Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к конструкциям ультразвуковых колебательных систем, и может быть использована при разработке ультразвуковой медицинской аппаратуры. Техническим результатом изобретения является увеличение амплитуды колебаний, повышение надежности работы, уменьшение габаритных размеров и массы. Ультразвуковая колебательная система выполнена в форме тела вращения и образована последовательно расположенными двумя металлическими накладками, отражающей и концентрирующей, и двумя пьезоэлектрическими элементами, расположенными между накладками, акустически связанными между собой стяжным элементом. Пьезоэлементы выполнены дисковыми, отражающая накладка состоит из последовательно расположенных резьбового упора с центральным отверстием и дисковой накладки. Концентрирующая накладка содержит три участка: первый - цилиндрический с фланцем, второй - экспоненциальный и третий - выходной цилиндрический с резьбовым глухим отверстием для крепления волновода-инструмента, а стяжной элемент выполнен в виде стакана с внутренней резьбой и двумя отверстиями: круглым в центре днища и прямоугольным на боковой поверхности стакана. Первый цилиндрический участок концентрирующей накладки выполнен резьбовым до фланца, на этом участке дополнительно размещена накидная гайка. 2 ил.
Рисунки к патенту РФ 2465071
Изобретение относится к области ультразвуковой техники и служит для получения и передачи механических колебаний дозвуковой, звуковой или сверхзвуковой частоты и может быть использовано в любых технологических процессах, идущих с применением ультразвука.
Известны ультразвуковые колебательные системы (пьезокерамические преобразователи) типа Ланжевена [Е.Кикучи. Ультразвуковые преобразователи. М.: Издательство «Мир», 1972, с.472.; Патент ФРГ № 2711306 МКИ В06В 3/00]. Этот тип преобразователей представляет собой мозаику, набранную из кусков кварца -среза и заключенную между двумя металлическими пластинами. Недостатками пьезокерамических преобразователей данного типа являются: нетехнологичность конструкции, сложность сборки и малая мощность.
Известны также ультразвуковые колебательные системы (излучатели) типа «сэндвич» [С.С.Волков, Б.Я.Черняк. Сварка пластмасс ультразвуком. М.: Химия, 1986, с.126.; Новиков А.А., Негров Д.А., Шустер Я.Б. К вопросу определения усилия стяжки пьезокерамических преобразователей продольного типа. Материалы III Международного научно-технологического конгресса «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения». - Омск. - 2005. - Ч.1. - С.177-178; Свидетельство на полезную модель RU № 18655. Ультразвуковой керамический излучатель. / Новиков А.А., Шустер Я.Б., Негров Д.А. Опубл. БИ № 19, 2001], одна из которых и выбрана в качестве прототипа [RU 2141386 «Ультразвуковая колебательная система» Барсуков Р.В. и др.], как наиболее близкая по технической сущности к предлагаемой. Она представляет собой колебательную систему в форме тела вращения, образованную последовательно расположенными и акустически связанными между собой двумя металлическими накладками и двумя пьезоэлектрическими элементами, расположенными между накладками, причем образующая тела вращения колебательной системы выполнена в виде непрерывной кусочногладкой кривой, а тело вращения состоит из трех участков: первый цилиндрический, второй участок с экспоненциальным или плавным радиусным изменением диаметра сечения, и третий - цилиндрический, при этом кольцевые пьезоэлектрические элементы расположены между экспоненциальным и первым цилиндрическим участком, которые соединены стяжным элементом (например, болтом или шпилькой).
Излучатели типа «сэндвич» свободны от недостатков излучателей типа Ланжевена, описанных выше. Они просты в изготовлении и сборке, однако при малых диаметрах используемых пьезоколец диаметр внутреннего отверстия в пьезокольце становится величиной, ограничивающей энергетические параметры колебательной системы, поскольку с одной стороны уменьшает активную поверхность пьезоэлемента, а с другой - приводит к необходимости такого уменьшения диаметра стяжной шпильки или болта, при котором прочностные характеристики стяжного элемента не обеспечивают надежной работы колебательной системы в целом.
