ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ ПЛОСКОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ Российский патент 2010 года по МПК H01L41/83 

Изобретение относится к устройствам для преобразования энергии переменного электрического поля посредством обратного пьезоэффекта в механическую энергию упругих резонансных колебаний ультразвуковой частоты и обеспечения возможности их передачи с заданным коэффициентом трансформации в твердое тело или жидкую среду для дальнейшего преобразования и выполнения ими полезной работы. Ультразвуковой излучатель представляет собой наборную коаксиальную конструкцию, включающую

- несколько прилегающих друг к другу пьезоэлементов, собственно являющихся электроакустическими преобразователями и имеющими форму плоских колец перемежаемых электродами для коммутации с источником переменного напряжения. Как правило, число пьезоэлементов выбирают четным, что позволяет сделать массу излучателя одним из контактов электрической цепи;

- переднюю, предназначенную для передачи колебаний в нагрузку и выполняющую иногда функцию твердотельного волноводного акустического трансформатора и заднюю части, выполненные чаще всего в виде металлических втулок и охватывающие набор преобразователей с обеих сторон (в англоязычных источниках их называют front mass или head и back mass или tail соответственно);

- стяжку в виде болта или шпильки (central bolt), в том числе со сквозным или глухим осевым отверстием, помещающуюся на оси излучателя внутри отверстий в преобразователях и втулках и осуществляющую механическое соединение со сжимающим усилием (натягом) этих деталей в единую колебательную систему, имеющую частоту свободных колебаний, равную выбранной частоте вынужденных колебаний пьезоэлементов - частоте излучения.

В состав излучателя может входить несколько чередующихся с втулками наборов пьезоэлементов стянутых общей стяжкой, что увеличивает механическую мощность излучения практически пропорционально числу этих наборов. При этом частота излучаемого таким устройством ультразвука должна выбираться кратной частоте свободных упругих продольных колебаний его конструкции.

Известны излучатели ультразвука с пьезоэлектрическими элементами в форме плоских колец, оснащенные приспособлениями для передачи колебаний в жидкость, находящуюся в тонкостенном сосуде (ванне) через плоскую стенку этого сосуда [RU 2223613, 2004; RU 2303860, 2006]. Также известен резонансный излучатель (резонатор) с кольцеобразными же пьезокерамическими элементами, используемый в качестве ультразвукового медицинского инструмента, через который осуществляют всасывание физиологических жидкостей либо подачу жидких лекарственных препаратов и снабженный для этого специальным наконечником, присоединенным к передней части. Эта передняя часть выполнена в форме втулки сложного профиля с переходом от большего наружного диаметра к меньшему по образующей, которая имеет вид монотонной кривой [1]. Перечисленные излучатели объединяет общий признак - у всех них набор пьезоэлементов и вторая охватывающая их деталь, имеющая форму цилиндрической втулки, нанизаны на цилиндрический же выступ первой, который имеет наружный диаметр, меньший внутреннего диаметра колец пьезоэлементов, и выполняет функцию стяжки. Известно, что у твердотельных волноводных акустических трансформаторов плоской волны, имеющих по ее фронту круглое сечение и ступенчато изменяющийся профиль осевого сечения, как в данном случае, больший и меньший диаметры не должны сильно отличаться друг от друга [2, 3]. В противном случае «фактор качества» [4] трансформатора ухудшается, так как частота его свободных колебаний становится отличной от свободных колебаний цилиндрического стержня равной с ним длины и выполненного из такого же материала [4-6, RU 2183141, 2002]. При этом, если волна распространяется со стороны меньшего диаметра, то в области с большим диаметром она перестает быть плоской, что ведет к возникновению дополнительных мод колебаний. Если наоборот, то в область с меньшим диаметром она, частично отражаясь от параллельной ее фронту ступеньки в месте уменьшения диаметра и гася сама себя, попадает не целиком, что увеличивает реактивные потери [7]. В итоге такой трансформатор характеризуется большими потерями энергии трансформируемой им плоскоупругой волны [6]. В рассматриваемых устройствах это относится к той части волны, которая распространяется внутри подобной такому трансформатору передней втулки с цилиндрическим выступом, каким бы качественным при этом не был акустический контакт с ней находящихся на этом выступе пьезоэлементов. Кроме того, являющийся стяжкой выступ испытывает при работе наибольшие во всей колебательной системе излучателя переменные механические напряжения, особенно в месте его геометрического сопряжения с имеющей больший диаметр частью втулки, которое является их концентратором [3, 8]. В этом же месте действует и максимальное растягивающее статическое механическое напряжение, создаваемое натягом при сборке конструкции. Если же с целью снижения этих механических напряжений выполнять сопряжение в форме галтели [8], то наружный диаметр выступа, нужно делать еще меньшим, что отчетливо видно на изображении излучателя в описании аналога [1]. При этом концентрация напряжений вблизи сопряжения снижается, но величина их среднего значения в остальной части выступа возрастает, что снижает его общую и циклическую прочность. Таким образом, перечисленные обстоятельства уменьшают КПД излучателя и снижают его эксплуатационный ресурс, что препятствуют достижению технического результата изобретения при использовании конструкции излучателя, у которого стяжка составляет с передней втулкой одну монолитную деталь конструкции.

