.

Эквивалентные схемы магнитострикционного преобразователя строятся на основании основного уравнения магнитострикцион­ного эффекта с использованием метода электромеханических ана­логий, вывод которых основан на рассмотрении преобразователя как системы с распределенными параметрами.

1.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ

ГЕНЕРАТОРОВ

Характеристики ультразвуковых генераторов подразделяются на электрические и неэлектрические.

Электрические характеристики — это рабочая частота или диапазон частот, мощность на выходе генератора, к. п. д., ста­бильность и точность установки частоты, стабильность ампли­туды механических колебаний, уровень индустриальных радио­помех.

К неэлектрическим характеристикам относятся: конструктив­ные требования, определяемые простотой конструкции, габаритом и массой, удобством обслуживания и ремонта, наличием хорошего естественного или принудительного теплоотвода, теплостойкостью и влагостойкостью деталей и узлов, устойчивостью к внешним воз­действиям и т. п.; уровень шумов, эксплуатационные экономиче­ские и энергетические показатели, позволяющие оценить практи­ческую пригодность генераторов к использованию в производственных условиях, определяемые устройством генератора, числом органов управления, числом операций включения и настройки, на­дежностью и сроком службы, общим к. п. д., стоимостью и т. п. Рассмотрим основные электрические характеристики генера­торов.

Рабочая частота или диапазон частот устанавливаются в за­висимости от назначения ультразвуковых установок. Для лампо­вых генераторов в соответствии с ГОСТ 13952—68 выделены сле­дующие полосы частот: 18 ± 1,35; 22 ± 1,65; 44+- 4,4; 66+-6,6; 440+-11; 880+-8,8 и 1760±44,0 кГц, а для транзисторных генераторов в соответствии с ГОСТ 16165—70 установлены сле­дующие полосы частот: 18 ± 1,35; 22+- 1,65; 44 ± 4,4 и 66 ± 6,6 кГц.

Обычно ультразвуковые генераторы выполняются с одной рабочей частотой или полосой частот. Однако в случае ультра­звуковых генераторов универсального применения могут быть две и более рабочих частоты или полосы частот.

Под выходной мощностью понимают электрическую мощность, подводимую к нагрузке. В соответствии с ГОСТ 9865—68 уста­новлен следующий ряд номинальных мощностей: 0,04; 0,10; 0,25; 0,40; 0,63; 1,00; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 10,0; 16; 25,0; 40,0; 63,0; 100; 160; 250 кВт. В генераторах может быть предусмотрена регули­ровка выходной мощности от 10 до 100% или от 50 до 100% но­минального значения.

К - п. д. генератора характеризуется отношением его выход­ной мощности Р ко всей потребляемой им мощности Р,, т. е. т\4= = р/рз', он зависит от мощности генератора и от типа используемого в нем преобразовательного элемента, его режима, от каче­ства узлов и деталей.

Зависимость к. п. д. генераторов от их мощности.

Стабильность и точность установки, частоты относится к гене­раторам с независимым возбуждением. Они определяются характе­ром нагрузки, являющейся резонансной системой. Ее эталонность определяет требования по стабильности, предъявляемые к гене­раторам. Так, при работе с магнитострикционными преобразова­телями, озвучивающими жидкие среды; стабильность частоты должна быть не хуже =+- 0,005.

Точность установки частоты аналогична стабильности частоты и определяется качеством органов настройки генератора.

Стабильность амплитуды механических колебаний электро­акустического преобразователя характеризует обеспечение по­стоянства механических параметров преобразователя электри­ческими методами. В тех случаях, когда внешние воздействия приводят к изменению параметров электроакустического преобра­зователя, наблюдается уменьшение амплитуды его колебаний, осо­бенно в высокодобротных системах с концентраторами. Тогда ге­нераторы должны обеспечивать не стабильность частоты, а ста­бильность амплитуды колебаний торца концентратора порядка ±( 5*10ˉ² - 1*10ˉ²). Стабилизация амплитуды механических ко­лебаний достигается путем введения в генератор автоподстройки частоты и в некоторых случаях устройства, автоматически регули­рующего мощность, подводимую к преобразователю.

Режим работы ультразвукового генератора определяется ха­рактером технологического процесса, который обеспечивает гене­ратор, или требованиями простоты его схемы и конструкции. Применяются режимы: непрерывной генерации с постоянной ам­плитудой, амплитудной и частотной модуляцией, импульсной с радиочастотными импульсами.

