ВОЛНООБРАЗОВАТЕЛЬ Советский патент 1996 года по МПК G10K15/02 B06B1/00 

Изобретение относится к ультразвуковой и импульсной технике, касается устройств для возбуждения на поверхности твердого тела упругих поверхностных волн и предназначено для приборов, использующих названные волны. Оно может найти применение в ультразвуковой технике, в линиях задержки, дефектоскопии, в контрольно-измерительных приборах, а также в устройствах, предназначенных для перемещения жидкости, в частности в вибрационных насосах, и для генерирования акустических волн.

Целью изобретения является повышение эффективности возбуждения поверхностных волн.

На фиг.1 представлена общая конструктивная схема устройства для возбуждения поверхностных волн; на фиг.2 конструкция устройства, использующего поверхностные волны с вертикальной поляризацией для изучения акустических волн.

Устройство для возбуждения поверхностных волн (см.фиг.1) содержит преобразователь объемных волн в поверхностные волны в виде упругого элемента 1 с активной волнообразующей поверхностью 2, на которой возбуждаются поверхностные волны 3 с вертикальной поляризацией, например волны Рэлея, распространяющиеся вдоль поверхности упругого элемента 1 в направлении 4.

В качестве упругого элемента 1 может служить, например, любой формы твердый стержень (сплошной, трубчатый), выполненный из достаточно упругого материала (металлический, резиновый, комбинированный и т.д.).

Неволнообразующие поверхности упругого элемента 1 охвачены экранирующим элементом 5, представляющим собой жестко связанные с поверхностью упругого элемента 1 стенки-экраны, выполненные из более жесткого материала, чем преобразователь. Экранирующий элемент 5, выполненный из мало подверженного деформациям материала, находится в акустическом контакте с преобразователем, в результате при возбуждении в нем колебаний происходит уменьшение величины смещений неволнообразующих поверхностей в направлении их собственной нормали.

Для генерирования продольно-поперечных деформаций упругого элемента 1 устройство для возбуждения поверхностных волн содержит возбудитель колебаний 6, в качестве которого может использоваться, например, магнитостриктор. Дополнительно используется согласователь нагрузки 7 (включая и полезную), предназначенный для обеспечения регулярного режима существования вертикально поляризованных поверхностных волн, распространяющихся в требуемом направлении, и выполнены, например в виде магнитостриктора, установленного на противоположном от возбудителя колебаний 6 конце упругого элемента 1. Также используется концентратор 8, обеспечивающий эффективную акустическую связь возбудителя колебаний 6 с преобразователем и задающий направление колебательного воздействия 9 на упругий элемент 1.

В общем случае форма упругого элемента 1, как и форма его волнообразующей активной поверхности 2, могут быть любыми в зависимости от назначения и условий применения устройства. Если активной поверхностью упругого элемента в виде трубчатого стержня является его внутренняя поверхность, то в качестве экранирующего элемента служит плотно насаженная на него снаружи жесткая оправа. Если активной является наружная поверхность упругого элемента в форме трубы, то экранирующим элементом будет жесткий стержень, плотно вставленный в трубу.

Устройство для возбуждения поверхностных волн работает следующим образом.

С помощью возбудителя колебаний 6 и концентратора 8 в упругом элементе 1 возбуждаются продольно-поперечные (объемные) колебания в направлении 9, характеризующиеся периодическим сжатием и растяжением в поперечных сечениях преобразователя. Следствием таких продольно-поперечных (объемных) деформаций является появление на активной поверхности 2 преобразователя упругих поверхностных волн 3 с вертикальной поляризацией, у которых вектор колебательного смещения частиц в волне расположен нормально к волнообразующей поверхности, в частности поверхностных волн рэлеевского типа.

Если упругий элемент имеет трубчатую форму, то упругие поверхностные волны указанного типа образуются на его свободных боковых цилиндрических поверхностях.

