УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2024 года по МПК B06B1/06 

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к пьезокерамическим преобразователям, и может быть использовано как при разработке новых акустических систем, так и в существующем оборудовании, созданном на базе пьезокерамических преобразователей.

Известен ультразвуковой пьезокерамический преобразователь, содержащий две пьезопластины с размещенной между ними теплоотводящей металлической вставкой. Указанные пьезопластины с металлической вставкой заключены между двумя частотопонижающими накладками, из которых одна накладка является отражающей, а другая накладка - излучающей. Весь этот пакет стянут с помощью болта.

В процессе работы этого преобразователя пьезопластины за счет энергии потерь нагреваются, при этом вместе нагреваются также и теплоотводящая вставка с крепежным элементом. Причем крепежный элемент, нагреваясь расширяется и ослабляет усилие сжатия пьезопластин, что приводит к изменению частоты колебаний преобразователя, а теплоотводящая металлическая вставка, выбранная по толщине в зависимости от коэффициента линейного расширения материала пьезопластин, в этом случае, нагреваясь, компенсирует, т.е. уменьшает ослабление сжатия пьезопластин, а следовательно и изменение рабочей частоты колебаний преобразователя происходит в значительно меньших пределах, чем у известных преобразователей (см. авторское свидетельство СССР №1052278, B06B 1/06, опубл. 07.11.83. Бюл. №41).

Недостатком является то, что на его резонансные характеристики значительно влияет нагрузка, присоединенная к излучающей накладке. При малейшем изменении этой нагрузки меняется и собственная частота преобразователя, т.к. излучающая накладка с присоединенной нагрузкой воспринимаются как одно целое.

Известен пьезокерамический ультразвуковой преобразователь, содержащий концентратор энергии, совмещенный с полым стержнем, электроизоляционный элемент, охватывающий внешнюю поверхность полого стержня, расположенные на электроизоляционном элементе и отделенные друг от друга частотопонижающей накладкой пьезокерамические кольца, токоведущие шины и прижимную гайку, связанную со свободным концом полого стержня посредством резьбового соединения. При этом электроизоляционный элемент выполнен в виде пружины сжатия из электропроводного материала, а полый стержень перфорирован симметрично расположенными прямолинейными сквозными пазами, а накладная прижимная гайка выполнена со сквозными отверстиями, сообщающими пространство между витками пружины сжатия с атмосферой, что позволяет осуществить интенсивный отвод тепла от работающего преобразователя. Частотопонижающая прокладка выполнена из стали 45. Сжимающая пружина не позволяет откручиваться прижимной гайке, что также способствует соблюдению постоянства рабочей частоты преобразователя (см. авторское свидетельство СССР №1637887, B06B 1/06, опубл. 30.03.1991 г. Бюл. №12).

Данное техническое решение обладает теми же недостатками, что и описанный выше аналог, так как оно направлено на решение проблемы термостабилизации и совершенствования системы обратной связи, при этом, так же как и в предыдущем аналоге, при воздействии нагрузки на концентратор энергии у него меняется собственная частота, что существенно снижает эффективность работы данного пьезопреобразователя.

Известен преобразователь, состоящий из центральной массы, на обоих концах которой размещены пьезоэлементы. Центральная масса и пьезоэлементы стянуты в единый пакет между концевыми массами при помощи болта.

Преобразователь работает следующим образом. На пьезоэлементы, расположенные по обоим концам центральной массы, подаются электрические импульсы ультразвуковой частоты, причем импульсы подаются таким образом, что если пьезоэлементы, расположенные на одном конце сжимаются, то на другом, соответственно, расширяются (по толщине) и наоборот. При этом центральная масса осциллирует с ультразвуковой частотой между двумя концевыми массами. Практически внутри преобразователя центральная масса совершает движение подобно поршню внутри цилиндра. Концевые же массы, стянутые болтом, практически не осциллируют, общая длина всего преобразователя остается неизменной, а внутри него в процессе работы происходит осцилляция центра масс (центра инерции). При присоединении внешней нагрузки (дополнительной массы) к какой-нибудь концевой массе энергия осцилляции центра масс от преобразователя начинает передаваться этой нагрузке, при этом ни форма ни размеры присоединенной массы не влияют на осцилляцию центра масс преобразователя.