Наиболее часто для целей очистки используется режим непре­рывной генерации. Однако для интенсификации процессов целесообразна работа радиочастотными импульсами с различной скваж­ностью. Амплитудная модуляция с глубиной до 100% также интенсифицирует процесс очистки и получается за счет примене­ния однофазных одно - и двухполупериодных схем выпрямления без сглаживающих фильтров. При этом тип выпрямителя опреде­ляет среднюю мощность на выходе генератора. Частотная модуля­ция используется для усреднения работы преобразователей мо­заичного типа, у которых существует разброс резонансных частот отдельных элементов мозаики.

Уровень индустриальных радиопомех определяется для комп­лекса, куда входят: ультразвуковой генератор, фидер, питающий нагрузку, и сама нагрузка. Он должен соответствовать действую­щим общесоюзным нормам допускаемых индустриальных радио­помех.

Из неэлектрических характеристик генератора следует обра­тить внимание на уровень шумов, который должен соответство­вать действующим санитарным нормам для электрических' уста­новок промышленных предприятий.

Параметры преобразователя, его полное входное сопротивле­ние соs ф, добротность в значительной степени определяют схему

выхода генератора, условия его согласования с нагрузкой и энергетические показатели системы, а степень изменения этих пара­метров во времени позволяет сформулировать требования к авто­матической подстройке частоты и автоматической регулировке выходной мощности генератора.

1.5. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ

Ультразвуковые генераторы могут выполняться на транзи­сторах или тиристорах, В связи с тем, что существующие тран­зисторы имеют ограниченную мощность рассеяния на коллек­торе, применение режимов первого и второго рода в них при больших мощностях генераторов нецелесообразно.

Высокими энергетиче­скими показателями харак­теризуется режим пере­ключения, в котором рабо­чая точка транзисторов во время основной части периода находится в обла­стях насыщения и отсечки, что обусловливает наи­меньшую мощность рассея­ния в цепи коллектора. В режиме переключения значительно увеличивается к. п. д. (85—98%).

Имеется ряд особенно­стей, связанных с исполь­зованием режима переклю­чения. Во-первых, это инерционность переключе­ния; во-вторых, в связи с тем, что транзисторы имеют сравнительно низ­кие питающие напряже­ния, использование их в обычных одноактных и двухтактных схемах гене­раторов связано с питанием этих схем от источников с низкими напряжениями при больших токах.

И наконец, в-третьих, при использовании режима переключе­ния напряжение на выходе генератора имеет прямоугольную форму. При этом нечетные высшие гармоники имеют значительный удель­ный вес, что приводит к появлению дополнительных потерь в элек­троакустических преобразователях и в транзисторах.

При использовании магнитострикционных преобразователей - к. п. д. достаточно высок за счет малой величины потерь на выс­ших гармониках. Однако ввиду того, что нагрузка на основной частоте имеет соs <рх < 1 , к. п. д. получается меньше максимально возможного значения. Параллельная компенсация преобразова­телей не дает выигрыша, так как при этом возрастают потери в гвн на высших гармониках за счет того, что нагрузка при становится емкостной с малым значением. Это приводит к уменьшению к; п. д.

Хуже обстоит дело с использованием пьезоэлектрических пре­образователей, у которых с ростом частоты 12 л>з падает и к. п. д. ниже максимально возможного значения.

Для создания работоспособной системы она должна быть до­полнена элементами, которые бы на основной частоте приводили входное сопротивление нагрузки к активной величине, а на высших гармониках значительно повышали. При этом к. п. д. системы будет близок к максимально возможному.

Ультразвуковые генераторы на транзисторах строятся по схеме с независимым возбуждением, по схеме с самовозбуждением и с автоподстройкой частоты. Каждый каскад усиления таких генераторов работает в режиме переключения. Как правило, применяется включение транзистора с общим эмиттером, что обеспечивает наилучшие условия работы.

Часто в генераторах на транзисторах используется двухтакт­ная схема, применяемая на мощностях порядка 100—200 Вт.

При мощностях более 200 Вт целесообразно применять полу­мостовую двухтактную схему. Здесь источник питания Е подключается к мосту, в котором транзисторы включа­ются между точками ее, а выходной трансформатор Тр1 — между точ­ками. Возбуждение на транзи­сторы Т1 и Т2 подается с транс­форматора Тр1 в противофазе.