Когда боковые поверхности упругого элемента 1 свободны, то поверхностные волны 3 с вертикальной поляризацией образуются на них на всех. В описываемом устройстве боковые поверхности преобразователя, за исключением активной волнообразующей 2, ограничены жестким экранирующим элементом 5, не допускающим смещение частиц поверхностного слоя в направлении нормали к этим поверхностям. В результате волны с вертикальной поляризацией на них возникнуть не могут и подводимая к упругому элементу 1 энергия трансформируется в энергию возбуждаемой только на активной поверхности 2 поверхностной волны 3. Таким образом достигается высокая эффективность возбуждения поверхностной волны с вертикальной поляризацией на активной части поверхности преобразователя объемной упругой волны в поверхностные волны.

Кроме достижения высокой эффективности возбуждения упругой поверхностной волны с вертикальной поляризацией на активной поверхности преобразователя объемных волн в поверхностные волны изобретения имеет целью использование описываемого волнообразователя для излучения акустических волн в окружающую среду.

Устройство (см. фиг.2), использующее поверхностные волны с вертикальной поляризацией для излучения акустических волн, содержит преобразователь объемных волн в поверхностные волны в виде упругого элемента 1, в котором в направлении распространения объемной волны выполнен канал, так что активной волнообразующей поверхностью 2 является граничная поверхность канала 2, расположенная внутри упругого элемента 1.

В зависимости от конкретного назначения устройства форма канала 2, упругого элемента 1 и жестко связанного с наружной поверхностью боковых стенок преобразователя экранирующего элемента 5 может быть различной. В частности, для решения задачи создания точечного излучателя упругий элемент с каналом может иметь форму толстостенного трубчатого элемента 1 (см.фиг.2), у которого толщина стенки превосходит длину генерируемой в ней упругой волны деформации, что позволяет возбудить на граничных поверхностях канала 2 бегущие поверхностные волны рэлеевского типа. Материалом для изготовления такого толстостенного трубчатого элемента 1 может служить сталь, бронза, латунь, титан, а также другие материалы с высоким коэффициентом поперечной деформации, коэффициентом Пуассона.

Во избежание разрушения устройства ширина канала должна превышать величину удвоенной амплитуды возбуждаемых вертикально поляризованных поверхностных волн рэлеевского типа. С другой стороны, для повышения удельной по отношению к площади излучающей поверхности мощности излучения ширина канала 2 должна быть соизмерима с величиной удвоенной амплитуды возбуждаемых поверхностных волн.

В конструкции, изображенной на фиг.2, экранирующий элемент 5 выполняется в виде оправы, плотно насаженной на толстостенный трубчатый элемент 1.

Для генерации в толстостенном трубчатом элементе 1 упругих продольно-поперечных волн деформации служит возбудитель колебаний 6, в качестве которого может быть применен магнитостриктор. Для обеспечения эффективной передачи возбуждающих колебаний от магнитостриктора 6 к трубчатому элементу 1 используется концентратор 8, определяющий направление колебаний 9 и связанный с толстостенным трубчатым элементом 1 через контактное приспособление 10. Выполненное в виде активного (упругого) или пассивного (жесткого) элемента контактное приспособление 10 снабжено контактными поверхностями 11 и 12, обеспечивающими акустическую связь с соответствующими контактными поверхностями концентратора 8 и трубчатого элемента 1.

Поддержание регулярного режима существования вертикально поляризованных поверхностных волн, распространяющихся по граничным поверхностям канала 2 в требуемом направлении, осуществляется с помощью согласования нагрузки 7, выполненного, например, в виде магнитостриктора, акустически связанного с противоположной от возбудителя колебаний 6 торцовой поверхностью упругого толстостенного трубчатого элемента 1 и работающего надлежащим образом согласованно (по амплитуде и фазе) с возбудителем колебаний 6 и нагрузкой, включая полезную. С этой же целью, для уменьшения влияния отраженной от торцовой поверхности трубчатого элемента 1 упругой поверхностной волны, конечный (по отношению к расположению возбудителя колебаний 6) участок канала 2 может выполняться расширяющимся, например, по экспоненциальному закону.

