Волноводное распространение ультразвука наблюдается как в природных условиях, так и в различных технических устройствах. К естественным волноводам относятся различные слоистые среды, имеющие разные акустические свойства. На практике широко используют естественные волноводы, в частности, для приема и передачи сигналов от удаленных объектов с целью их идентификации. Кроме естественных волноводов широкое применение нашли искусственные (технические) волноводы.
Часто возникают ситуации, когда источник ультразвуковых колебаний (ультразвуковой датчик) не может иметь непосредственный контакт с обрабатываемой средой (высокая температура, агрессивная среда и др.) и необходимо использование волновода. Ультразвуковой технологический аппарат, как правило, представляет собой сложную систему следующих блоков и элементов (рис. 1). Он состоит из технологического аппарата (объема 1 с обрабатываемым материалом 2), ультразвуковой колебательной системы 3, состоящей из преобразователя электрических колебаний 4, волноводной системы 5, концентрирующей УЗ колебания и рабочего инструмента 6 для ввода УЗ колебаний в обрабатываемые среды, электрического генератора 7, систем контроля и автоматизации 8.
Рис. 1. Структурная схема ультразвукового технологического аппарата.
При распространении ультразвуковых колебаний в различных жидких средах происходят необратимые потери энергии, обусловленные внутренним трением. Для жидких сред (с частности, для воды), характеризуемых в обычных безкавитационных условиях очень низким коэффициентом затухания. Расчет уменьшения интенсивности ультразвуковых колебаний в жидкостях показывает, что интенсивность в воде уменьшиться в 2 раза на расстоянии 90 км от поверхности рабочего инструмента колебательной системы.
По этой причине затуханием ультразвуковых колебаний малой интенсивности, при их распространении вдоль акустической оси рабочего инструмента в обычных условиях пренебрегают, и продольный размер объема акустического аппарата может выбираться без учета фактора затухания УЗ колебаний.
Следует учитывать, что при распространении УЗ колебаний от излучающей поверхности, в обрабатываемой среде возникает распределенное в пространстве поле звуковых давлений. При этом в структуре поля, создаваемого гармоническим излучателем, различают три области: дальнее ультразвуковое поле; область расстояний, сравнимых с размерами излучающей поверхности и длиной волны; область ближнего поля.
Сравнимость геометрических размеров излучающего рабочего элемента и объема технологического аппарата с длиной УЗ колебаний в среде обуславливает ряд интерференционных явлений в среде.
Ультразвуковое поле в области расстояний, сравнимых с длиной волны характеризуется рядом максимумов и минимумов, расположенных на различных расстояниях от излучающей поверхности. Количество интерференционных максимумов и минимумов уменьшается с уменьшением диаметра излучающей поверхности. Если диаметр излучающей поверхности становится меньше половины длины волны УЗ колебаний, то неоднородность поля исчезает и излучатель ведет себя как сферический излучатель нулевого порядка.
Ближнее поле излучения также характеризуется рядом максимумов (рис. 2), которые пропадают при диаметре излучающей поверхности, меньшем половины длины волны l.
Из приведенного графика следует, что, с точки зрения обеспечения равномерности излучения, оптимальный диаметр излучающей поверхности должен определяться из условия 2pа/l = 1...3. При выполнении этого условия обеспечивается отсутствие интерференционных максимумов и минимумов и излучение вдоль поверхности рабочего инструмента является практически равномерным и плавно уменьшается к краям излучающей поверхности.
Отражения от стенок и верхнего уровня жидкости могут быть учтены при малых интенсивностях УЗ колебаний при отсутствии развитой кавитации и мощных гидродинамических потоков.
Рис. 2. Зависимость распределения интенсивности колебаний вдоль диаметра а излучающей поверхности рабочего элемента: кривая 1 соответствует 2pа/l =0.5; 2 - 2pа/l = 4; 3 - 2pа/l =10; 4 - 2pа/l = 2.
Максимальная амплитуда колебаний пьезоэлектрических преобразователей даже в резонансном режиме небольшая (обычно не более 3...10 мкм). Поэтому для увеличения амплитуды колебаний рабочего инструмента и согласования преобразователя с нагрузкой (обрабатываемой средой) применяются УЗ концентраторы. Для получения высокого электроакустического КПД необходимо, что бы отношение сопротивления обрабатываемой среды (отношение излучаемой акустической мощности к квадрату колебательной скорости) к внутреннему сопротивлению преобразователя приблизительно соответствовало 10. На практике преобразователи при интенсивности 3...10 Вт/см2 имеют это отношение равным 0,65....0,85 [1].
Поэтому максимальная эффективность согласования преобразователя с обрабатываемой средой обеспечивается при использовании концентраторов с коэффициентом усиления, приблизительно равным 10 (точнее от 12 до 15).
Концентраторы представляют собой цилиндрические стержни переменного сечения, выполненные из металлов. По форме образующей концентраторы подразделяются на конусные, экспоненциальные, катеноидальные и ступенчатые [2]. Внешний вид концентраторов, а также распределения амплитуд колебаний и механических напряжений показаны на рис. 3.
Наиболее выгодными концентраторами (Рис. 3) в отношении возможности получения значительных амплитуд смещений при малой нагрузке являются ступенчатые, у которых коэффициент усиления амплитуды равен отношению площадей входного и выходного сечения (т.е. квадрату отношения диаметров выходного и входного сечений). Но в отношении способности согласования преобразователя со средой такие концентраторы значительно уступают коническим, экспоненциальным и катеноидальным.
УЗ колебательная система со ступенчатым концентратором характеризуется узкой полосой рабочих частот и, следовательно, очень ограниченной возможностью подстройки по частоте при изменениях нагрузки. Незначительные отклонения резонансной частоты колебательной системы от резонансной частоты ступенчатого концентратора приводят к резкому возрастанию входного сопротивления и, следовательно, к снижению эффективности всей колебательной системы.
Рис. 3. Концентраторы ультразвуковых колебаний и распределения амплитуд А и механических напряжений F: а - конусный, б - экспоненциальный, в - катеноидальный, г - ступенчатый.
Более совершенными конструктивными формами обладают составные концентраторы [3]. Особенно перспективными из них являются ступенчатые концентраторы с плавными, экспоненциальными или радиальными переходами (рис.4).
Рис. 4. Составной ступенчато-экспоненциальный концентратор.
Такие концентраторы позволяют при относительно небольших размерах входного сечения получать коэффициенты усиления, практически соответствующие коэффициентам усиления классического ступенчатого концентратора. Наличие переходного экспоненциального участка уменьшает концентрацию напряжений и обеспечивает более благоприятные условия для распространения УЗ колебаний, улучшает прочностные свойства концентраторов. Кроме того, наличие экспоненциального участка позволяет трансформировать нагрузку без существенного изменения резонансного режима УЗ колебательной системы.
Литература:
1. Хмелев В.Н., Попова О.В. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве: научная монография/ АлтГТУ. им. И.И. Ползунова. – Барнаул: изд. АлтГТУ, 1997.
2. Щербинский В.Г., Алёшин Н.П. Ультразвуковой контроль сварных соединений. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1989.
3. Северденко В.П., Клубович В.В. Применение ультразвука в промышленности. – Минск: Наука и техника, 1967.
4. Ультразвуковая и функциональная диагностика: ежекварт. науч. – практ. журн. – М., 1994, №3.
5. Ультразвуковая и функциональная диагностика: ежекварт. науч. – практ. журн. – М., 1995, №4.