Для получения больших мощностей применяют схемы сло­жения мощностей. Одной из таких схем является схема со сложе­нием мощности полумостовых двухтактных ячеек.

Возбуждение ячеек осуществляется от общего возбудителя В, Выводы ячеек подключаются к общему выходному трансформа­тору Тр1, где происходит сложение мощности. х

Введение корректирующих фильтров (ФК) сказывается по­ложительно не только на энергетических характеристиках гене­ратора. Ток через транзисторы, через первичную обмотку выходного трансформатора и в нагрузке имеет косинусоидальную форму, что создает благоприятные условия для переключения транзисторов и позволяет расширить частотный диапазон рассматриваемых схем.

В табл. 2.1 приведены характеристики некоторых ультразву­ковых генераторов на транзисторах, которые предназначены для работы с пьезокерамическими - преобразователями.

Ультразвуковой генератор УЗГ4-0.1 состоит из трех каскадов: задающего генератора, предварительного усилителя и усилителя мощности.

Задающий генератор на транзисторе П4Б выполнен по схеме с индуктивной обратной связью. Предварительный усили­тель на двух транзисторах П4Б (Т2 и ТЗ) так же, как и выходной

Таблица 21 Характеристики ультразвуковых генераторов на транзисторах

Параметры	УЗГ4-0.1	УЗП-0,25	УЗГ2-0.63	УЗПО-1,6
Мощность, потреб­ляемая от сети, Вт	150	400	1000 -	2000
Напряжение пита­ющей сети, В	220,	220	220/380	380
Выходная мощность, Вт	100	250	630	1600
Рабочая частота, кГц	18=4:1,35	18:±1,35	18^1,35	18±1,35

Конструктивно генератор выполнен, в виде шасси с передней панелью, закрываемого легкосъемным кожухом.

Генератор УЗП-0,25 состоит из четырех каскадов. Первые три каскада являются повторением каскадов генератора УЗГ4-0.1. Четвертый каскад, усилитель мощности, состоит из трех после­довательно включенных ячеек • ' на транзисторах П-210, соеди­ненных последовательно и рабо­тающих в режиме переключе­ния. Конструктивно этот гене­ратор аналогичен генератору УЗГ4-0.1.

Генератор УЗГ2-0.6 также имеет четыре каскада. Первые" три аналогичны генератору УЗГ4-0.1; четвертый состоит из девяти последовательно вклю­ченных ячеек, включенных по схеме на транзисто­рах П-210. Выходной каскад имеет бестрансформаторное питание и выполнен в виде отдельного блока. Нагрузка генератора — пьезокерамический преобразователь.

Ультразвуковой генератор УЗПО-1,6 является модификацией из рассмотренных ультразвуковых генераторов на транзисторах.

Он имеет возбудитель аналогичный возбудите­лям генераторов УЗП-0,25 и УЗГ2-0.63, и два мощных усилителя (4, 5) по схеме сложения мощности полумостовых ячеек. Каждый усилитель мощности работает на свою нагрузку.

В настоящее время начинают получать распространение ультра­звуковые. генераторы на управляемых вентилях-тиристорах. Ти­ристоры работают в ключевом инверторном режиме и открываются подачей на управляющий электрод импульса напряжения. Откры­тый тиристор имеет малое внутреннее сопротивление и в отличие от транзистора может быть закрыт не управляющим напряжением, а только при снятии напряжения на участке анод-катод.

Верхний частотный диапазон генераторов на тиристорах опре­деляется временем их восстановления, которое для современных тиристоров составляет несколько десятков микросекунд. Для использования тиристорных инверторов на сравнительно высоких частотах применяют многоячейковые схемы, в которых тиристоры работают поочередно со сдвигом во времени. При этом через нагрузку проходит переменный ток, кривая которого состоит из полуволн, формируемых последовательностью импульсов тока в интервале проводимости каждого тиристора.

Инверторный блок генератора состоит. из трех идентичных ячеек, соединенных последовательно по цепи питания и подклю­ченных к общей нагрузке — магнитострикционным преобразователям ПМС-6-22 — 2 шт. или ПМС-15А-18 — 1 шт.

Каждая ячейка представ­ляет собой двухвентильный последовательный инвертор с разделенными коммутирую­щими конденсаторами. Ячей­ка состоит из тиристоров Т1 и Т2типа ТБ2-160, коммути­рующих конденсаторов С1— С4 и дросселей Др1, Др2. Ячейка шунтируется дио­дом Д1, позволяющим стаби­лизировать режим при изме­нении нагрузки.

