АКУСТИЧЕСКИЙ ВИБРАТОР Российский патент 2008 года по МПК G10K1/00 

Изобретение относится к физике, конкретно к акустической технике.

Звук и порождаемые им звуковые (акустические) волны - физическое явление механических колебаний в твердых, жидких и газообразных средах. Звуки окружают человека и являются неотъемлемым фактором природы и общества.

При обширном многообразии акустических систем источником звука является колеблющийся элемент - вибратор. В большинстве случаев рабочим телом вибратора служит твердое упругое тело. Сила звука, частота основного тона и окрашивающих его обертонов (тембр) определяются конструкцией вибратора, его геометрическими размерами и деформационными характеристиками материала. Поэтому успехи акустической техники - от скрипок Страдивари и «малиновых» колоколов русских литейщиков до современных электронных устройств - напрямую связаны с достижениями материаловедения, в частности, металлофизики и металлургии.

Известен акустический вибратор-камертон. Он содержит U-образный металлический стержень, закрепленный так, что его ножки могут свободно колебаться. При сжатии концов ножек или ударе ими о твердый предмет они колеблются продолжительное время, постепенно растрачивая на внутренние потери запасенную энергию деформации. Колебания камертона имеют почти синусоидальную форму и частоту свободных колебаний, значение которой зависит от толщины и длины ножек и упругости материала. [Политехнический словарь. Ред. Ю.А.Ишлинский. - М.: «Сов. Энциклопедия», 1980 г., с.206]. Изобретенный в 1711 году английским музыкантом Дж. Шором камертон использовался для контроля и настройки музыкальных инструментов. Для этого была выбрана эталонная частота 440 Гц, соответствующая ноте ля первой октавы.

Сходный механизм генерации звука имеется в различных акустических устройствах ударного возбуждения: музыкальных (челеста, куранты), сигнальных (колокол) и других функциональных устройствах современной техники. Развивается, в том числе, медицинская техника лечения различных соматических заболеваний путем облучения заболевших органов и тканей акустическими волнами звукового и инфразвукового диапазона [Например, http://nadezhda.tomsk.ru/its.php Лечение соматических заболеваний с помощью инфразвукового аппарата]. Физиологическая основа такого воздействия состоит в нормализации деятельности клеток воздействием на них акустическими полями резонансных частот. Подходящим, по принципу биосовместимости, материалом вибраторов в устройствах указанного назначения является никелид титана и сплавы на его основе. Кроме известных замечательных свойств, обусловивших широкое применение этого материала в медицинской технике, он обладает аномальными (относительно железосодержащих упругих материалов) колебательными свойствами. За счет адиабатичности фазовых переходов в кристаллической решетке при деформации никелид титана обладает низким уровнем потерь на внутреннее трение. Поэтому механический вибратор, выполненный из него, имеет высокую добротность, т.е. большую длительность звучания после ударного возбуждения. Длительная разовая активация вибратора часто бывает целесообразна при его использовании, подобно камертону. Поэтому при исследовании никелида титана и разработке потребительских устройств на его основе преследуется и указанный колебательный аспект.

Известен акустический вибратор в виде U-образно изогнутого продолговатого стержня, выполненного из сплава на основе никелида титана (фиг.2) [Никелид титана. Медицинский материал нового поколения. В.Э.Понтер и др. Томск. Изд. МИЦ, 2006. С.161-162]. Суммарная длина стержня равна половине стоячей резонансной длины волны в нем на частоте вблизи 20 Гц. При расположенности узла стоячей волны в центре стержня эту точку выбирают за место опоры устройства. Ударное воздействие на вибратор приводит к колебаниям стержня, осциллограмма которых приведена на фиг.1. На ней отчетливо иллюстрирована отмеченная выше аномалия колебательных свойств стержня из никелида титана.