Однако конструкция этого преобразователя имеет ряд недостатков, в частности, эффективность работы преобразователя практически определяется соотношением длин концевых и центральной масс. (Патенте № ЕР 1060798, опубл. 20.12.2000 г. Bulleten 2000/51).

Известен ультразвуковой пьезокерамический преобразователь, содержащий пакеты пьезокерамических пластин с металлической вставкой между ними, закрепленные с помощью соединительного элемента между частотопонижающими накладками, составляющие все вместе общую длину пьезопреобразователя, причем общая длина пьезопреобразователя выбрана равной длине волны рабочей частоты ультразвуковых колебаний, при этом максимальный диаметр металлической вставки не должен превышать одну третью часть длины волны ее рабочей частоты, причем металлическая вставка выполнена из высокоплотного материала, исходя из условия его максимального волнового сопротивления, а частотопонижающие накладки - из материала с минимально возможной плотностью соответственно с меньшим волновым сопротивлением (Патент РФ на изобретение 2 452 586. Заявка: 2011106378/28, 22.02.2011, МПК:B06B 1/06, H04R 17/00 - прототип).

Указанный ультразвуковой пьезокерамический преобразователь работает следующим образом.

Электрические колебания ультразвуковой частоты подаются на пакеты пьезоэлектрических пластин в противофазе, поэтому пластины, расположенные в одном пакете преобразователя сжимаются, а в другом пакете соответственно расширяются (по толщине) и наоборот. При этом металлическая вставка осциллирует с ультразвуковой частотой между двумя частотопонижающими накладками.

Происходит постоянное колебание с ультразвуковой частотой центра масс преобразователя, при этом длина всего преобразователя практически не меняется. При присоединении внешней нагрузки к одной из накладок, колебания от преобразователя начинают передаваться этой нагрузке, причем ни форма, ни размеры, ни величина нагрузки до определенной степени не изменяют собственную частоту колебаний центра масс, а значит и частоту всего преобразователя, т.е. независимо от нагрузки резонансная частота ультразвуковых колебаний преобразователя остается неизменной.

Недостатками является недостаточно высокая эффективность работы ультразвукового пьезокерамического преобразователя, недостаточно высокий момент инерции его составляющих, и невозможность обеспечения его устойчивой работы в процессе нагрузки.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и повышение эффективности работы ультразвукового пьезокерамического преобразователя.

Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном ультразвуковом пьезокерамическом преобразователе, содержащем пакеты пьезокерамических пластин с металлической вставкой между ними, две частотопонижающие накладки, закрепленные с обоих концов металлической вставки с помощью соединительного элемента между ними, составляющие все вместе общую длину упомянутого преобразователя, причем общая длина указанного преобразователя выбрана равной длине волны рабочей частоты ультразвуковых колебаний, при этом максимальный диаметр металлической вставки не превышает одну третью часть длины волны ее рабочей частоты, причем металлическая вставка выполнена из высокоплотного материала, а одна частотопонижающая накладка - из металла с меньшей плотностью, согласно изобретению, другая частотопонижающая накладка выполнена из высокоплотного материала.

В варианте исполнения, другая частотопонижающая накладка выполнена из высокоуглеродистой закаленной стали с плотностью не ниже 7,8 г/см³.

В варианте исполнения, в качестве соединительного элемента установлена шпилька с резьбой на обоих концах и гладким стержнем, соединяющая частотопонижающие накладки указанного преобразователя через пьезокерамические пластины и металлическую вставку, при этом один конец шпильки установлен в глухом отверстии частотопонижающей накладки из металла с меньшей плотностью, а другой конец шпильки проходит через сквозное отверстие другой частотопонижающей накладки, выполненной из высокоплотного материала ввиде шайбы, при этом на упомянутом другом конце шпильки установлена гайка из материала с меньшей плотностью, стягивающая весь пакет составных частей, образующих преобразователь.