Техническим результатом изобретения является увеличение амплитуды колебаний при одновременном повышении надежности работы и значительном уменьшении габаритных размеров и массы ультразвуковой колебательной системы.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве, представляющем собой ультразвуковую колебательную систему в форме тела вращения, образованную последовательно расположенными двумя металлическими накладками, отражающей и концентрирующей, и двумя пьезоэлектрическими элементами, расположенными между накладками, акустически связанными между собой стяжным элементом, согласно заявляемому изобретению, пьезоэлементы выполнены дисковыми, отражающая накладка состоит из последовательно расположенных резьбового упора с центральным отверстием и дисковой накладки, концентрирующая накладка содержит три участка: первый - цилиндрический с фланцем, второй - экспоненциальный и третий - выходной цилиндрический с резьбовым глухим отверстием для крепления волновода-инструмента, а стяжной элемент выполнен в виде стакана с внутренней резьбой и двумя отверстиями: круглым в центре днища и прямоугольным на боковой поверхности стакана, причем первый цилиндрический участок концентрирующей накладки выполнен резьбовым до фланца и на этом участке дополнительно размещена накидная гайка.
Сборочный чертеж предложенного устройства приведен на рис.1 и содержит следующие элементы: концентрирующую накладку 1, вставленную в круглое отверстие стакана 2 так, чтобы ее положение фиксировалось фланцем накладки; пьезоэлементы 3 с контактными лепестками 4, выступающими через прямоугольное отверстие 5 стакана 2, зафиксированные в стакане 2 с помощью дисковой накладки 6 и фторопластовой ленты в виде разрезанного кольца 7 и резьбового упора 8. Накидная гайка 9 расположена на цилиндрическом фланцевом участке концентрирующей накладки 1.
Предложенное устройство работает следующим образом.
При подаче высокочастотного напряжения на выводы контактных лепестков 4, выступающих через прямоугольное отверстие 5 боковой поверхности стакана 2, пьезокерамические диски 3 осуществляют преобразование электрического сигнала в акустический сигнал.
При работе акустической колебательной системы [Новиков А.А., Шустер Я.Б., Негров ДА. Особенности проектирования ультразвукового пьезокерамического преобразователя полуволновой длины. Омский научный вестник. - 2009. Сер.: Приборы, машины и технологии. - № 3 (83). - С.194-198.], распределение амплитуд продольных акустических колебаний по длине данной акустической системы будет выглядеть, как показано на рис.2. При этом «нулевые» колебания будут приходиться на область цилиндрического фланцевого участка концентрирующей накладки 1, поэтому расположение на этом участке накидной гайки 9 позволит использовать ее для жесткого крепления всей колебательной системы в корпусе излучателя при минимальном воздействии элементов крепления на характеристики акустической системы. С другой стороны, использование в качестве стяжного элемента стакана 2, переводит конструкцию ультразвуковой акустической системы из системы с внутренней стяжкой (наиболее широко распространенной в настоящее время как у нас в стране, так и за рубежом ), в конструкцию систем с внешней стяжкой. Это, во-первых, обеспечивает возможность использования в качестве пьезоактивных элементов не кольца, а диски, что при тех же диаметрах акустической системы позволяет увеличить выходную акустическую мощность, причем тем существеннее, чем меньше диаметр используемых пьезоэлементов, а во-вторых, избавляет от проблемы обеспечения необходимой прочности и надежности работы внутреннего стяжного элемента.
Прямоугольное отверстие 5 на боковой поверхности стакана 2 используется для вывода через него контактных лепестков 4, а отверстие в резьбовом упоре 7 обеспечивает не только возможность стяжки пьезодисков без их проворота, но и возможность некоторой коррекции частотных характеристик колебательной системы.