Декремент затухания свободных колебаний временного интервала от нуля до точки t_i резко понижается и в дальнейшем остается постоянным до завершения процесса. Физическая интерпретация этой особенности достаточно сложна и достойна серьезного научного исследования. В прикладном, потребительском плане устройство интересно для использования в различных разделах медицины, например в диагностировании и лечении отозаболеваний. По наибольшему сходству данный аналог выбран в качестве прототипа предлагаемого устройства. Недостаток устройства для его бытового применения - высокая рабочая температура, где указанный эффект длительного звучания имеет место. Для использованного в аналоге никелида титана марки ТН-10, химический состав которого известен, интервал таких температур расположен вокруг температуры 150°С.

Технический результат предлагаемого изобретения - снижение рабочих температур, повышение времени звучания.

Указанный технический результат достигается тем, что в акустическом вибраторе из сплава на основе никелида титана, выполненный в виде продолговатого стержня с длиной, равной / кратной резонансной длине волны упругих колебаний звукового и инфразвукового диапазонов, состав сплава выбран в содержании (ат.%):

Титан50,0÷51,0Молибден0,2÷0,5Медь2,0÷6,0Алюминий1,0÷2,0Кобальт0,1÷1,0Никельостальное

При знакопеременной деформации образца никелида титана появляются напряжения обратного знака в образующейся мартенситной пластине, обусловленные локальным разогревом ее и возникновением теплового фронта (барьера). Итогом является генерирование низкочастотных колебаний решетки в i-й пластине и коррелированных колебаний во всем объеме материала. Амплитуда этих колебаний незначительна, и их роль в связанной колебательной системе «механический вибратор - кристаллическая решетка» можно интерпретировать как реакцию снижения внутренних потерь деформации и демпфирования макроколебаний.

Поскольку колебательный эффект в никелиде титана связан с кинетикой фазовых переходов, он проявляется в конечном интервале температур - температур мартенситных превращений.

Известно [Никелид титана. Медицинский материал нового поколения. В.Э.Гюнтер и др. Томск, Изд. МИЦ, 2006, 296 с.], что температурные интервалы и абсолютные значения температур мартенситных превращений существенно зависят от соотношения главных компонентов сплава: никеля и титана, и от содержания легирующих компонентов: молибдена, железа, меди, алюминия, кобальта.

Авторами предложения найден предлагаемый состав никелида титана, который понижает и расширяет по сравнению с прототипом интервал мартенситных превращений в область, более удобных для практического использования температур. Для этого сплава была получена зависимость времени «звучания» вибратора от температуры материала (кривая 1 на фиг.2). Внутри рабочего интервала выбран оптимум, соответствующий комнатным температурам. Кривая 2 на фиг.2 - аналогичная зависимость для материала прототипа. Сравнение графиков показывает, кроме температурных изменений, увеличение длительности свободных колебаний предлагаемого вибратора - точка А на кривой 1. Таким образом, сопоставительный анализ экспериментальных результатов подтверждает достижимость технического результата предлагаемого изобретения.

Уникальность проведенных исследований и использование их результатов в качестве прикладных свидетельствуют о соответствии предложения критерию «изобретательский уровень».

На иллюстрациях представлено:

Фиг.1. Осциллограмма свободных колебаний вибратора из никелида титана.

Фиг.2. Зависимость длительности «звучания» вибратора от температуры материала - сплава на основе никелида титана. 1 - зависимость для предлагаемого сплава, 2 - зависимость для сплава устройства-прототипа.

Фиг.3. Вибратор (внешний вид).

Фиг.4. Блок-схема установки для регистрации свободных колебаний вибраторов. 3 - микрофон, 4 - усилитель низкой частоты (УНЧ), 5 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 6 - персональный компьютер (ПК), 7 - криостат / термостат, 8 - термопара.

Достижимость технического результата подтверждена экспериментально, измерениями характеристик вибратора, выполненного из сплава на основе никелида титана с содержанием компонентов: титан 50,5, молибден 0,3, железо 0,5, медь 4, алюминий 1,5, кобальт 0,7, никель - остальное

Сплав получен методом вакуумной индукционной плавки, позволяющей выдерживать строгое соответствие состава сплава заданному содержанию [Сплавы с памятью формы в медицине. В.Э.Гюнтер и др. Томск, Изд-во Томск. ун-та, 1986, с.167-168].

