De installatie bestaat uit een laboratoriumstandaard, een ultrasone generator, een zeer efficiënte, hoogwaardige magnetostrictieve transducer en drie golfgeleideremitters (concentrators) voor de transducer. heeft stapsgewijze aanpassing van het uitgangsvermogen, 50%, 75%, 100% van het nominale uitgangsvermogen. Vermogensaanpassing en de aanwezigheid van drie verschillende golfgeleideremitters (met een versterking van 1:0,5, 1:1 en 1:2) maken het mogelijk om verschillende amplitudes van ultrasone trillingen in de onderzochte vloeistoffen en elastische media te verkrijgen, ongeveer van 0 tot 80 μm bij een frequentie van 22 kHz.

Vele jaren ervaring in de productie en verkoop van ultrasone apparatuur bevestigt de waargenomen behoefte om alle soorten moderne hightech productie uit te rusten met laboratoriuminstallaties.

De productie van nanomaterialen en nanostructuren, de introductie en ontwikkeling van nanotechnologieën is onmogelijk zonder het gebruik van ultrasone apparatuur.

Met behulp van deze ultrasone apparatuur is het mogelijk om:

• het verkrijgen van metalen nanopoeders;
• gebruik bij het werken met fullerenen;
• stroom studie nucleaire reacties in omstandigheden met sterke ultrasone velden (koude thermonucleaire);
• excitatie van sonoluminescentie in vloeistoffen voor onderzoek en industriële doeleinden;
• creatie van fijn gedispergeerde, genormaliseerde directe en omgekeerde emulsies;
• hout scoren;
• excitatie van ultrasone trillingen in gesmolten metalen voor ontgassing;
• en nog veel, veel meer.

Moderne ultrasone dispergeermiddelen met digitale generatoren uit de I10-840-serie

Ultrasone installatie (dispergeermiddel, homogenisator, emulgator) I100-840 is ontworpen voor laboratoriumonderzoek naar de effecten van echografie op vloeibare media met digitale besturing, met soepele aanpassing, met digitale selectie van de werkfrequentie, met een timer, met de mogelijkheid om Verbind oscillerende systemen met verschillende frequenties en vermogens en registreer verwerkingsparameters in niet-vluchtig geheugen.

De installatie kan worden uitgerust met ultrasone magnetostrictieve of piëzocermische oscillerende systemen met een werkfrequentie van 22 en 44 kHz.

Indien nodig kan het dispergeermiddel worden uitgerust met oscillerende systemen op 18, 30, 88 kHz.

Er worden ultrasone laboratoriumeenheden (dispergeermiddelen) gebruikt:

• voor laboratoriumonderzoek naar het effect van ultrasone cavitatie op diverse vloeistoffen en monsters geplaatst in vloeistoffen;
• moeilijk of weinig op te lossen oplosbare stoffen en vloeistoffen in andere vloeistoffen;
• voor het testen van diverse vloeistoffen op cavitatiesterkte. Om bijvoorbeeld de stabiliteit van de viscositeit van industriële oliën te bepalen (zie GOST 6794-75 voor AMG-10-olie);
• het bestuderen van veranderingen in de impregnatiesnelheid van vezelmaterialen onder invloed van ultrageluid en het verbeteren van de impregnatie van vezelmaterialen met verschillende vulstoffen;
• om aggregatie van minerale deeltjes tijdens hydrosortering te voorkomen (schuurpoeders, geomodificatoren, natuurlijke en kunstmatige diamanten, enz.);
• voor ultrasone reiniging van complexe producten van autobrandstofapparatuur, injectoren en carburateurs;
• voor onderzoek naar cavitatiesterkte van machineonderdelen en mechanismen;
• en in het eenvoudigste geval - als echografie met hoge intensiteit wasbad. Sedimenten en afzettingen op laboratoriumglaswerk en glas worden binnen enkele seconden verwijderd of opgelost.

Eigenaars van patent RU 2286216:

De uitvinding heeft betrekking op apparaten voor het ultrasoon reinigen en verwerken van suspensies in krachtige akoestische velden, in het bijzonder voor het oplossen, emulgeren, dispergeren, evenals apparaten voor het opwekken en overbrengen van mechanische trillingen met behulp van het magnetostrictie-effect. De installatie bevat een ultrasone staaf-magnetostrictieve transducer, een werkkamer in de vorm van een metalen cilindrische buis, en een akoestische golfgeleider, waarvan het stralende uiteinde hermetisch is verbonden met het onderste deel van de cilindrische buis door middel van een elastische afdichtring. en het ontvangende uiteinde van deze golfgeleider is akoestisch stijf verbonden met het stralingsoppervlak van de ultrasone staaftransducer. De installatie omvat bovendien een magnetostrictieve ringzender, waarvan het magnetische circuit akoestisch stevig op de buis van de werkkamer wordt gedrukt. De ultrasone installatie vormt een akoestisch veld met twee frequenties in het vloeibare medium dat wordt verwerkt, wat zorgt voor een verhoogde intensivering technologisch proces zonder dat dit ten koste gaat van de kwaliteit van het eindproduct. 3 salaris vlieg, 1 ill.

De uitvinding heeft betrekking op apparaten voor het ultrasoon reinigen en verwerken van suspensies in krachtige akoestische velden, in het bijzonder voor het oplossen, emulgeren, dispergeren, evenals apparaten voor het opwekken en overbrengen van mechanische trillingen met behulp van het magnetostrictie-effect.

Er is een inrichting bekend voor het inbrengen van ultrasone trillingen in een vloeistof (patent DE, nr. 3815925, B 08 B 3/12, 1989) met behulp van een ultrasone sensor, die is bevestigd met een geluidsemitterende kegel met behulp van een hermetisch isolerende flens in de bodem gebied in een bad met vloeistof.