Таким образом, предлагаемая ультразвуковая акустическая система позволяет:
Получить эффективные малогабаритные ультразвуковые излучатели при использовании пьезоэлементов (дисков) малых диаметров;
Достичь минимального влияния элементов крепления акустической системы в корпусе ультразвукового излучателя;
Увеличить амплитуду колебаний системы при одновременном повышении надежности работы при значительном уменьшении габаритных размеров и массы, что крайне необходимо для современного ультразвукового медицинского оборудования.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ультразвуковая колебательная система в форме тела вращения, образованная последовательно расположенными двумя металлическими накладками, отражающей и концентрирующей, и двумя пьезоэлектрическими элементами, расположенными между накладками, акустически связанными между собой стяжным элементом, отличающаяся тем, что пьезоэлементы выполнены дисковыми, отражающая накладка состоит из последовательно расположенных резьбового упора с центральным отверстием и дисковой накладки, концентрирующая накладка содержит три участка: первый - цилиндрический с фланцем, второй - экспоненциальный и третий - выходной цилиндрический с резьбовым глухим отверстием для крепления волновода-инструмента, а стяжной элемент выполнен в виде стакана с внутренней резьбой и двумя отверстиями: круглым в центре днища и прямоугольным на боковой поверхности стакана, причем первый цилиндрический участок концентрирующей накладки выполнен резьбовым до фланца и на этом участке дополнительно размещена накидная гайка.
Для генерации ультразвука применяются специальные излучатели магнитострикционного типа. К основным параметрам устройств относится сопротивление и проводимость. Также учитывается допустимая величина частоты. По конструкции устройства могут отличаться. Также надо отметить, что модели активно применяются в эхолотах. Чтобы разобраться в излучателях, важно рассмотреть их схему.
Схема устройства
Стандартный магнитострикционный излучатель ультразвука состоит из подставки и набора клемм. Непосредственно магнит подводится на конденсатор. В верхней части устройства имеется обмотка. У основания излучателей часто устанавливается зажимное кольцо. Магнит подходит только неодимового типа. В верхней части моделей располагается стержень. Для его фиксации применяется кольцо.
Кольцевая модификация
Кольцевые устройства работают при проводимости от 4 мк. Многие модели производятся с короткими подставками. Также надо отметить, что существуют модификации на полевых конденсаторах. Чтобы собрать магнитострикционный излучатель своими руками, применяется обмотка соленоида. При этом клеммы важно устанавливать низкого порогового напряжения. Ферритовый стрежень целесообразнее подбирать небольшого диаметра. Зажимное кольцо ставится в последнюю очередь.
Устройство с яром
Сделать магнитострикционный излучатель своими руками довольно просто. В первую очередь заготавливается стойка под стержень. Далее важно вырезать подставку. Для этого можно использовать металлический диск. Специалисты говорят о том, что подставка в диаметре должна быть не более 3.5 см. Клеммы для устройства подбираются на 20 В. В верхней части модели фиксируется кольцо. При необходимости можно намотать изоленту. Показатель сопротивления у излучателей данного типа находится в районе 30 Ом. Работают они при проводимости не менее 5 мк. Обмотка в данном случае не потребуется.
Модель с двойной обмоткой
Устройства с двойной обмоткой производятся разного диаметра. Проводимость у моделей находится на отметке 4 мк. Большинство устройств обладает высоким волновым сопротивлением. Чтобы сделать магнитострикционный излучатель своими руками, используется только стальная подставка. Изолятор в данном случае не потребуется. Ферритовый стержень разрешается устанавливать на подкладку. Специалисты рекомендуют заранее заготовить уплотнительное кольцо. Также надо отметить, что для сборки излучателя потребуется конденсатор полевого типа. Сопротивление на входе у модели должно составлять не более 20 Ом. Обмотки устанавливаются рядом со стержнем.
Излучатели на базе отражателя
Излучатели данного типа выделяются высокой проводимостью. Работают модели при напряжении 35 В. Многие устройства оснащаются полевыми конденсаторами. Сделать магнитострикционный излучатель своими руками довольно проблематично. В первую очередь надо подобрать стержень небольшого диаметра. При этом клеммы заготавливаются с проводимостью от 4 мк.