В варианте исполнения, диаметр гладкого стержня шпильки составляет (0,5…0,9) наружного диаметра резьбы, при этом упомянутый стержень шпильки термически обработан в центральной его части, на длине L, составляющей (0,5…0,9) наружного диаметра резьбы для повышения его стойкости к знакопеременным нагрузкам.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 показан продольный разрез предложенного ультразвукового пьезокерамического преобразователя, на фиг. 2 показан продольный разрез предложенного ультразвукового пьезокерамического преобразователя в варианте исполнения.

Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь (далее-преобразователь) содержит пакеты 1 и 2 пьезокерамических пластин 3 с металлической вставкой 4 между ними, две частотопонижающие накладки 5 и 6, закрепленные с обоих концов металлической вставки с помощью соединительного элемента 7 между ними. Металлическая вставка 4 выполнена из высокоплотного материала. Одна частотопонижающая накладка 5выполнена из металла с меньшей плотностью, а другая частотопонижающая накладка 6- из высокоплотного материала.

Металлическая вставка 4 выполнена из условия максимального волнового сопротивления, из высокоплотного материала, например из высокоуглеродистой закаленной стали с плотностью, равной 7,8 г/см³, а одна частотопонижающая накладка 5 - из материала с минимально возможной плотностью с меньшим волновым сопротивлением, например, из сплава титана, имеющего плотность 4,5 г/см³ или алюминия с плотностью, равной 2,7 г/см³.

Другая частотопонижающая накладка 6 выполнена из высокоплотного материала.

В варианте исполнения, в качестве соединительного элемента, установлена шпилька 8 с резьбой на обоих концах и гладким стержнем, соединяющая частотопонижающие накладки указанного преобразователя через пьезокерамические пластины и металлическую вставку. Один конец шпильки установлен в глухом отверстии частотопонижающей накладки 5 из металла с меньшей плотностью. Другой конец шпильки 8 проходит через сквозное отверстие другой частотопонижающей накладки 6, выполненной из высокоплотного материала в виде шайбы. На конце шпильки 8 установлена гайка 9 из материала с меньшей плотностью, стягивающая весь пакет составных частей, образующих преобразователь.

Такой выбор материалов с различной их плотностью позволяет увеличить момент инерции преобразователя, обеспечить минимально физически возможную потерю энергии его ультразвуковых колебаний, и повысить, тем самым, эффективность его работы.

Предложенный ультразвуковой пьезокерамический преобразователь работает следующим образом.

При подаче генератором (не показан) электрических колебаний ультразвуковой частоты, например 20 кГц, на пакеты 1 и 2 из пьезокерамических пластин 3, в них под действием пьезоэлектрического эффекта происходит преобразование электрической энергии в энергию механических колебаний.

Без нагрузки ультразвуковой преобразователь находится в состоянии покоя и амплитуда колебаний на его торцах близка к нулю, при этом угол сдвига фаз ϕ между волнами I и II равен 180°. При присоединении нагрузки к одной из накладок, угол ϕ сдвига фаз между волнами I и II становится отличным от 180° и центр масс начинает осциллировать, а амплитуда колебаний на рабочей накладке преобразователя увеличивается, причем, чем больше сопротивление нагрузки тем выше, до определенного предела амплитуда колебаний на рабочей накладке.