De technische oplossing die het dichtst bij de voorgestelde ligt, is een ultrasone installatie van het type UZVD-6 (A.V. Donskoy, O.K. Keller, G.S. Kratysh “Ultrasonic electrotechnological installaties”, Leningrad: Energoizdat, 1982, p. 169), met daarin een ultrasone staaftransducer, een werkkamer gemaakt in de vorm van een metalen cilindrische pijp, en een akoestische golfgeleider, waarvan het stralende uiteinde hermetisch is verbonden met het onderste deel van de cilindrische pijp door middel van een elastische afdichtring, en het ontvangende uiteinde van deze golfgeleider is akoestisch star verbonden met het stralingsoppervlak van de ultrasone transducer met staaf.

Het nadeel van de geïdentificeerde bekende ultrasone installaties is dat de werkkamer een enkele bron van ultrasone trillingen heeft, die daarin worden overgebracht door een magnetostrictieve transducer via het uiteinde van de golfgeleider, waarvan de mechanische eigenschappen en akoestische parameters de maximaal toelaatbare straling bepalen. intensiteit. Vaak kan de resulterende intensiteit van ultrasone trillingsstraling niet voldoen aan de eisen van het technologische proces in termen van de kwaliteit van het eindproduct, waardoor de tijd van ultrasone behandeling van het vloeibare medium moet worden verlengd en dit leidt tot een afname van de intensiteit van de straling. het technologische proces.

De tijdens het patentonderzoek geïdentificeerde ultrasone installaties, analoog en prototype van de geclaimde uitvinding, garanderen dus, wanneer ze worden geïmplementeerd, niet het bereiken van het technische resultaat, dat bestaat uit het verhogen van de intensivering van het technologische proces zonder de kwaliteit van het eindproduct te verminderen. .

De onderhavige uitvinding lost het probleem op van het creëren van een ultrasone installatie, waarvan de implementatie het bereiken van een technisch resultaat garandeert, bestaande uit het verhogen van de intensivering van het technologische proces zonder de kwaliteit van het eindproduct te verminderen.

De essentie van de uitvinding ligt in het feit dat een ultrasone installatie met een ultrasone staaftransducer, een werkkamer gemaakt in de vorm van een metalen cilindrische pijp en een akoestische golfgeleider, waarvan het stralende uiteinde hermetisch is verbonden met het onderste deel van de de cilindrische pijp door middel van een elastische afdichtring, en het ontvangende uiteinde van deze golfgeleider is akoestisch star verbonden met het emitterende oppervlak van de ultrasone staaftransducer; er is een extra ring-magnetostrictieve emitter geïntroduceerd, waarvan het magnetische circuit akoestisch stijf wordt aangedrukt op de pijp van de werkkamer. Bovendien is aan het stralende uiteinde van de golfgeleider in het gebied van de verplaatsingseenheid een elastische afdichtring bevestigd. In dit geval bevindt het onderste uiteinde van de magnetische kern van de ringstraler zich in hetzelfde vlak als het stralende uiteinde van de akoestische golfgeleider. Bovendien is het oppervlak van het stralende uiteinde van de akoestische golfgeleider concaaf en bolvormig gemaakt, waarbij de straal van de bol gelijk is aan de helft van de lengte van het magnetische circuit van de magnetostrictieve ringemitter.

Het technische resultaat wordt als volgt bereikt. Een staaf-ultrasone transducer is een bron van ultrasone trillingen die de noodzakelijke parameters van het akoestische veld in de werkkamer van de installatie verschaffen voor het uitvoeren van het technologische proces, dat de intensivering en kwaliteit van het eindproduct garandeert. Een akoestische golfgeleider, waarvan het uitstralende uiteinde hermetisch is verbonden met het onderste deel van de cilindrische buis, en het ontvangende uiteinde van deze golfgeleider akoestisch star is verbonden met het uitstralende oppervlak van de ultrasone transducer met staaf, zorgt voor de overdracht van ultrasone trillingen naar de verwerkt vloeibaar medium van de werkkamer. In dit geval wordt de dichtheid en mobiliteit van de verbinding verzekerd doordat het stralende uiteinde van de golfgeleider door middel van een elastische afdichtring is verbonden met het onderste deel van de werkkamerbuis. De mobiliteit van de verbinding zorgt voor de mogelijkheid om mechanische trillingen van de omzetter via de golfgeleider naar de werkkamer over te brengen, naar het vloeibare medium dat wordt verwerkt, de mogelijkheid om het technologische proces uit te voeren en daardoor het vereiste technische resultaat te verkrijgen.

Bovendien is bij de geclaimde installatie de elastische afdichtring aan het stralende uiteinde van de golfgeleider in het gebied van het verplaatsingsknooppunt bevestigd, in tegenstelling tot het prototype, waarbij deze in het gebied van het verplaatsingsknooppunt is geïnstalleerd. antinode. Als gevolg hiervan dempt de afdichtring in de prototype-installatie trillingen en vermindert de kwaliteitsfactor van het oscillerende systeem, en vermindert daardoor de intensiteit van het technologische proces. Bij de geclaimde installatie is de afdichtring in de buurt van de verdringereenheid aangebracht, zodat deze geen invloed heeft op het oscillerende systeem. Hierdoor kan meer vermogen door de golfgeleider passeren in vergelijking met het prototype en daardoor de stralingsintensiteit verhogen, waardoor het technologische proces wordt geïntensiveerd zonder de kwaliteit van het eindproduct te verminderen. Omdat bij de geclaimde installatie bovendien de afdichtring is geïnstalleerd in het gebied van het samenstel, d.w.z. in de zone zonder vervormingen wordt het niet vernietigd door trillingen, behoudt het de mobiliteit van de verbinding van het stralende uiteinde van de golfgeleider met onderkant pijpen van de werkkamer, waardoor de stralingsintensiteit behouden blijft. In het prototype is de afdichtring geïnstalleerd in de zone met maximale vervorming van de golfgeleider. Daarom wordt de ring geleidelijk vernietigd door trillingen, waardoor de intensiteit van de straling geleidelijk afneemt, waarna de dichtheid van de verbinding wordt verbroken en de prestaties van de installatie worden aangetast.