Работа схемы основана на поочередном включении ти­ристоров, колебательном пе­резаряде соответствующих им коммутирующих конденсато­ров с одновременным подзарядом конденсаторов от ис­точника питания Е. Нелиней­ные дроссели Др1 и Др2 задерживают нарастание тока при включении. Каждый из тиристоров (Т1 и Т2) зашунтирован демпфирующей цепью с диодами Д2, ДЗ. Согласование ин­вертора с нагрузкой осуществляется с помощью трансформа­тора Тр.

Блок управления Б У вырабатывает импульсы управления ти­ристоров. Он состоит из блокинг-генератора, вырабатывающего импульсы с частотой повторения в два раза выше, чем частота ге­нератора.

Импульсы блокинг-генератора поступают на формирова­тель импульсов, где происходит их формирование, усиление и распределение на управляющие электроды соответствующих ти­ристоров.

Источник тока подмагничивания Е„ включен в цепь преобра­зователя через дроссель ДрЗ, препятствующий прохождению тока высокой частоты через выпрямитель.

1.6. АВТОМАТИЧЕСКАЯ ПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ В УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ГЕНЕРАТОРАХ

Известно, что во время работы ультразвуковых установок на­блюдается уход резонансной частоты электроакустических преоб­разователей, величина которого зависит от конструкции преобразователя, условий его эксплуатации и характера технологического процесса. В некоторых случаях резонансная частота, под которой понимается частота механического резонанса, может изменяться до 1,5 кГц. Это обстоятельство приводит к изменению режима ра­боты установок и факторов воздействия ультразвуковых колебаний на технологический процесс.

При эксплуатации на уход резонансной частоты влияют нагрев элементов преобразователей, изменение их геометрических раз­меров за счет износа, нелинейность собственных параметров преоб­разователей и изменение внешней нагрузки на преобразователь.

В некоторых случаях изменение внешней нагрузки, например, в процессах очистки, определяемое уровнем рабочей среды, коли­чеством обрабатываемых деталей, уровнем кавитации, незначи­тельно влияет на изменение резонансной частоты преобразователя. Так происходит при работе ванн очистки с магнитострикционными преобразователями. В ваннах е пьезокерамическими преобразова­телями наблюдается уход собственной частоты на 100—250 Гц. Весьма существенно, что уход собственной частоты преобразова­теля при фиксированном значении частоты генератора приводит к уменьшению амплитуды колебаний и величины полезной мощ­ности, передаваемой в нагрузку, а следовательно, к изменению эффекта технологического воздействия. Уровень падения ампли­туды определяется величиной ухода собственной частоты преобра­зователя и добротностью его механической ветви.

Автоподстройка частоты должна обеспечивать поддержание максимального значения амплитуды колебаний рабочей поверх­ности преобразователя, или, точнее, колебательной скорости, за счет автоматического сближения частоты генератора с резонанс­ной частотой преобразователя.

Системы автоподстройки частоты служат для выделения сиг­нала, при помощи которого частота генератора приводится в соот­ветствие с максимальным значением колебаний преобразователя.

Способы выделения сигнала, пропорционального амплитуде колебаний преобразователя, делятся на способы прямого выделе­ния сигнала с помощью механико-электрических преобразовате­лей — датчиков механических колебаний, непосредственно изме­ряющих амплитуду колебаний преобразователя, и косвенного, при котором сигнал выделяется в электрической цепи питания преобразователя. Причем из общего тока или напряжения выделяется та часть, которая пропорциональна механическим коле­баниям [2].

Способы прямого выделения сигнала дают непосредственную информацию о колебаниях преобразователя. В этом случае магнитострикционный, пьезокерамический, индукционный или какой-либо другой датчик, реагирующий на колебания, устанавливается в определенных точках колебательной системы. Сигнал с датчика усиливается с помощью усилителя и как сигнал положительной обратной связи подается на вход генератора. Наилучшие результаты получаются при установке датчика на рабочей поверхности преобразователя, что обеспечивает наиболее достоверный сигнал обратной связи. Этот способ достаточно сложен конструктивно и требует дополнительных усилителей для его реализации.