Известен класс пьезоэлектрических излучателей ультразвуковой волны со стяжкой, которая является отдельной деталью конструкции, выполненной в виде болта, шпильки или втулки произвольной длины [9, 10, WO/2001/053032, 2001], во всяком случае, в описании аналогов нет конкретных требований, однозначно устанавливающих ее длину. А на эскизе, приведенном в работе [10], которая посвящена конструированию пьезоэлектрических преобразователей с длиной, равной половине длины ультразвуковой волны в них на частоте излучения, то есть резонансных, длина стяжки вообще не указана и не принимается в расчет. Расположение мест механического присоединения стяжки к охватывающим пьезоэлементы деталям, выполненным в форме цилиндрических, конических, экспоненциальных или фигурных втулок со сквозными или глухими центральными отверстиями, у всех этих устройств также не ограничено какими бы то ни было условиями.

Стяжка в виде отдельной детали конструкции позволяет изготавливать ее из материала с более высокими пределами прочности и выносливости, чем у остальных механически менее нагруженных деталей излучателя. Это дает возможность такой конструкции избежать недостатка предыдущих аналогов, заключающегося в пониженном эксплуатационном ресурсе, но в отношении КПД устройства привносит новые недостатки, не позволяющие достигнуть технического результата при ее использовании. Они заключаются в следующем. Судя по конкретным изображениям, приведенным в описаниях этих устройств, их стяжка, как правило, короче, чем весь излучатель в сборе. Отсюда следует, что частота ее свободных упругих колебаний больше, чем резонансная частота всей колебательной системы. Кроме того, разница в скоростях распространения упругих колебаний у выбранного для стяжки материала с повышенными прочностными характеристиками и у соединяемых ею деталей излучателя могут различаться, а специальных требований к ним в отношении этого также не предъявляется. Поэтому механические соединения такой стяжки с охватывающими пьезоэлементы деталями, к тому же расположенные в произвольно выбранных местах, будут испытывать при работе дополнительные механические нагрузки. А именно, каждое из них кроме статического напряжения от натяга должно испытывать циклические напряжения, порожденные разницей в амплитудно-частотных характеристиках стяжки и стягиваемой ею наборной конструкции. Это делает их местами концентрации механических напряжений. При этом если соединение выполнено, например, резьбовым, то оно будет рассеивать часть энергии циклических напряжений в тепло на трении скольжения в резьбе, а если неразъемным, например паяным, то на внутреннем трении в металле припоя. Следовательно, КПД излучателя будет пониженным, что препятствует получению сформулированного ниже технического результата изобретения и с помощью таких конструкций излучателей.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному, содержащим в качестве электроакустических преобразователей пьезоэлементы, расположенные между накладками в форме втулок, является резонансный излучатель ультразвука, описанный в [RU 2311969, 2007]. Варианты конструкции этого излучателя также содержат в составе волновод (волноводный акустический трансформатор). Поскольку он предназначен для передачи колебаний в нагрузку, его длина должна обеспечивать резонанс колебаний в нем на рабочей частоте излучателя. То есть он должен иметь частоту свободных колебаний, равную частоте вынужденных колебаний, на которую рассчитан излучатель. Резонансный волноводный трансформатор закреплен одним концом к задней втулке с глухим отверстием и расположен с зазором во внутреннем пространстве, образованном совмещенными друг с другом отверстиями ее и остальных элементах конструкции. А другой его конец находится у внешней плоской поверхности передней втулки. Этот излучатель выбран прототипом изобретения.