Het gebruik van een magnetostrictieve ringemitter maakt het mogelijk een hoog conversievermogen en een aanzienlijk stralingsoppervlak te realiseren (A.V. Donskoy, O.K. Keller, G.S. Kratysh “Ultrasonic electrotechnological installaties”, Leningrad: Energoizdat, 1982, p. 34), en maakt daardoor intensivering van het technologische proces zonder de kwaliteit van het eindproduct te verminderen.

Omdat de pijp cilindrisch is gemaakt en de magnetostrictieve emitter die in de installatie wordt geïntroduceerd ringvormig is gemaakt, is het mogelijk om het magnetische circuit op het buitenoppervlak van de pijp te drukken. Wanneer voedingsspanning wordt aangelegd op de magnetische kernwikkeling, treedt er een magnetostrictie-effect op in de platen, wat leidt tot vervorming van de ringvormige platen van de magnetische kern in radiale richting. Bovendien wordt, als gevolg van het feit dat de pijp van metaal is gemaakt en het magnetische circuit akoestisch stijf op de pijp is gedrukt, de vervorming van de ringvormige platen van het magnetische circuit omgezet in radiale trillingen van de pijpwand. Als gevolg hiervan worden elektrische trillingen van de opwindende generator van de magnetostrictieve ringemitter omgezet in radiale mechanische trillingen van de magnetostrictieve platen, en dankzij de akoestisch stijve verbinding van het stralingsvlak van het magnetische circuit met het oppervlak van de buis kunnen mechanische trillingen optreden. worden door de wanden van de buis overgebracht naar het verwerkte vloeibare medium. In dit geval is de bron van akoestische trillingen in het vloeibare medium dat wordt verwerkt de binnenwand van de cilindrische pijp van de werkkamer. Hierdoor wordt in de geclaimde installatie een akoestisch veld met een tweede resonantiefrequentie gevormd in het vloeibare medium dat wordt verwerkt. Bovendien vergroot de introductie van een ringmagnetostrictieve emitter in de geclaimde installatie het gebied van het emitterende oppervlak in vergelijking met het prototype: het emitterende oppervlak van de golfgeleider en een deel van de binnenwand van de werkkamer, op het buitenoppervlak waarvan de ringvormige magnetostrictieve emitter wordt ingedrukt. Een toename van het stralingsoppervlak vergroot de intensiteit van het akoestische veld in de werkkamer en biedt daarom de mogelijkheid om het technologische proces te intensiveren zonder de kwaliteit van het eindproduct te verminderen.

De locatie van het onderste uiteinde van de magnetische kern van de ringstraler in hetzelfde vlak als het stralende uiteinde van de akoestische golfgeleider is de beste optie, aangezien plaatsing onder het stralende uiteinde van de golfgeleider leidt tot de vorming van een dode (stilstaande) zone voor de ringtransducer (ringradiator - pijp). Het plaatsen van het onderste uiteinde van de magnetische kern van de ringemitter boven het stralende uiteinde van de golfgeleider vermindert de efficiëntie van de ringtransducer. Beide opties leiden tot een afname van de intensiteit van de impact van het totale akoestische veld op het verwerkte vloeibare medium, en bijgevolg tot een afname van de intensivering van het technologische proces.

Omdat het stralingsoppervlak van een magnetostrictieve ringzender een cilindrische wand is, wordt de geluidsenergie gefocusseerd, d.w.z. er ontstaat een concentratie van het akoestische veld langs de hartlijn van de buis waarop de magnetische kern van de zender wordt gedrukt. Omdat het stralingsoppervlak van een staaf-ultrasone transducer de vorm heeft van een concave bol, focust dit stralingsoppervlak ook de geluidsenergie, maar dichtbij een punt dat op de hartlijn van de pijp ligt. Dus voor verschillende brandpuntsafstanden de brandpunten van beide stralingsoppervlakken vallen samen, waardoor krachtige akoestische energie wordt geconcentreerd in een klein volume van de werkkamer. Omdat het onderste uiteinde van de magnetische kern van de ringstraler zich in hetzelfde vlak bevindt als het stralende uiteinde van de akoestische golfgeleider, waarin de concave bol een straal heeft die gelijk is aan de helft van de lengte van de magnetische kern van de magnetostrictieve ringstraler, het focuspunt van de akoestische energie ligt in het midden van de axiale lijn van de buis, d.w.z. in het midden van de werkkamer van de installatie is krachtige akoestische energie geconcentreerd in een klein volume ("Ultrasound. Little Encyclopedia", hoofdredacteur I.P. Golyanin, M.: Sovjet-encyclopedie, 1979, blz. 367-370). Op het gebied van het focusseren van de akoestische energieën van beide stralingsoppervlakken is de intensiteit van de impact van het akoestische veld op het verwerkte vloeibare medium honderden keren hoger dan in andere delen van de kamer. Er wordt een lokaal volume gecreëerd met een krachtige intensiteit van blootstelling aan het veld. Door de plaatselijke krachtige intensiteit van de inslag worden zelfs moeilijk te verwerken materialen vernietigd. Bovendien wordt in dit geval krachtig ultrasoon geluid van de wanden verwijderd, wat de kamerwanden beschermt tegen vernietiging en besmetting van het verwerkte materiaal met het product van wandvernietiging. Door dus het oppervlak van het stralende uiteinde van de akoestische golfgeleider concaaf en bolvormig te maken, met een straal van de bol gelijk aan de helft van de lengte van het magnetische circuit van de magnetostrictieve ringemitter, wordt de intensiteit van het effect van het akoestische veld op de ring vergroot. verwerkt vloeibaar medium, en zorgt daardoor voor de intensivering van het technologische proces zonder de kwaliteit van het eindproduct te verminderen.