В этой группе систем автоподстройки частоты представляет интерес система с резонансным датчиком, реализованная в преобразователе ПМС-15А, где помимо рабочих пакетов имеется пакет обратной связи, обеспечивающий нужную величину напря­жений обратной связи. Анализ такой системы показывает, что ну­левой сдвиг фаз между напряжениями на рабочей обмотке преобра­зователя и на обмотке обратной связи получается не на частоте механического резонанса, а на более высокой. Эксплуатация такой системы автоподстройки частоты показывает, что устойчи­вое самовозбуждение генератора возможно на двух частотах.

При включении автогенератора система обычно самовозбуж­дается на более высокой частоте, близкой к рабочей. При нагреве концентратора частота генератора снижается, и возможен перескок на более низкую частоту. Для устранения этого явления в анод­ную, или сеточную цепь включается контур. При этом следует иметь в виду, что добротность контура должна быть ниже меха­нической добротности преобразователя, чтобы исключить влияние этого контура на автоподстройку частоты. Контур обычно исполь­зуется и для корректировки сдвига фаз, вносимого преобразова­телем и реактивными элементами схемы.

При работе генератора в режиме переключения функциональная связь между величинами сигналов на входе и выходе генератора отсутствует, так как величина выходного си­гнала определяется напряжением источника питания и внутрен­ним сопротивлением генератора и, в определенных пределах, не зависит от величины напряжения на входе.

2. ПАТЕНТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Распространение ультразвуковых колебаний сопровождается рядом физико-механических

Сложный характер мощных ультразвуковых полей, создающих в жидкости широкий амплитудно-частотный спектр механических колебаний, приводит к возникновению в ней ряда гидродинамических явлений, которые и определяют удаления загрязнений.

В практике ультразвуковой очистки используются ультразвуковые колебания большой мощности, создающие нерегулярное поле с разрывами сплошности среды. В связи с неопределенностью параметра «волновое сопротивление» для такого рода среды звуко­вое давление и интенсивность колебаний не характеризуют пол­ностью мощные ультразвуковые поля, создаваемые в ваннах очистки.

Распространение ультразвуковых колебаний значительной амплитуды вызывает в жидкости целый ряд явлений, важнейшие из которых - кавитация, акустические потоки, радиационное давление. Эти явления оказывают основное физическое воздействие на процесс ультразвуковой очистки, они же усиливают химическое взаимодействие моющей жидкости с загрязнениями.

Кроме чисто механического разрушения пленок загрязнений, кавитация и акустические течения интенсифицируют процессы эмульгирования и растворения, сопутствующие очистке. Акусти­ческие течения способствуют выносу загрязнений и улучшают обмен моющего раствора в зоне очистки, радиационное давление наряду с кавитацией (но в значительно меньшей степени) способ­ствует разрушению загрязнений.

Для создания ультразвуковых колебаний применяют ультразвуковые технологические установки, основным узлом которого является колебательная система (преобразователь), преобразующий электрическую энергию в энергию механических ультразвуковых колебаний.

Наиболее распространенным типом преобразователей являются электроакустические ( в частности, магнитострикционные и пьезоэлектрические). Источником энергии в этом случае является полупроводниковый или ламповый электрический генератор ультразвуковой частоты. Используется также механоакустические источники ультразвуковых колебаний, преобразующие механическую энергию в ультразвуковую.

В данном случае я рассмотрел и рассчитал магнитострикционный преобразователь ультразвуковой частоты.

При этом было принято во внимание аналогичные преобразователи описанные в Авторском свидетельстве СССР № , H 04 R 15/00

( В 06 В 1/08) и в Авторском свидетельстве СССР № , H 04 R 15/00 ( В 06 В 1/08 ).

Аналогом рассматриваемого преобразователя является ультразвуковая магнитострикционная система представляющая собой – однастержневой, I - образный сердечник набранный из тонких пластин из металлического сплава, на котором размещена обмотка для возбуждения в нем переменного высокочастотного поля.

Целью данной работы является определение геометрических размеров, выбор режима работы и электрический расчет преобразователя для ультразвуковой стиральной машины бытового назначения.

3.Расчеты магнитострикционного преобразователя ультразвуковой частоты

L1- высота выступа =0,01 м.

L2- высота окна =0,0232 м.

N - число витков =100

f - частота =25000 Гц

a - ширина преобразователя =0,03 м.

b - ширина окна =0,02 м.

c - длинна преобразователя =0,03 м.

