Файл: Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении.pdf

не более 0,6 мм. Собственно излучающий элемент, так же как и ванна, выполнен из нержавеющей стали. Размер излучающего элемента преобразователя 15 см2. Рабочая площадь преобразователя увеличена в результате изгибно колеблющихся участков ванны. Техническая характери­ стика преобразователя следующая: напряжение питания 210 В; рабочая частота 23,2 кГц; потребляемая мощность 63 Вт; ток преобразователя 0,65 А; полное сопротивление

320 Ом; cos <р = 0,5.

Создаются сверхмощные фокусирующие преобразова­ тели, которые позволяют получать интенсивность в ты­ сячах ватт на квадратный сантиметр. При этом в центре фокального пятна (при отсутствии кавитации) разви­ ваются звуковые давления с амплитудой 50—60 кГс/см2. Опыт показал, что при таких интенсивностях наблюдается ряд явлений, имеющих физический интерес и с успехом применяющихся на практике. Повышение интенсивности в центре фокального пятна может быть достигнуто либо увеличением полной мощности сходящегося фронта, либо уменьшением площади фокального пятна, т. е. умень­ шением рабочей длины волны. Последнее менее желательно не только потому, что с уменьшением площади фокального пятна затрудняется его излучение, но еще и потому, что

сувеличением частоты существенно возрастет линейное

инелинейное поглощения.

Расчеты показали, что для .получения интенсивности порядка ІО5 Вт/см2 в диапазоне частот 0,5— 1,0 Мгц тре­ буется мощность в несколько киловатт [62]. Для полу­ чения у поверхности преобразователя интенсивности 1 Вт/см2 необходимо, чтобы преобразователь имел поверх­ ность в несколько тысяч квадратных сантиметров. Есте­ ственно, что такую большую поверхность с помощью одной излучающей пластины получить невозможно, по­ этому применяют мозаичные преобразователи. Первый

оболочка с внутренним радиусом 31,4 см и углом раскры­ тия 70°, толщина стенок равна половине волны в алюми­ нии. Излучающая алюминиевая оболочка возбуждается круглыми пьезоэлектрическими пластинками из кварца X-среза диаметром 40 мм, равномерно расположенными в количестве 200 шт. по наружной поверхности полусферы. Пространство внутри оболочки заполнено передаточной

70

ниями. Так как увеличение рабочей частоты в 2 раза приво­ дит к уменьшению площади фокального пятна в 4 раза, то для сохранения средней интенсивности в фокальном пятне можно уменьшить вдвое радиус излучающей поверхности. Вместо кварцевых пластинок применены шестигранные пластинки из пьезокерамики ЦТС. Внутренний радиус полусферы (фокусное расстояние) равен 18,3 см, угол раскрытия 75°.

В рассмотренных преобразователях фокусирование происходит в жидкости. Могут быть созданы преобразова­ тели с фокусированием в твердом теле (твердые концен­ траторы), однако изготовление их сопряжено с опреде­ ленными трудностями.

Вследствие возможности существования в твердых те­ лах, кроме продольных еще и сдвиговых волн, в них легко возбуждаются «паразитные» колебания, на которые может затрачиваться подводимая энергия. Экспериментальные исследования макета твердого концентратора показали, что с его помощью можно получить значительно большие амплитуды, чем в концентраторе с жидкой фокусирующей средой.

Пьезоэлектрические преобразователи характеризуются следующими основными параметрами: потребляемой и импульсной мощностями, частотой следования импульсов и их длительностью, акустической мощностью и мощностью

71

потерь, к. п. д., интенсивностью ультразвука, резонансной и частотной характеристиками, полным электрическим и эквивалентным сопротивлениями. Указанные параметры пьезоэлектрических преобразователей определяются спе­ циальными испытаниями, которые должны проводиться при температуре окружающего воздуха 20 ± 5° С, ат­ мосферном давлении 750 ± 30 мм рт. ст. и относительной влажности 65° ± 15%. Испытания преобразователей в за­ висимости от их содержания и методов можно проводить на месте изготовления для проверки их характеристик до, во время и после воздействия на них факторов, имити­ рующих возможные условия эксплуатации и на технологи­ ческих установках — для проверки эксплуатационных и технических характеристик в условиях применения, ма­ ксимально приближающихся к действительным.

Для измерения интенсивности упругих волн в жидкости создан акустический ваттметр. Работа его основана на измерении с помощью пьезоэлектрических датчиков дав­ ления Р и скорости частиц жидкости ѵ в одной и той же точке поля и автоматическом выполнении математических операций с пропорциональными им электрическими сиг­ налами согласно выражению для мгновений интенсив­ ности акустической волны [48]

исредой интенсивности волны

/= -4- f Pvdt.