Zoals hierboven getoond wordt in de geclaimde installatie een akoestisch veld met twee resonantiefrequenties gevormd in het vloeibare medium dat wordt verwerkt. De eerste resonantiefrequentie wordt bepaald door de resonantiefrequentie van de magnetostrictieve staaftransducer, de tweede - door de resonantiefrequentie van de magnetostrictieve ringemitter die op de buis van de werkkamer wordt gedrukt. De resonantiefrequentie van een magnetostrictieve ringzender wordt bepaald uit de uitdrukking lcp=λ=с/fres, waarbij lcp de lengte is van de hartlijn van de magnetische kern van de zender, λ de golflengte in het materiaal van de magnetische kern, c is de snelheid van elastische trillingen in het materiaal van de magnetische kern, fres is de resonantiefrequentie van de zender (A.V. Donskoy, O.K. Keller, G.S. Kratysh "Ultrasonic electrotechnological installaties", Leningrad: Energoizdat, 1982, p. 25 ). Met andere woorden, de tweede resonantiefrequentie van de installatie wordt bepaald door de lengte van de hartlijn van het magnetische ringcircuit, die op zijn beurt wordt bepaald door de buitendiameter van de werkkamerpijp: hoe langer middellijn magnetisch circuit, hoe lager de tweede resonantiefrequentie van de installatie.

De aanwezigheid van twee resonantiefrequenties in de geclaimde installatie maakt het mogelijk het technologische proces te intensiveren zonder dat dit ten koste gaat van de kwaliteit van het eindproduct. Dit wordt als volgt uitgelegd.

Bij blootstelling aan een akoestisch veld in het vloeibare medium dat wordt verwerkt, ontstaan ​​akoestische stromingen: stationaire wervelstromen van vloeistof die ontstaan ​​in een vrij, inhomogeen geluidsveld. In de geclaimde installatie worden in het vloeibare medium dat wordt verwerkt twee soorten akoestische golven gevormd, elk met zijn eigen resonantiefrequentie: een cilindrische golf plant zich radiaal voort vanuit binnenoppervlak pijp (werkkamer), en de vlakke golf plant zich van onder naar boven langs de werkkamer voort. De aanwezigheid van twee resonantiefrequenties vergroot de impact van akoestische stromingen op het vloeibare medium dat wordt verwerkt, omdat bij elke resonantiefrequentie zijn eigen akoestische stromingen worden gevormd, die de vloeistof intensief mengen. Dit leidt ook tot een toename van de turbulentie van akoestische stromingen en tot een nog intensere menging van de behandelde vloeistof, waardoor de intensiteit van de impact van het akoestische veld op het behandelde vloeibare medium toeneemt. Hierdoor wordt het technologische proces geïntensiveerd zonder dat dit ten koste gaat van de kwaliteit van het eindproduct.

Bovendien treedt er onder invloed van een akoestisch veld cavitatie op in het vloeibare medium dat wordt verwerkt: het ontstaan ​​van breuken in het vloeibare medium waarbij plaatselijk een drukverlaging optreedt. Als gevolg van cavitatie worden damp-gas-cavitatiebellen gevormd. Als het akoestische veld zwak is, resoneren en pulseren de bellen in het veld. Als het akoestische veld sterk is, stort de bel in na een periode van geluidsgolf (ideaal geval), omdat deze het gebied met hoge druk binnengaat dat door dit veld wordt gecreëerd. Wanneer bellen instorten, veroorzaken ze sterke hydrodynamische verstoringen in het vloeibare medium, intense straling van akoestische golven, en veroorzaken ze vernietiging van de oppervlakken van vaste lichamen die grenzen aan de caviterende vloeistof. In de geclaimde installatie is het akoestische veld krachtiger vergeleken met het akoestische veld van de prototype-installatie, wat verklaard wordt door de aanwezigheid van twee resonantiefrequenties daarin. Als gevolg daarvan is in de geclaimde installatie de waarschijnlijkheid dat cavitatiebellen instorten groter, wat de cavitatie-effecten versterkt en de intensiteit van de impact van het akoestische veld op het behandelde vloeibare medium vergroot, en daarom een ​​intensivering van het technologische proces garandeert zonder de kwaliteit van het eindproduct.

Hoe lager de resonantiefrequentie van het akoestische veld, hoe groter de bel, aangezien de periode van de lage frequentie groot is en de bellen de tijd hebben om te groeien. De levensduur van een bel tijdens cavitatie is één frequentieperiode. Wanneer de bel instort, ontstaat er een krachtige druk. Hoe groter de bel, hoe meer hoge bloeddruk ontstaat wanneer het dichtslaat. In de geclaimde ultrasone installatie verschillen cavitatiebellen, als gevolg van het tweefrequente geluid van de vloeistof die wordt verwerkt, in grootte: grotere zijn een gevolg van het effect van lage frequentie op het vloeibare medium, en kleine zijn een gevolg van blootstelling aan hoge frequenties. . Bij het reinigen van oppervlakken of bij het verwerken van een suspensie dringen kleine belletjes door in scheuren en holtes van vaste deeltjes en vormen, wanneer ze instorten, micro-impacteffecten, waardoor de integriteit van het vaste deeltje van binnenuit wordt verzwakt. Wanneer grotere bellen instorten, veroorzaken ze de vorming van nieuwe microscheuren in vaste deeltjes, waardoor hun mechanische bindingen verder worden verzwakt. Vaste deeltjes worden afgebroken.

Tijdens het emulgeren, oplossen en mengen vernietigen grote bellen intermoleculaire bindingen in de componenten van het toekomstige mengsel, verkorten de ketens en creëren omstandigheden voor kleine belletjes voor verdere vernietiging van intermoleculaire bindingen. Hierdoor neemt de intensivering van het technologische proces toe zonder dat dit ten koste gaat van de kwaliteit van het eindproduct.