Электрические колебания ультразвуковой частоты подаются на пакеты 1 и 2 пьезоэлектрических пластин 3 в противофазе, поэтому пластины 3, расположенные в одном пакете преобразователя сжимаются, а в другом пакете соответственно расширяются (по толщине) и наоборот. При этом металлическая вставка 4 осциллирует с ультразвуковой частотой между двумя частотопонижающими накладками 5 и 6. Частотопонижающие накладки 5 и 6 при этом практически не осциллируют. Происходит постоянное колебание с ультразвуковой частотой центра масс преобразователя - металлической вставки 4, при этом длина всего преобразователя практически не меняется. При присоединении внешней нагрузки к одной из накладок 5 или 6 колебания от преобразователя начинают передаваться этой нагрузке, причем ни форма, ни размеры, ни величина нагрузки до определенной степени не изменяют собственную частоту колебаний центра масс, а значит и частоту всего преобразователя, т.е. независимо от нагрузки резонансная частота ультразвуковых колебаний преобразователя остается неизменной.

Пример практического применения.

Заявителем разработан, изготовлен и испытан преобразователь, в котором воплощены предложенные решения. Изготовленный преобразователь имеет повышенную мощность, устойчивую собственную резонансную частоту по сравнению с преобразователями традиционной конструкции. В дальнейшем преобразователи улучшенной конструкции будут использованы при изготовлении ультразвукового оборудования и, прежде всего, в станках для ультразвуковой сварки.

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к пьезокерамическим преобразователям, и может быть использовано как при разработке новых акустических систем, так и в существующем оборудовании, созданном на базе пьезокерамических преобразователей. Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь содержит пакеты пьезокерамических пластин с металлической вставкой между ними, две частотопонижающие накладки, закрепленные с обоих концов металлической вставки с помощью соединительного элемента между ними, составляющие все вместе общую длину упомянутого преобразователя. Общая длина указанного преобразователя выбрана равной длине волны рабочей частоты ультразвуковых колебаний. Максимальный диаметр металлической вставки не превышает одну третью часть длины волны ее рабочей частоты. Металлическая вставка и одна частотопонижающая накладка выполнены из высокоплотного материала, Другая частотопонижающая накладка выполнена из металла с меньшей плотностью. В варианте исполнения в качестве соединительного элемента установлена шпилька с резьбой на обоих концах и гладким стержнем, при этом на конце шпильки установлена гайка из материала с меньшей плотностью, стягивающая весь пакет составных частей, образующих преобразователь. Диаметр гладкого стержня шпильки составляет (0,5…0,9) наружного диаметра резьбы, при этом упомянутый стержень шпильки термически обработан в центральной его части на длине L, составляющей (0,5…0,9) наружного диаметра резьбы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь, содержащий пакеты пьезокерамических пластин с металлической вставкой между ними, две частотопонижающие накладки, закрепленные с обоих концов металлической вставки с помощью соединительного элемента между ними, составляющие все вместе общую длину упомянутого преобразователя, причем общая длина указанного преобразователя выбрана равной длине волны рабочей частоты ультразвуковых колебаний, при этом максимальный диаметр металлической вставки не превышает одну третью часть длины волны ее рабочей частоты, причем металлическая вставка выполнена из высокоплотного материала, а одна частотопонижающая накладка - из металла с меньшей плотностью, отличающийся тем, что другая частотопонижающая накладка выполнена из высокоуглеродистой закаленной стали с плотностью не ниже 7,8 г/см³, при этом в качестве соединительного элемента установлена шпилька с резьбой на обоих концах и гладким стержнем, соединяющая частотопонижающие накладки указанного преобразователя через пьезокерамические пластины и металлическую вставку, при этом один конец шпильки установлен в глухом отверстии частотопонижающей накладки из металла с меньшей плотностью, а другой конец шпильки проходит через сквозное отверстие другой частотопонижающей накладки, выполненной из высокоуглеродистой закаленной стали с плотностью не ниже 7,8 г/см³ в виде шайбы, при этом на упомянутом другом конце шпильки установлена гайка из материала с меньшей плотностью, стягивающая весь пакет составных частей, образующих преобразователь.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что диаметр гладкого стержня шпильки составляет (0,5....0,9) наружного диаметра резьбы, при этом упомянутый стержень шпильки термически обработан в центральной его части на длине L, составляющей (0,5....0,9) наружного диаметра резьбы.