Пьезоэлементы прототипа с охватывающими их накладками «армированы», как сказано в описании, стяжкой, которая в одном из вариантов располагается на оси излучателя, соизмерима с ним по длине и имеет глухое отверстие (полость). Конструкция стяжки более подробно не описана ни в одном из вариантов, а какие-либо признаки, отличающие ее в отношении достижения указанного ниже технического результата изобретения, например, от полых стяжек, имеющихся у предыдущих аналогов, не охарактеризованы. Поэтому прототипу присущи их недостатки, препятствующие достижению этого технического результата.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Известно [2, 4-6], что любой волноводный акустический трансформатор, в том числе входящий в состав конструкции прототипа и делающий его наиболее близким аналогом изобретения, если он имеет частоту собственных свободных колебаний, равную частоте приложенных к нему колебаний, в данном случае - рабочей частоте излучателя, будет осуществлять на этой частоте резонансные колебания. Если при этом его добротность мало отличается от добротности остальной конструкции резонансной колебательной системы, то и амплитуды резонансных колебаний их торцов будут у них также мало отличающимися. Из теории механических колебаний известно также, что если в какой-либо точке две колебательные системы имеют одинаковую амплитуду и фазу колебаний, то соединение их друг с другом в этой точке не повлечет за собой перетекание через нее энергии из одной в другую либо диссипацию ее в соединении. В данном случае в такой точке соединения не будет возникать сил, работа против которых сил внутреннего трения, трения скольжения или упругости элементов системы приведет к рассеянию энергии в тепло или возникновению неосновных мод колебаний. Таким образом, если механически соединить свободный конец волновода прототипа с передней втулкой вблизи плоскости равных амплитуд, то он может служить стяжкой, которая, заменив собой другие стяжки, лишит конструкцию излучателя недостатков прототипа и всех аналогов и при этом не утратит выполняемой в прототипе функции. Зависимость же величины колебательного смещения ξ точек любого объекта, в котором распространяется плоскоупругая волна, от координаты перпендикулярного к его оси x сечения площадью S, на бесконечно малом расстоянии dx от которого скорость распространения упругих колебаний равна с, может быть найдена путем интегрирования известного дифференциального уравнения колебаний:

где S и с - функции x; ω - угловая частота колебаний.

Технический результат изобретения состоит в повышении КПД пьезоэлектрического излучателя плоской ультразвуковой волны, за счет снижения потерь энергии в механических соединениях его колебательной системы.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается за счет того, что в известном пьезоэлектрическом излучателе плоской ультразвуковой волны, который представляет собой коаксиальную резонансную колебательную систему, содержащую набор пьезоэлементов в форме плоских колец, охватываемый с двух сторон деталями в форме втулок, а также помещающийся на оси излучателя в отверстиях пьезоэлементов и втулок и присоединенный к одной из них резонансный волноводный акустический трансформатор, отличие состоит в том, что волноводный акустический трансформатор также выполняет функции стяжки, для чего присоединен и ко второй втулке, а проекция этого соединения на ось излучателя содержит точку, принадлежащую плоскости равных амплитуд совместных колебаний его и стягиваемой им конструкции, если считать ее монолитной, в отсутствие этого соединения.

На фиг.1 изображен совмещенный с разрезом по оси общий вид пьезоэлектрического излучателя плоской ультразвуковой волны, предназначенного для передачи колебаний повышенной интенсивности в нагрузку посредством вворачиваемого снаружи в переднюю втулку 1 какого-либо инструмента и состоящего из нее, двух пьезоэлементов 2 с электродами 3, задней втулки 4 и стяжки 5 в виде болта с глухим центральным отверстием с противоположной головке стороны, ввернутого в переднюю втулку. Под общим видом в относительных единицах показаны графики функций ξ=f(x), принадлежащих набору деталей, соединяемых стяжкой, если считать его монолитным, и в отсутствие стяжки (сплошная линия), и самой стяжке (пунктирная линия). Значение ξ=1 принадлежит точкам передней плоской поверхности передней втулки. Графики построены по точечным множествам x_i и ξ_i, где i=0…n, полученным путем численного интегрирования методом Рунге-Кутта с точностью вычислительных процедур 10^-5 и дискретностью интегрирования n=10⁴ шагов на период колебаний уравнения (1) для исходных данных, приведенных ниже в таблице.