Bovendien ontstaan ​​in de geclaimde installatie, als gevolg van de interactie van akoestische golven met verschillende resonantiefrequenties in het verwerkte vloeibare medium, trillingen als gevolg van de superpositie van twee frequenties (superpositieprincipe), die een scherpe ogenblikkelijke toename van de amplitude veroorzaken. van de akoestische druk. Op zulke momenten kan het impactvermogen van de akoestische golf meerdere malen hoger zijn dan het specifieke vermogen van de installatie, wat het technologische proces intensiveert en niet alleen de kwaliteit van het eindproduct niet vermindert, maar ook verbetert. Bovendien vergemakkelijkt een scherpe toename van de amplitude van de akoestische druk de toevoer van cavitatiekernen naar de cavitatiezone; cavitatie neemt toe. Cavitatiebellen vormen zich in poriën, onregelmatigheden en oppervlaktescheuren stevig, gelegen in suspensie, vormen lokale akoestische stromingen die de vloeistof intensief mengen in alle microvolumes, wat het ook mogelijk maakt om het technologische proces te intensiveren zonder de kwaliteit van het eindproduct te verminderen.

Uit het bovenstaande volgt dus dat de geclaimde ultrasone installatie, als gevolg van de mogelijkheid om een ​​akoestisch veld met twee frequenties te vormen in het vloeibare medium dat wordt verwerkt, wanneer geïmplementeerd, het bereiken van een technisch resultaat verzekert dat bestaat uit het vergroten van de intensivering van de technologische mogelijkheden. proces zonder de kwaliteit van het eindproduct te verminderen: de resultaten van oppervlaktereiniging, dispersie van vaste componenten in een vloeistof, het proces van emulgering, mengen en oplossen van de componenten van het vloeibare medium.

Op de tekening is de geclaimde ultrasone installatie weergegeven. De ultrasone installatie bevat een ultrasone staaf-magnetostrictieve transducer 1 met een stralend oppervlak 2, een akoestische golfgeleider 3, een werkkamer 4, een magnetisch circuit 5 van een ring-magnetostrictieve emitter 6, een elastische afdichtring 7, een pen 8. Het magnetische circuit 5 heeft gaten 9 voor het maken van een excitatiewikkeling (niet weergegeven). De werkkamer 4 is gemaakt in de vorm van een metalen, bijvoorbeeld stalen, cilindrische buis. In het installatievoorbeeld is de golfgeleider 3 uitgevoerd in de vorm van een afgeknotte kegel, waarbij het stralende uiteinde 10 door middel van een elastische afdichtring 7 nauw verbonden is met de bodem van de buis van de werkkamer 4, en de ontvangende uiteinde 11 is door een pen 8 axiaal verbonden met het stralingsoppervlak 2 van de omzetter 1. Magnetische kern 5 gemaakt in de vorm van een pakket magnetostrictieve platen in de vorm van ringen, en akoestisch stevig op de buis van de werkkamer 4 gedrukt ; Bovendien is het magnetische circuit 5 uitgerust met een bekrachtigingswikkeling (niet weergegeven).

De elastische afdichtring 7 is aan het stralende uiteinde 10 van de golfgeleider 3 in het gebied van de verplaatsingseenheid bevestigd. In dit geval bevindt het onderste uiteinde van de magnetische kern 5 van de ringemitter 6 zich in hetzelfde vlak als het stralende uiteinde 10 van de akoestische golfgeleider 3. Bovendien is het oppervlak van het stralende uiteinde 10 van de akoestische golfgeleider 3 gemaakt concaaf, bolvormig, met een sferische straal gelijk aan de helft van de lengte van de magnetische kern 5 van de magnetostrictieve ringemitter 6.

Als staaf-ultrasone transducer kan bijvoorbeeld een ultrasone magnetostrictieve transducer van het type PMS-15A-18 (BT3.836.001 TU) of PMS-15-22 9SYuIT.671.119.003 TU worden gebruikt. Als het technologische proces hogere frequenties vereist: 44 kHz, 66 kHz, enz., dan is de staaftransducer gebaseerd op piëzokeramiek.

De magnetische kern 5 kan vervaardigd zijn uit een materiaal met negatieve vernauwing, bijvoorbeeld nikkel.

De ultrasooninstallatie werkt als volgt. Voedingsspanningen worden geleverd aan de excitatiewikkelingen van de omzetter 1 en de magnetostrictieve ringemitter 6. De werkkamer 4 is gevuld met het vloeibare medium 12 dat wordt verwerkt, bijvoorbeeld om oplossing, emulgering, dispersie uit te voeren, of gevuld met een vloeibaar medium waarin onderdelen worden geplaatst voor het reinigen van oppervlakken. Na het leveren van de voedingsspanning in de werkkamer 4 wordt in het vloeibare medium 12 een akoestisch veld met twee resonantiefrequenties gevormd.

Onder invloed van het gegenereerde tweefrequente akoestische veld treden akoestische stromingen en cavitatie op in het bewerkte medium 12. Tegelijkertijd verschillen cavitatiebellen, zoals hierboven weergegeven, in grootte: grotere zijn een gevolg van de impact van lage frequenties op het vloeibare medium, en kleine zijn een gevolg van hoge frequenties.

In een caviterend vloeibaar medium, bijvoorbeeld bij het dispergeren of reinigen van oppervlakken, dringen kleine belletjes door in scheuren en holtes van de vaste component van het mengsel en vormen, wanneer ze instorten, micro-impacteffecten, waardoor de integriteit van het vaste deeltje van binnenuit wordt verzwakt. Grotere bellen, die instorten, breken het deeltje, verzwakt van binnenuit, in kleine fracties.

Bovendien treden er, als resultaat van de interactie van akoestische golven met verschillende resonantiefrequenties, slagen op, wat leidt tot een scherpe onmiddellijke toename van de amplitude van de akoestische druk (akoestische schok), wat leidt tot een nog intensere vernietiging van lagen op het oppervlak. gereinigd en tot een nog grotere vermaling van vaste fracties in de behandelde vloeistof bij het verkrijgen van een suspensie. Tegelijkertijd verbetert de aanwezigheid van twee resonantiefrequenties de turbulentie van akoestische stromingen, wat bijdraagt ​​aan een intensere menging van het verwerkte vloeibare medium en een intensere vernietiging van vaste deeltjes, zowel op het oppervlak van het onderdeel als in suspensie.