Волновое сопротивление в устройстве должно составлять от 45 Ом. Пластина устанавливается на подставке. Обмотка в данном случае не должна соприкасаться с клеммами. В нижней части устройства обязана находиться круглая подставка. Для фиксации кольца часто применяется обычная изолента. Конденсатор напаивается над манганитом. Также надо отметить, что кольца иногда применяются с накладками.
Устройства для эхолотов
Для эхолотов часто используется магнитострикционный излучатель УЗ. Как приготовить модель своими руками? Самодельные модификации производятся с проводимостью от 5 мк. у них в среднем равняется 55 Ом. Чтобы изготовить мощный ультразвуковой стержень применяется на 1.5 см. Обмотка соленоида накручивается с малым шагом.
Специалисты говорят о том, что стойки под излучатели целесообразнее подбирать из нержавейки. При этом клеммы применяются с малой проводимостью. Конденсаторы подходят разного типа. у излучателей находится на отметке 14 Вт. Для фиксации стержня используются резиновые кольца. У основания устройства накручивается изолента. Также стоит отметить, что магнит надо устанавливать в последнюю очередь.
Модификации для рыболокаторов
Устройства для рыболокаторов собираются только с проводными конденсаторами. Для начала требуется установить стойку. Целесообразнее применять кольца диаметром от 4.5 см. Обмотка соленоида обязана плотно прилегать к стержню. Довольно часто конденсаторы припаиваются у основания излучателей. Некоторые модификации производятся на две клеммы. Ферритовый стрежень обязан фиксироваться на изоляторе. Для укрепления кольца используется изолента.
Модели низкого волнового сопротивления
Устройства низкого волнового сопротивления работают при напряжении 12 В. У многих моделей имеются два конденсатора. Чтобы собрать прибор, генерирующий ультразвук, своими руками, потребуется стержень на 10 см. При этом конденсаторы на излучатель устанавливаются проводного типа. Обмотка накручивается в последнюю очередь. Также надо отметить, что для сборки модификации потребуется клемма. В некоторых случаях используются полевые конденсаторы на 4 мк. Параметр частоты будет довольно высокий. Магнит целесообразнее устанавливаться над клеммой.
Устройства высокого волнового сопротивления
Излучатели ультразвука высокого сопротивления хорошо подходят для приемников короткой волны. Собрать самостоятельно устройство можно только на базе переходных конденсаторов. При этом клеммы побираются высокой проводимости. Довольно часто магнит устанавливается на стойке.
Подставка для излучателя применяется малой высоты. Также надо отметить, что для сборки устройства используются один стрежень. Для изоляции его основания подойдет обычная изолента. В верней части излучателя обязано находиться кольцо.
Стержневые устройства
Схема стержневого типа включает в себя проводник с обмоткой. Конденсаторы разрешается применять разной емкости. При этом они могут отличаться по проводимости. Если рассматривать простую модель, то подставка заготавливается круглой формы, а клеммы устанавливаются на 10 В. Обмотка соленоида накручивается в последнюю очередь. Также надо отметить, что магнит подбирается неодимового типа.
Непосредственно стержень применяется на 2.2 см. Клеммы можно устанавливать на подкладке. Также надо упомянуть о том, что существуют модификации на 12 В. Если рассматривать устройства с полевыми конденсаторами высокой емкости, то минимальный диаметр стержня допускается 2.5 см. При этом обмотка должна накручиваться до изоляции. В верхней части излучателя устанавливается защитное кольцо. Подставки разрешается делать без накладки.
Модели с однопереходными конденсаторами
Излучатели данного типа выдают проводимость на уровне 5 мк. При этом показатель волнового сопротивления у них максимум доходит до 45 Ом. Для того чтобы самостоятельно изготовить излучатель, заготавливается небольшая стойка. В верхней части подставки обязана находиться накладка из резины. Также надо отметить, что магнит заготавливается неодимового типа.