Условие определения резонансной частоты

q= a/(a-b)=30/(30-20)=3

Условие резонанса

tg ά1* tg (tg ά2/2)=1/q,

где ά1=(2πf/c)*L1 и ά1=(2πf/c)*L2

ά1=( 2*25000*3,14/5,2*0,001)*0,01=3,02*

где с - скорость звука в материале = 5,2*0,001

ά2=( 2*25000*3,14/5,2*0,001)*0,0232=1399996

tg (302000)* tg(1399996/2)=1/3

-0,8391*(-0,40403)=1/3

1/3=1/3

Определение амплитуды колебаний

ξм=(σм*S2*cos ά1 / 2πf(Rн+Rмп)),

где σм= 0,00075 Н/м² (табл.)

S2- площадь поперечного сечения окна = 0,0006 м²

Rн - заданная нагрузка = 1500 Вт

Rмп - сопротивление механических потерь

cos ά1= cos 302000= 0,766

Rмп= (ρсS/2Q)*(2 ά1+(π-arctg((S1/S2)*tg ά1))*S2/S1*( cos² ά1+(S1/S2)²*sin² ά1)),

S=(S1+S2)/2, где S1=0,0009 м² тогда S=(9+6)*0.0001/2=0,00075 м²,

ρ= 0,0082 кг/м³ (табл)

Q=140 (табл)

Rмп=(0,0082*0,0052*0,00075/2*140)*(2*302000+(180-2 arctg((0,0009/0,0006)* *tg302000))*0,0006/0,0009*( cos²302000+(0,0009/0,0006)²* sin²302000))=

=0, Ом/м

отсюда

ξм=(0,00075*0,0006*0,766)/(2*3,14*25000*(1500+0,0006902))=0,

Определение чувствительности преобразователя

ύ= (2*λэф*Q*q/ (2πf)²*N*ρ*c*S1)*(4 cos ά1/(2Q*γн*q+2 ά1*q+ ά2 (cos² ά1+q² *

sin² ά1)), где

λэф - эффективное значение магнитострикционной константы = σм/ Bm, где

Bm - амплитуда индукции =Um/πf*N*S2, Um=60 B,

отсюда

Bm=60/3.14*25000*100*0.0006= 0,0127 (В/Гц*м²)

λэф= 0,00075/0,0127=0,06

γн= Rн/ρ*с*S1= 1500/0,0082*,0052*0,0009=

ύ= (2*0,06*140*3/(2*3,14*25000)² *100*0,0082*0,0052*0,0009)*((4*

*cos 3020000)/ (2*140**3+2*3*302000+1399996(cos²302000+ 9* *sin²302000)))= 0,000533* 0,=0,

Определяем полную мощность преобразователя

W= Wa+ Wмп+ We+ Wh+ Wэл,

где Wa- акустическая мощность = 1500

Wмп - мощность механических потерь = (Rмп*Vm²/2)

Vm - амплитуда колебаний скорости на торце преобразователя = 2πf ξм

Vm= 2*.14*25000*0,= 0,

Wмп= (0,*(0,)²)/2=1/0,*10³*³*²

We - потери на вихревые токи = qe*f²* Bm²

qe=2*π²*d²*(1/ρэ)/3

d - толщина пластины = 0,15 мм.

ρэ - удельное электрическое сопротивление = 8 Ом*м

qe= 2*3,14²*0,15²*(1/8)/3= 0,0185

We= 0,0185*( 25000)² *(0,0127)² =1864,916

Wh - потери на магнитный гистерезис = f*qh* Bm²

qh - коэффициент магнитных потерь= 0,, n=1,5-2,2

Wh= 25000*0,*(0,0127)²= 0,

Wэл - электропотери в обмотке = Ro*Im²/2

Im - амплитуда тока = (Um/2πLo*re*r)*(4*π²*f²*(re+r)² *Lo²+(re*r)²)½,

Где

Lo= µµо*N²*S/Lср

µ - магнитная проницаемость = Тм/А (табл)

µо=4π*0,0000001 Гн/м *(табл)

Lср - средняя длинна магнµµо итопровода = 0,0432м

Lo= * 4*3,14*0,0000001*10000*0,00075/0,0432= 327100

re - сопротивление электрических и магнитных потерь

re=( πfNS)²/2*(qe*f²+qh*f)V, V= (aL-bL2)= 0, м³

re=( 3,14*25000*0,00075)²/2*(0,0185*25000²+0,0000008*25000)* *0,=2715445

r=

Ro - сопротивление обмотки = ρэ(Lвт/S)N, Lвт - средняя длинна витка = 0,1м

Ro= 8*(0,1/0,00075)100= 1,1

Ток подмагничивания преобразователя

Io= Ho*Lср/N, Но= 3200 (табл),

Io= 3200*0,000432/100= 0,014 А

4. КОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.