Tijdens het emulgeren en oplossen vernietigen grote cavitatiebellen intermoleculaire bindingen in de componenten van het toekomstige mengsel, waardoor de ketens korter worden, en creëren ze omstandigheden voor kleine cavitatiebellen voor verdere vernietiging van intermoleculaire bindingen. De akoestische schokgolf en de toegenomen turbulentie van akoestische stromingen, die het resultaat zijn van de tweefrequentiesonificatie van het vloeibare medium dat wordt verwerkt, vernietigen ook intermoleculaire bindingen en intensiveren het proces van het mengen van het medium.

Als gevolg van de gecombineerde invloed van de bovengenoemde factoren op het verwerkte vloeibare medium wordt het uitgevoerde technologische proces geïntensiveerd zonder de kwaliteit van het eindproduct te verminderen. Zoals uit tests is gebleken, is de vermogensdichtheid van de aangegeven omvormer in vergelijking met het prototype twee keer zo hoog.

Om het cavitatie-effect te vergroten, kan in de installatie een verhoogde statische druk worden aangebracht, die op dezelfde manier kan worden geïmplementeerd als het prototype (A.V. Donskoy, O.K. Keller, G.S. Kratysh “Ultrasonic electrotechnological installaties”, Leningrad: Energoizdat, 1982, p. 169) : een systeem van pijpleidingen verbonden met het interne volume van de werkkamer; persluchtcilinder; veiligheidsklep en een manometer. In dit geval moet de werkkamer zijn uitgerust met een afgesloten deksel.

1. Een ultrasone installatie met daarin een ultrasone staaftransducer, een werkkamer in de vorm van een metalen cilindrische buis, en een akoestische golfgeleider, waarvan het stralende uiteinde hermetisch is verbonden met het onderste deel van de cilindrische buis door middel van een elastiek. afdichtring, en het ontvangende uiteinde van deze golfgeleider is akoestisch stijf verbonden met de ultrasone transducer met stralend oppervlak, met het kenmerk dat aanvullend een magnetostrictieve ringzender in de installatie wordt geïntroduceerd, waarvan het magnetische circuit akoestisch stijf op de buis van de werkkamer.

2. Installatie volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de elastische afdichtring in het gebied van de verdringingseenheid aan het stralende uiteinde van de golfgeleider is bevestigd.

3. Installatie volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het onderste uiteinde van de magnetische kern van de ringradiator zich in hetzelfde vlak bevindt als het stralende uiteinde van de akoestische golfgeleider.

4. Installatie volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het oppervlak van het stralende uiteinde van de akoestische golfgeleider concaaf en bolvormig is uitgevoerd, waarbij de straal van de bol gelijk is aan de helft van de lengte van het magnetische circuit van de magnetostrictieve ringemitter.

ELEKTROSPETS

ELEKTROSPETS

Elektrochemisch-mechanische installaties, ultrasone installaties (UZU)

In de kern deze methode verwerking is een mechanisch effect op het materiaal. Het wordt ultrasoon genoemd omdat de frequentie van de schokken overeenkomt met het bereik van onhoorbare geluiden (f = 6...10 5 kHz).
Geluidsgolven zijn mechanisch-elastische trillingen die zich alleen naar binnen kunnen voortplanten elastisch middel.
Wanneer een geluidsgolf zich voortplant in een elastisch medium, voeren materiaaldeeltjes elastische oscillaties rond hun posities uit met een snelheid die oscillerend wordt genoemd.
Condensatie en verdunning van het medium in longitudinale golf gekenmerkt door overmatige, zogenaamde geluidsdruk.
De voortplantingssnelheid van een geluidsgolf hangt af van de dichtheid van het medium waarin hij beweegt.
Hoe stijver en lichter het medium materiaal, hoe groter de snelheid. Wanneer een geluidsgolf zich in een materiële omgeving voortplant, draagt ​​hij energie mee die kan worden gebruikt in technologische processen.
Voordelen van ultrasone behandeling:

Mogelijkheid om akoestische energie te verkrijgen met behulp van verschillende technische technieken;
- een breed scala aan ultrasone toepassingen (van dimensionale verwerking tot lassen, solderen, enzovoort);
- gemak van automatisering en bediening

Gebreken:

Hogere kosten van akoestische energie vergeleken met andere soorten energie;
- de noodzaak om ultrasone trillingsgeneratoren te vervaardigen;
- de behoefte aan productie speciaal gereedschap met bijzondere eigenschappen en vorm.