На фиг.2 изображен общий вид и графики функций ξ=f(x) заявленного излучателя, предназначенного для передачи колебаний в жидкость непосредственно от передней втулки, для чего стяжка в виде закладного болта крепится гайкой 6 со стороны задней втулки, и вставляется при сборке устройства в переднюю втулку через уплотнение 7. Обозначение деталей, функции которых идентичны деталям излучателя на фиг.1, дано теми же номерами, что и на ней.

На фиг.3 изображен общий вид и графики функций ξ=f(x) заявленного излучателя, предназначенного для передачи колебаний пониженной интенсивности в жидкость посредством стенки сосуда, к которой излучатель может приворачиваться, например, за приваренную к ней втулку с наружной резьбой. При этом передний конец стяжки должен помещаться в отверстии этой втулки с зазором. Обозначение деталей, функции которых идентичны деталям излучателя на фиг.1 и 2, дано теми же номерами, что и на ней.

На фиг.4 изображен общий вид и графики функций ξ=f(x) заявленного излучателя, аналогичного показанному на фиг.1, но содержащего два набора пьезоэлементов. Обозначение деталей, функции которых идентичны деталям излучателя на фиг.1, дано теми же номерами, что и на ней.

Заявленный излучатель (фиг.1) с двумя пьезоэлементами, например, типа ЖГКД.757681.053-16 по ОДО339.190ТУ имеет на частоте 22000 Гц следующие параметры и размеры, в том числе полученные из решения уравнений вида (1) для стяжки 5 и стягиваемых ею деталей 1-4 так, если бы они были монолитны:

№ Наименование детали Материал детали с, м/с Размеры, мм D D₁ D₂ L 1 Передняя втулка Сплав ВТ-4 5140 54…68 22⁺ - 67 2 Пьезоэлемент Керамика ПКВ-460 3200 62 22⁺ - 8 3 Электрод Латунь Л-59 4600 62 22⁺ - 0,2 4 Задняя втулка Сплав ВТ-1 5720 62 22⁺ - 38 5 Стяжка Сталь ЗОХГСА 5200 62 22_- 12 118   Конструкция из деталей 1-4 5352 54…68 22⁺ - 122

Конструкция 1-4, если принять ее при интегрировании уравнения (1) монолитной, а амплитуду колебательного смещения плоскости ее торца с меньшим диаметром равной единице, будет иметь в плоскости, где , амплитуду, равную 0,643 отн.ед. Координата этой плоскости указывает длину конструкции 1-4, а коэффициент трансформации упругой волны в направлении от задней втулки к передней в ней соответственно равен 0,643^-1=1,555. По этой же координате можно однозначно определить длину задней втулки 4 (см. таблицу) как разность длины конструкции 1-4 и суммарной длины втулки 1, пьезоэлементов 2 и электродов 3. Если стяжка 5 выполнена в виде болта с длиной вворачиваемой резьбы, например, 10 мм и присоединена каким-либо образом только к втулке 4, то верх головки болта, выступающей за край втулки 4, например, на 8 мм, будет иметь амплитуду смещения, равную 0,644 отн. ед. Решение уравнения (1) относительно стяжки 1 дает ее длину (см. таблицу) и координату плоскости ее сечения, точки которой не совершают колебаний. Это плоскость узла ее колебаний. Начиная с этой координаты, площадь сечения стяжки рекурсивно подобрана в 1,424 раза меньшей. Конструктивно это может быть осуществлено за счет выполнения глухого отверстия диаметром 12 мм на оси стяжки. При этом значения функции ξ=f(x), которая для стяжки имеет вид косинусоиды, лежащие на графике левее найденной координаты, увеличиваются в 1,424 раза. Это позволяет обеспечить на левом конце стяжки амплитуду 0,918 отн. ед., а в центре резьбы 0,917 отн. ед., то есть точно такую же, как у конструкции 1-4 в плоскости, перпендикулярной этой координате.