о

Акустический ваттметр позволяет измерять величину и направление вектора интенсивности волны в условиях пространственно-ограниченных полей, а также в нелиней­ ном режиме, возникающем из-за кавитации. Для измерения давления и скорости частиц жидкости в одной и той же точке поля в акустическом ваттметре используется датчик, действие которого основано на том, что свободно подве­ шенная пьезоэлектрическая сфера с диаметром, меньшим длины волны в акустическом поле, совершает одновре­ менно пульсационные и осцилляционные колебания прак­ тически в фазе с давлением и скоростью частиц соответ­ ственно. Пульсации этой сферы позволяют получить элек­ трический сигнал, пропорциональный давлению. Осцил-

72

ляционные колебания сферы можно измерить жестко свя­ занными с ней пьезоакселерометрами, сигнал которых впоследствии интегрируется для получения напряжения, пропорционального скорости сферы.

Учитывая широкое применение ультразвуковых пре­ образователей в различных технических процессах, воз­ никла необходимость в сравнении их эффективности. В частности, представляют интерес сравнительные данные магнитострикционных и пьезоэлектрических преобразо­ вателей. Особенно важны сравнения эффективности се­ рийно выпускаемых однотипных преобразователей при контрольных и типовых испытаниях на заводах-изготови- телях [33].

Целесообразно проводить сравнительную оценку эф­ фективности преобразователей по их к. п. д. Такое сравне­ ние возможно, если преобразователи работают на одну и ту же удельную нагрузку. Известный метод определения к. п. д. по ваттметровым или импедансным частотным ха­ рактеристикам преобразователя применим для опреде­ ления к. и. д. промышленных преобразователей при ра­ боте их на соответствующую реальную нагрузку, если при этом добротность преобразователя достаточно велика.

При применении электрических методов определения к. п. д. необходима предварительная оценка нелинейности сопротивлений механических и электрических потерь как от механических параметров, так и от параметров поля. При этом необходимо учитывать, что если преобра­ зователь как нагрузка на генератор является нелинейным элементом, то при измерениях существенное значение приобретает форма кривых тока и напряжения пи­ тания.

Колориметрический метод определения к. п. д. основан на определении излучаемой и общей мощности потерь по нагреву потоков жидкости в рабочем и охлаждающем сосудах. При этом переход тепловой энергии потерь в ра­ бочую среду зависит от размеров и конструкции преобра­ зователя и от размеров излучающей поверхности. Он будет тем больше, чем больше отношение размеров излучающей поверхности ко всей поверхности преобразователя. Если относительную оценку эффективности однотипных пре­ образователей можно производить по данным колорите-

73

трического метода, то сравнивать эффективность различ­ ных преобразователей нельзя. Для уточнения колориме­ трического метода требуется дополнительная разработка методики учета относительного распределения потока тепловой энергии по всей поверхности преобразователя. Для того чтобы удельные нагрузки на преобразователи были равны, необходимо соблюдать одинаковые условия испытания (состав, температуру, толщину слоя озвучивае­ мой среды, нелинейность нагрузки и т. д.). Для обеспече­ ния равенства нагрузок на сравниваемые преобразователи испытания нужно проводить на искусственную эталонную нагрузку, близкую по величине к реальной и достаточно линейную при режимах, близких к рабочим. Этим опре­ деляется и характер режима испытаний (непрерывный и импульсный).

Необходимо отметить, что сравнения эффективности различных промышленных преобразователей по значе­ ниям к. п. д. указанными методами не обеспечивают объ­ ективности суждений. Однако при сравнительных испы­ таниях однотипных серийных преобразователей колори­ метрический метод вполне обеспечивает относительный контроль их качества. Однако использование этих ме­ тодов только для относительного контроля однотипных преобразователей не всегда целесообразно. Контроль од­ нотипных преобразователей можно значительно упро­ стить, если испытания преобразователей проводить в ре­ жиме холостого хода на резонансе при одинаковом на­ пряжении питания или при одинаковом отношении на­ пряжения к частоте с определением электрических мощно­ стей и механических потерь. При этом контроль амглитуды колебания рабочей поверхности вполне определяет отно­ сительный качественный контроль таких преобразовате­ лей. Зная эти данные, можно рассчитать ожидаемый к. п. д. преобразователя для случая работы его на какую нибудь эталонную нагрузку. Для относительных изме­ рений помимо стандартных ваттметров и виброметров можно применять любые соответствующие лабораторные приборы. Применение таких приборов упрощается тем, что они предназначены для измерений в сравнительно узком диапазоне частот и нет необходимости в абсолютной их градуировке.

Рассмотренный метод контроля эффективности одно­ типных преобразователей сравнительно прост и исключает влияние нелинейности нагрузки на сравнительную оценку

74