Ultrasone trillingen gaan gepaard met een aantal effecten die als basis kunnen worden gebruikt voor de ontwikkeling van verschillende processen:
- cavitatie, d.w.z. de vorming van bellen in de vloeistof (tijdens de rekfase) en het barsten ervan (tijdens de compressiefase); in dit geval ontstaan ​​er grote lokale momentane drukken, die waarden bereiken van 10 2 N/m 2;
- absorptie van ultrasone trillingen door een stof, waarbij een deel van de energie wordt omgezet in warmte, en een deel wordt besteed aan het veranderen van de structuur van de stof.
Deze effecten worden gebruikt voor:
- scheiding van moleculen en deeltjes met verschillende massa's in heterogene suspensies;
- coagulatie (vergroting) van deeltjes;
- het verspreiden (vermalen) van een stof en het vermengen met andere stoffen;
- het ontgassen van vloeistoffen of smeltingen door de vorming van grote pop-upbellen.
Elementen van UZU
Elke UZU omvat drie hoofdelementen:
- bron van ultrasone trillingen;
- akoestische snelheidstransformator (hub);
- bevestigingsonderdelen.
Bronnen van ultrasone trillingen kunnen van twee soorten zijn: mechanisch en elektrisch.
Mechanische bronnen zetten mechanische energie om, zoals de snelheid van een vloeistof of gas.
Deze omvatten ultrasone sirenes en fluitjes. Elektrische bronnen van ultrasone signalen transformeren elektrische energie in mechanisch-elastische trillingen met de overeenkomstige frequentie. Transducers zijn elektrodynamisch, magnetostrictief en piëzo-elektrisch.
De meest gebruikte zijn magnetostrictieve en piëzo-elektrische transducers.
Het werkingsprincipe van magnetostrictieve transducers is gebaseerd op het longitudinale magnetostrictieve effect, dat zich manifesteert in een lengteverandering metalen lichaam van ferromagnetische materialen (zonder hun volume te veranderen) onder invloed magnetisch veld.
Het magnetostrictieve effect is verschillend voor verschillende metalen. Nikkel en permendur hebben een hoge magnetostrictie.
Het magnetostrictieve transducerpakket is een kern van dunne platen waarop een wikkeling is geplaatst om daarin een wisselstroom op te wekken. elektromagnetisch veld hoge frequentie.
Met het magnetostrictieve effect verandert het teken van de kernvervorming niet wanneer de veldrichting wordt omgekeerd. De frequentie van verandering in vervorming is 2 keer groter dan de frequentie (f) van verandering AC, die door de wikkeling van de omzetter gaat, omdat in de positieve en negatieve halve cycli een vervorming van hetzelfde teken optreedt.
Werkingsprincipe piëzo-elektrische transducers gebaseerd op het vermogen van sommige stoffen om hun eigenschappen te veranderen geometrische afmetingen(dikte en volume) in een elektrisch veld. Het piëzo-elektrische effect is omkeerbaar. Als een plaat van piëzomateriaal wordt onderworpen aan druk- of trekvervorming, zullen er elektrische ladingen op de randen verschijnen. Als het piëzo-elektrische element in een variabele wordt geplaatst elektrisch veld, dan wordt het vervormd, spannend in omgeving ultrasone trillingen. Een oscillerende plaat gemaakt van piëzo-elektrisch materiaal is een elektromechanische transducer.
Piëzo-elementen op basis van bariumtitanium en loodzirkonaat-titanium (PZT) worden veel gebruikt.
Akoestische snelheidstransformatoren(concentratoren van longitudinale elastische trillingen) kunnen hebben andere vorm (Afb. 1.4-10).

Ze dienen om de parameters van de transducer af te stemmen op de belasting, om het oscillerende systeem te bevestigen en om ultrasone trillingen te introduceren in het gebied van het materiaal dat wordt verwerkt.
Deze apparaten zijn staven met verschillende secties, gemaakt van materialen met weerstand tegen corrosie en cavitatie, hittebestendigheid, weerstand tegen agressieve omgevingen en slijtage.
Concentratoren worden gekenmerkt door de trillingsconcentratiecoëfficiënt (Kkk):

De toename van de amplitude van trillingen van het uiteinde met een kleine doorsnede vergeleken met de amplitude van trillingen van het uiteinde van een grotere doorsnede wordt verklaard door het feit dat met hetzelfde oscillatievermogen in alle secties van de snelheidstransformator, de intensiteit van de trillingen van het kleine uiteinde is “K kk” maal groter.

Technologisch gebruik van ultrasoon testen

In de industrie wordt echografie op drie hoofdgebieden gebruikt: kracht op het materiaal, intensivering en ultrasone controle van processen.
Forceer impact Het materiaal wordt gebruikt voor de mechanische verwerking van harde en superharde legeringen, waardoor stabiele emulsies worden geproduceerd, enz.
De meest gebruikte zijn twee soorten ultrasone behandeling met karakteristieke frequenties van 16...30 kHz:
- dimensionale verwerking op machines met behulp van gereedschappen,
- reinigen in baden met een vloeibaar medium.
Het belangrijkste werkingsmechanisme van een ultrasone machine is een akoestische eenheid
( rijst. 1.4-11). Het is ontworpen om het werkgereedschap in een oscillerende beweging te brengen.

De akoestische eenheid krijgt stroom van een elektrische oscillatiegenerator (meestal een buis), waarop de wikkeling (2) is aangesloten.
Het belangrijkste element van de akoestische eenheid is een magnetostrictieve (of piëzo-elektrische) omzetter van de energie van elektrische trillingen in de energie van mechanisch-elastische trillingen - een vibrator (1).
De trillingen van de vibrator, die afwisselend langer en korter worden met ultrasone frequentie in de richting van het magnetische veld van de wikkeling, worden versterkt door een concentrator (4) die aan het uiteinde van de vibrator is bevestigd.
Een stalen gereedschap (5) is zo aan de naaf bevestigd dat er een opening ontstaat tussen het uiteinde ervan en het werkstuk (6).
De vibrator is geplaatst in een eboniet behuizing (3), waar stromend koelwater wordt aangevoerd.
Het gereedschap moet de vorm hebben van een bepaald gatgedeelte. Vanuit het mondstuk (7) wordt een vloeistof met kleine korreltjes schuurpoeder in de ruimte tussen het uiteinde van het gereedschap en het oppervlak van het werkstuk gebracht.
Vanaf het oscillerende uiteinde van het gereedschap verwerven de slijpkorrels een hoge snelheid, raken ze het oppervlak van het onderdeel en slaan er de kleinste spanen uit.
Hoewel de productiviteit van elke slag verwaarloosbaar is, is de productiviteit van de installatie relatief hoog, wat te danken is aan de hoge trillingsfrequentie van het gereedschap (16...30 kHz) en een groot aantal schuurkorrels (20... 100.000/cm3), gelijktijdig bewegend met hoge acceleratie.
Wanneer materiaallagen worden verwijderd, automatische voeding hulpmiddel.
De schuurvloeistof wordt onder druk in de bewerkingsruimte geleid en spoelt het bewerkingsafval weg.
Met behulp van ultrasone technologie kunt u bewerkingen uitvoeren zoals doorboren, beitelen, boren, snijden, slijpen en andere.
Een voorbeeld hiervan zijn commercieel geproduceerde ultrasone piercingmachines (modellen 4770,4773A) en universele machines (modellen 100A).
Ultrasoonbaden (Fig. 1.4-12) worden gebruikt om de oppervlakken van metalen onderdelen te reinigen van corrosieproducten, oxidefilms, minerale oliën, enz.