Таким образом, стяжка 5, будучи присоединена в этом месте к втулке 1, при работе излучателя будет совершать вместе с ней колебания, которые не повлекут за собой возникновения циклических усилий в резьбовом соединении. У прототипа, пусть даже во всем выполненного идентично, но с отверстием в стяжке длиной, практически равной ее длине, как это показано на рисунке в его описании, амплитуда вынужденных колебаний при незакрепленном конце стяжки была бы в центре резьбы приблизительно равной 0,643 отн. ед. При наличии соединения ее с передней втулкой, амплитуда свободных колебаний которой в этом месте будет больше в 0,917: 0,643=1,426 раза, то есть отличительный признак изобретения, касающийся равенства амплитуд деталей излучателя в месте их механического соединения, не будет реализован. Во время функционирования такого излучателя, удовлетворяющего признакам прототипа, в резьбовом соединении возникнут циклические напряжения, работа против которых сил трения в резьбе и сил, порождаемых упруго-пластическими свойствами материалов конструкции, приведет к рассеянию в тепло и безвозвратной потере части механической энергии.

Приведенный пример расчета заявленного излучателя и сравнение его с прототипом, являющимся наиболее близким аналогом из технических решений, характеризующих известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, показывает, что его отличительные признаки существенны по отношению к техническому результату. При их анализе не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся выполнения стяжки резонансного пьезоэлектрического излучателя в виде резонансного волноводного акустического трансформатора и определяющих требования к расположению мест его соединения с деталями стягиваемой им конструкции.

Выполнение стяжкой 5 функции, предназначенной прототипом входящему в его состав волноводу, отчетливо видно на примере конструкции, изображенной на фиг.2. Она работает следующим образом. Втулку 1 излучателя погружают в жидкость, которой нужно передать колебания. При этом излучатель закрепляют, а его детали, соединяемые с электрической цепью (пьезоэлементы и электроды), изолируют от жидкости снаружи путем уплотнения фланца втулки 1. Прониканию к ним жидкости изнутри препятствует уплотнение 7 между втулкой 1 и закладным болтом 5. При работе последний будет выполнять функции стяжки точно так же, как описано в примере сравнения изобретения с прототипом. Интенсивность ультразвука в жидкости у плоской поверхности втулки 1 будет прямо пропорциональна квадрату амплитуды ее колебаний и обратно пропорциональна удельному акустическому сопротивлению жидкости, как известно из теории акустики конденсированных сред. При этом, как известно из теории колебаний, излучаемая в жидкость мощность будет равна этой интенсивности ультразвука, умноженной на площадь поверхности, через которую он излучается. Она, в свою очередь, равна сумме площадей плоской поверхности втулки 1 и головки закладного болта-стяжки 5. То есть акустическая мощность передается в нагрузку (жидкость) и втулкой 1, и являющейся волноводом стяжкой 5.

Вышеизложенные сведения свидетельствуют также о возможности осуществления заявленного изобретения и получения его технического эффекта с помощью описанных в заявке и известных ранее средств и методов.

Источники информации

Изобретение относится к устройствам для преобразования энергии переменного электрического поля посредством обратного пьезоэффекта в механическую энергию упругих резонансных колебаний ультразвуковой частоты. Сущность: излучатель плоской ультразвуковой волны представляет собой наборную коаксиальную конструкцию, содержащую набор пьезоэлементов в форме плоских колец, охватываемый с двух сторон деталями в виде втулок. В отверстиях пьезоэлементов и втулок по оси конструкции размещен резонансный волноводный акустический трансформатор. Этот трансформатор выполняет также функцию стяжки. При этом проекция соединения стяжки и второй втулки на ось излучателя содержит точку, принадлежащую плоскости равных амплитуд совместных колебаний его и стягиваемой им конструкции, если считать ее монолитной и в отсутствие этого соединения. Технический результат: повышение КПД за счет снижения потерь энергии в механических соединениях его колебательной системы В состав излучателя может входить несколько чередующихся с втулками наборов пьезоэлементов стянутых общей стяжкой, что увеличивает механическую мощность излучения пропорционально числу этих наборов. 1 табл., 4 ил.

Пьезоэлектрический излучатель плоской ультразвуковой волны в виде коаксиальной резонансной колебательной системы, содержащей набор пьезоэлементов в форме плоских колец, охватываемый с двух сторон деталями в форме втулок, а также помещающийся на оси излучателя в отверстиях пьезоэлементов и втулок и присоединенный к одной из них резонансный волноводный акустический трансформатор, отличающийся тем, что этот трансформатор играет роль стяжки, для чего присоединен и ко второй втулке, а проекция этого соединения на ось излучателя содержит точку, принадлежащую плоскости равных амплитуд совместных колебаний его и стягиваемой им конструкции, если считать ее монолитной, и в отсутствие этого соединения.