Экспериментальный вибратор выполнен в виде U-образного камертона (фиг.3). Габаритные размеры вибратора 80×17×6 мм. Размеры отдельной ножки вибратора в поперечном сечении 6×5 мм. Резонансная частота вибратора около 60 Гц. Для снижения внесенных потерь вибратор фиксирован к держателю (подвешен) срединой перемычки, где при полуволновом распределении стоячей волны расположен узел. Держатель вибратора дает возможность помещать его в криостат/термостат для задания и вариации рабочей температуры.

Установка для регистрации свободных колебаний и определения колебательных характеристик (фиг.4) содержит последовательно соединенные микрофон 3, усилитель низкой частоты (УНЧ) 4, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5 и компьютер (ПК) 6.

Устройство работает и эксперимент проведен следующим образом.

Для задания рабочей температуры вибратор помещается в криостат 7 с хладоагентом в виде смеси спирта с жидким азотом, либо в термостат - муфельную печь с электронагревом и выдерживается там до приобретения им заданной рабочей температуры.

Рабочая температура измерялась с помощью контактной термопары 8.

По достижении заданной температуры вибратор незамедлительно активировался ударом о твердый предмет и располагался вблизи микрофона 3. Электрический сигнал от микрофона усиливается усилителем низкой частоты 4, преобразуется АЦП 5 в цифровой код, регистрируется и обрабатывается компьютером 6. Начало процесса свободных колебаний, соответствующее удару, автоматически фиксировалось компьютером. Завершение колебаний условно приписывалось моменту сравнивания амплитуды колебаний с уровнем собственного электронного шума всего измерительного тракта установки.

Результаты эксперимента представлены графиком зависимости времени звучания вибратора от его рабочей температуры (фиг.2, кривая 1). Кривая имеет декларированный техническим результатом выраженный оптимум в области комнатных температур 273÷303 К при времени звучания свыше 30 с (точка А). Для оценки технического результата аналогичные измерения проведены для вибратора-прототипа, выполненного из сплава на основе никелида титана ТН-10. Несколько меньшее время звучания соответствует оптимуму зависимости в области температур 383÷423 К (фиг.2, кривая 2).

В указанных температурных диапазонах зарегистрирован и измерен дрейф частоты основного тона вибратора и определена температурная частотная нестабильность. Она составила значение приблизительно 1,5·10^-3 1/град, что уступает камертону, выполненному из термостабильного инварового сплава, но достаточна, чтобы материал мог использоваться, в том числе, для эталонов частоты в акустических устройствах.

Технологическая готовность предлагаемого материала и устройства соответствует критерию изобретения «промышленная применимость».

Изобретение относится к физике, конкретно к акустической технике. Техническим результатом изобретения является снижение рабочих температур и повышение времени затухания. Вибратор выполнен в виде продолговатого стержня с длиной, равной или кратной резонансной длине волны упругих колебаний звукового и инфразвукового диапазонов. Материал вибратора - сплав на основе никелида титана с содержанием компонентов, ат.%: титан 50,0÷51,0; молибден 0,2÷0,5; медь 2,0÷6,0; алюминий 1,0÷2,0; кобальт 0,1÷1,0; никель остальное. Благодаря аномальным, колебательным свойствам сплава достигается указанный технический результат. 4 ил.

Акустический вибратор из сплава на основе никелида титана, выполненный в виде продолговатого стержня с длиной, равной/кратной резонансной длине волны упругих колебаний звукового и инфразвукового диапазонов, отличающийся тем, что состав сплава выбран в содержании, ат.%:

Титан50,0÷51,0Молибден0,2÷0,5Медь2,0÷6,0Алюминий1,0÷2,0Кобальт0,1÷1,0Никельостальное