Специалисты советуют устанавливать его на клей. Клеммы для устройства подбираются на 20 Вт. Непосредственно конденсатор устанавливается над накладкой. Стержень используется диаметром в 3.3 см. В нижней части обмотки должно находиться кольцо. Если рассматривать модели на два конденсатора, то стержень разрешается использовать с диаметром 3.5 см. Обмотка должна накручиваться до самого основания излучателя. В нижней части стоки клеится изолента. Магнит устанавливается в середине стойки. Клеммы при этом должны находиться по сторонам.
Свойство ультразвуковых волн отражаться от препятствия и возвращаться назад в виде эха используют для определения расстояния до труднодоступных объектов.
Известные в начале ХХ века механические источники ультразвуковых волн - камертоны и колеблющиеся стальные стержни, обладали большой мощностью, но не были способны посылать их узким направленным пучком, подобно световому лучу. Излучаемый ими ультразвук расходился в разные стороны. Из-за этого невозможно было определить направление, в котором находился исследуемый объект.
Но выход нашёл французский учёный Поль Ланжевен. В 1916 г., во время Первой мировой войны, он искал способ обнаружения подводных лодок с помощью ультразвука. И в качестве источника ультразвуковых волн он использовал пьезоэлектрическое явление, которое до этого не находило применения.
Открытие пьезоэлектричества
Нажать на картинку
Пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 г. французскими учёными братьями Пьером и Полем Кюри во время исследования свойств кристаллов. Сжимая кристалл кварца с двух сторон, они обнаружили появление электрических зарядов на гранях, перпендикулярных направлению сжатия. Заряды на одной грани были положительными, а на другой - отрицательными. Такую же картину они наблюдали и при растяжении кристаллов. На той грани, где при сжатии появлялись положительные заряды, при растяжении возникали отрицательные, и наоборот.
Пьер Кюри
Оказалось, что кроме кварца подобными свойствами обладают кристаллы турмалина, сегнетовой соли, сульфата лития, и другие кристаллы, у которых отсутствует центр симметрии. Это явление было названо пьезоэлектричеством, от греческого слова «пьезо» - давлю, а кристаллы, обладающие такими свойствами, - пьезоэлектриками .
При дальнейших исследованиях братья Кюри установили, что существует и обратный пьезоэлектрический эффект . Если создать электрические заряды разной полярности на гранях кристалла, то он сожмётся или растянется.
Вот это открытие и использовал в своих исследованиях Поль Ланжевен.
Пьезоэлектрический излучатель Ланжевена
Поль Ланжевен
Если кварцевую пластинку подвергать механическому воздействию, то она электризуется. И наоборот, если менять с определённой частотой электрическое поле, в котором она находится, то она начнёт колебаться с такой же частотой.
А что будет, если для зарядки кристалла использовать электричество от источника переменного тока высокой частоты? Проделав такой опыт, Ланжевен убедился, что частота колебаний кристалла такая же, что и частота изменения напряжения. Если она ниже 20 000 Гц, кристалл становится источником звука, а если выше, он будет излучать ультразвуковые волны.
Но мощность ультразвука, излучаемого одной пластинкой кристалла, очень мала. Поэтому из кварцевых пластинок учёный создал мозаичный слой и поместил его между двумя стальными накладками, которые выполняли функции электродов. Для увеличения амплитуды колебаний использовалось явление резонанса. Если частота переменного напряжения, подаваемого на пьезокристалл, совпадала с его собственной частотой, то амплитуда его колебаний резко возрастала.
Эту конструкцию назвали «сэндвичем Ланжевена». И она оказалась очень удачной. Мощность излучения была достаточно большой, а пучок волн оказался узко направленным.
Позднее в качестве пьезоэлемента вместо кварцевых пластинок стали применять керамику из титаната бария, пьезоэлектрический эффект которого во много раз выше, чем у кварца.
Пьезоэлектрическая пластинка может быть и приёмником звука. Если звуковая волна встретит её на своём пути, то пластинка начнёт колебаться с частотой источника звука. На её гранях появятся электрические заряды. Энергия звуковых колебаний преобразуется в энергию электрических колебаний, которые улавливаются приёмником.
