Элементы оборудования ультразвуковых установок

Основными элементами колебательной системы являются источник ультразвуковых колебаний и акустический трансформатор скорости.

Источники ультразвуковых колебаний могут быть двух видов: механические и электрические.

К механическим источникам относятся ультразвуковые сирены и свистки, принцип действия которых основан на преобразовании механической энергии.

Электрические источники УЗК преобразуют электрическую энергию в механические упругие колебания соответствующей частоты. Для этих целей служат различные преобразователи: электродинамические, магнитострикционные, пьезоэлектрические.

Принцип действия магнитострикционных преобразователей основан на продольном магнитострикционном эффекте, который проявляется в изменении длины металлического тела из ферромагнитных материалов (без изменения их объема) под действием магнитного поля. Магнитострикционный эффект у разных металлов различен. Высокой магнитострикцией обладают никель и пермендюр.

Пакет магнитострикционного преобразователя (рис. 17.1) представляет собой сердечник из тонких пластин, на котором размещена обмотка для возбуждения в нем переменного электромагнитного поля высокой частоты. При магнитострикционном эффекте знак деформации сердечника не изменяется при изменении направления поля на обратное. Частота изменения деформации в 2 раза больше частоты изменения переменного тока, поскольку в положительный и отрицательный полупериоды происходит деформация одного знака.

Недостатками магнитострикционных преобразователей является наличие потерь на перемагничивание сердечника, потребление значительного тока на подмагничивание, невысокая экономичность, низкий КПД.

Действие пьезоэлектрических преобразователей основано на способности некоторых веществ изменять свои геометрические размеры (толщину и объем) в электрическом поле. Пьезоэлектрический эффект обратим, т.е. если пластину из пьезоматериала подвергнуть деформациям сжатия или растяжения, то на ее гранях появятся электрические заряды. Если пьезоэлемент поместить в переменное электрическое поле, то он будет деформироваться, возбуждая в окружающей среде ультразвуковые колебания. Широкое распространение получили пьезоэлементы на основе титаната бария, цирконата-титаната свинца (ЦСТ).

Примером технического применения пьезоэлектрического преобразователя являются установки для обработки растворов с целью их гомогенизации (рис. 17.2). Раствор, протекающий по каналу или находящийся в сосуде, облучается определенное время в звуковом поле, что ускоряет растворение компонентов.

Акустические трансформаторы скорости (концентраторы продольных упругих колебаний). Они служат для согласования параметров преобразователя с нагрузкой, для крепления колебательной системы и ввода ультразвуковых колебаний в зону обрабатываемого материала. Эти устройства представляют собой стержни различного сечения, выполненные из материалов с коррозионной, кавитационной и жаростойкостью, стойкие в агрессивных средах, и т.д.

Источники питания ультразвуковых установок предназначены для преобразования электрической энергии промышленной частоты в энергию переменного тока ультразвуковой частоты для возбуждения преобразователя. Они должны удовлетворять требованиям: стабильность генерируемой частоты и возможность ее регулирования; регулирование мощности; небольшие стоимость, масса и размеры; надежность в работе и удобство в эксплуатации.

Существуют ультразвуковые генераторы на транзисторах и тиристорах, ламповые и машинные.