Пакет магнитострикционного преобразователя набирается из I - образных пластин, электрически изолированных друг от друга. В собранном виде он представляет собой пакет прямоугольного сечения с центральным окном.

Пластины изготовляются из сплава пермендюр К-65.Он имеет следующий химический состав: Со - от 63,0 до 65,0; С - 0,05; Si - 0.15-0.3; Мn- 0,3-0,6; S – 0.025; Р - 0,02; остальное Fe, изготавливается в виде холоднокатаных лент толщиной 0,15 мм, шириной от 100 до 150мм. Режим отжига пластин К – 65 отличается от соответсвующего режима для К50Ф2 только длительностью ведержки (2 ч); последующее охлаждение с печью. Отжиг происходит в вакууме (остаточное давление <= 1,33 Па) или в сухом очищенном водороде с выдержкой при температуре 850 С, в течении 5-10 ч (в зависимости от размеров садки), с последующим медленным или регулируемым ступенчатым охлаждением до 200 С со скоростью 50-100 К/ч.

Сплав К-65 имеет лучшие, чем К50Ф2, механические свойства, но но значительно более высокую электропроводность и большую стоимость из-за повышенного содержания кобальта.

Уменьшение содержания Со в железокобальтовых сплавах приводит к резкому ухудшению их динамических магнитострикционных характеристик.

Пластины преобразователя штампуют из стандартной ленты толщиной 0,15 мм., в направлении вдоль проката. После штамповки снимаются заусенцы, для этого пластины прокатывают между валками.

Перед отжигом поверхность пластин тщательно обезжиривают. Затем просушивают и пересыпают сухим тальком, стягивают стальными пластинами. В таком виде пакет подготовлен к отжигу.

Магнитострикционный преобразователь после операции пайки подвергается пропитке эпоксидной смолой. Это повышает коррозийную стойкость, его продольную устойчивость, а также создаёт изоляцию между пластинами.

Для создания одностороннего излучения к обратному торцу излучателя прикрепляется экран из специальной, пористой акустической резины толщиной 10 мм.

На стержнях магнитострикционного пакета размещаются обмотки. Обмотку накладывают таким образом, чтобы в соседних стержнях поле было направлено в разные стороны. Для этого намотку производят в одном направлении. Что бы не было механического глушения колебаний, витки обмотки не должны непосредственно касаться пакета, для этого на магнитопровод накладывают бандаж и прокладки, заменяющие каркас. В качестве обмоточных проводов используется ОРП.

Список литературы

1. Акуличев исследование Элементарной Кавита-ционной области. — «Акустический журнал», 1968, т. XIV, вып. 3, с. 337—343.

2. Башкортостан (Башкирия)" href="/text/category/bashkortostan__bashkiriya_/" rel="bookmark">Башкиров и исследование методов повышения эффек­тивности воздействия мощного ультразвука, протекающего в жидкостях. Тезисы докладов Всесоюзного научно-исследовательского совещания «Новое в ультра­звуковой технике и технологии». М., ЦП НТО Машпром, 1974, с. 63—65.

3. , , Кратыш резонансных частот составного кольцевого преобразователя. — В кн.: «Ультразвуковые тех­нологические процессы, оборудование и приборы контроля». ЛДНТП, 1975, с. 79—83.

4. К-, , Супонина ультразву­ковой очистки. ЛДНТП, 19с.

5. С, Ультразвуковая установка для очистки фильтров. — В кн.: Технологические применения ультразвука. ЛДНТП, 1968, с. 14—18. -

6. , , Фирсова преобразо­ватели промышленного назначения. — В кн.: Ультразвук в машиностроении.' М., ЦНИИПИ, 1969, с. 67—70.

7. Лубяницкий ультразвуковой очистки в обеспечении ка­чества, надежности и долговечности изделий промышленного производства. Промышленное применение токов высокой частоты. — В сб. трудов ВНИИТВЧ «Промышленное применение токов высокой частоты». М—Л., «Машиностроение»! 1966, вып. 7, с. 331—349.

8. Ультразвуковая техника. Металлургиздат, 1962.511с.