Общее (внешнее) конструктивное выполнение устройства может быть самым различным в зависимости от конкретных условий применения. На фиг.2 изображена конструкция, содержащая разъемный внешний корпус 13 (состоящий из отдельных частей в зависимости от конкретного конструктивного исполнения), нижнюю и верхнюю крышки 14 и 15, а также различного рода соединительные элементы (болты, шпильки, фиксаторы положения и т.п.), обозначенные на фиг.2 одной позицией 16.

Для обеспечения теплоотвода от колеблющихся узлов устройства вокруг возбудителя колебаний 6 и концентратора 8 выполнена полость, заполненная прокачиваемой через входной и выходной штуцеры 17 и 18 охлаждающей жидкостью.

Для предотвращения кавитирующего режима работы, а также при необходимости начального или непрерывного (в процессе излучения акустических волн) отсоса газовой среды из канала преобразователя в устройстве предусмотрен специальный сквозной канал 19, условно изображенный на фиг.2 пунктиром, связанный с внешним вакуумным насосом или непосредственно с окружающей средой.

Устройство, использующее поверхностные волны с вертикальной поляризацией для излучения акустических волн, работает следующим образом.

С помощью возбудителя колебаний 6, концентратора 8 и контактного приспособления 10 в упругом толстостенном трубчатом элементе 1 возбуждаются продольно-поперечные (объемные) волны деформации, создающие на граничных поверхностях канала 2 поверхностные волны с вертикальной поляризацией, в частности поверхностные волны рэлеевского типа. С помощью работы согласователя нагрузки 7, в качестве которого используется магнитостриктор, достигается регулярный режим существования названных поверхностных волн, имеющих требуемое направление распространения, а также максимальная величина их амплитуды за счет суперпозиции надлежащим образом согласованных по амплитуде и фазе прямых и отраженных от торца трубчатого элемента 1 вертикально поляризованных волн поверхностей деформации.

В результате взаимодействия кольцевых фронтов, образующихся в цилиндрическом канале 2 трубчатого элемента 1 вертикально поляризованных поверхностных волн упругой деформации, формирующих своего рода поршни-излучатели, с содержащейся в канале 2 жидкостной или газовой средой, в последней генерируются акустические волны с частотой, соответствующей частоте поверхностных волн. Образующиеся в среде канала 2 акустические волны излучаются на выходе канала во внешнюю среду в направлении 20, определяемом конфигурацией канала.

За счет сверхзвукового (по отношению к среде, заключенной в канале 2) распространения вертикально поляризованной поверхностной волны в трубчатом элементе 1 с помощью описанного устройства возможно формирование акустических ударных волн.

Изобретение относится к ультразвуковой и импульсной технике, касается устройств для возбуждения на поверхности твердого тела упругих поверхностных волн и предназначено для приборов, использующих названные волны. Для повышения эффективности возбуждения поверхностных волн поверхность упругого элемента 1 за исключением волнообразующей 2 жестко охвачена экранирующим элементом 5, выполненным из более жесткого материала. С целью излучения акустических волн в упругом элементе 1 в направлении распространения объемной волны выполнен канал, а экранирующий элемент 5 жестко связан с наружной поверхностью боковых стенок упругого элемента 1. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Волнообразователь, содержащий возбудитель колебаний, связанный с преобразователем объемных волн в поверхностные волны, и экранирующий элемент, охватывающий поверхности преобразователя за исключением активной, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности возбуждения, экранирующий элемент, выполненный из более жесткого материала, чем преобразователь, жестко с ним связан. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в преобразователе в направлении распространения объемной волны выполнен канал, а экранирующий элемент жестко связан с наружной поверхностью боковых стенок преобразователя.