De werking van een ultrasoonbad is gebaseerd op het gebruik van de werking van lokale hydraulische schokken die optreden in een vloeistof onder invloed van ultrageluid.
Het werkingsprincipe van een dergelijk bad is als volgt. Het werkstuk (1) wordt ondergedompeld (hangend) in een tank (4) gevuld met vloeibaar wasmedium (2).
De zender van ultrasone trillingen is een diafragma (5), verbonden met een magnetostrictieve vibrator (b) met behulp van een kleefmiddelsamenstelling (8).
Het bad wordt op een standaard (7) geïnstalleerd. Golven van ultrasone trillingen (3) planten zich voort werkgebied waar de verwerking plaatsvindt.
Ultrasoon reinigen is het meest effectief bij het verwijderen van verontreinigingen uit moeilijk bereikbare holtes, uitsparingen en kanalen kleine maten.
Bovendien maakt deze methode het mogelijk om stabiele emulsies van dergelijke niet-mengbare emulsies te verkrijgen op de gebruikelijke manieren vloeistoffen zoals water en olie, kwik en water, benzeen, water en andere.
Ultrasone apparatuur is relatief duur, dus het is economisch haalbaar om ultrasone reiniging van kleine onderdelen alleen in massaproductieomstandigheden toe te passen.
Intensivering van technologische processen.
Ultrasone trillingen veranderen het verloop van sommige chemische processen aanzienlijk.
Zo treedt polymerisatie intenser op bij een bepaalde geluidsintensiteit. Wanneer de geluidsintensiteit afneemt, is het omgekeerde proces mogelijk: depolymerisatie.
Daarom wordt deze eigenschap gebruikt om de polymerisatiereactie te controleren. Door de frequentie en intensiteit van ultrasone trillingen te veranderen, kan de vereiste reactiesnelheid worden bereikt.
In de metallurgie leidt de introductie van elastische trillingen met ultrasone frequentie in smeltingen tot een aanzienlijke verfijning van kristallen en versnelling van de vorming van opeenhopingen tijdens kristallisatie, een afname van de porositeit en een toename van mechanische eigenschappen gestolde smelten en het verminderen van het gasgehalte in metalen.
Een aantal metalen (bijvoorbeeld lood en aluminium) mengen zich niet in vloeibare vorm. De toepassing van ultrasone trillingen op de smelt bevordert het ‘oplossen’ van het ene metaal in het andere. Ultrasone procescontrole.
Met behulp van ultrasone trillingen is het mogelijk om de voortgang van het technologische proces continu te volgen zonder laboratoriumanalyse van monsters.
Voor dit doel wordt de afhankelijkheid van de parameters van de geluidsgolf ingeschakeld fysieke eigenschappen omgeving, en vervolgens door veranderingen in deze parameters na inwerking op de omgeving, wordt de toestand ervan met voldoende nauwkeurigheid beoordeeld. In de regel worden ultrasone trillingen met een lage intensiteit gebruikt.
Door de energie van de geluidsgolf te veranderen, kun je de samenstelling van verschillende mengsels regelen die dat niet zijn chemische verbindingen. De geluidssnelheid in dergelijke media verandert niet, en de aanwezigheid van onzuiverheden in zwevende deeltjes beïnvloedt de absorptiecoëfficiënt van geluidsenergie. Dit maakt het mogelijk om het percentage onzuiverheden in de oorspronkelijke stof te bepalen.
Door de reflectie van geluidsgolven op het grensvlak tussen media (“transmissie” met een ultrasone straal) is het mogelijk om de aanwezigheid van onzuiverheden in de monoliet te bepalen en ultrasone diagnostische apparaten te creëren.

De samenstelling van elk ultrasoon apparaat technologische installatie, inclusief multifunctionele apparaten die een energiebron (generator) en een ultrasoon oscillerend systeem bevatten.

Een ultrasoon oscillerend systeem voor technologische doeleinden bestaat uit een transducer, een aanpassingselement en een werkinstrument (emitter).

In de transducer (actief element) van het oscillerende systeem wordt de energie van elektrische trillingen omgezet in de energie van elastische trillingen met ultrasone frequentie en wordt een wisselende mechanische kracht gecreëerd.

Het bijpassende element van het systeem (passieve concentrator) voert de transformatie van snelheden uit en zorgt voor coördinatie van de externe belasting en het interne actieve element.

Het werkinstrument creëert een ultrasoon veld in het object dat wordt verwerkt of beïnvloedt dit rechtstreeks.

Het belangrijkste kenmerk Echografie van oscillerende systemen is de resonantiefrequentie. Dit komt door het feit dat de efficiëntie van technologische processen wordt bepaald door de amplitude van oscillaties (de waarden van oscillerende verplaatsingen), en de maximale amplitudewaarden worden bereikt wanneer het ultrasone oscillerende systeem wordt opgewonden op de resonantiefrequentie. De waarden van de resonantiefrequentie van ultrasone oscillerende systemen moeten binnen de toegestane bereiken liggen (voor multifunctionele ultrasone apparaten is dit een frequentie van 22 ± 1,65 kHz).

De verhouding tussen de energie die wordt geaccumuleerd in een ultrasoon oscillerend systeem en de energie die wordt gebruikt voor technologische impact voor elke oscillatieperiode wordt de kwaliteitsfactor van het oscillerende systeem genoemd. De kwaliteitsfactor bepaalt de maximale amplitude van oscillaties bij de resonantiefrequentie en de aard van de afhankelijkheid van de amplitude van oscillaties van de frequentie (dat wil zeggen de breedte van het frequentiebereik).

Verschijning Een typisch ultrasoon oscillerend systeem wordt getoond in figuur 2. Het bestaat uit een transducer - 1, een transformator (concentrator) - 2, een werkinstrument - 3, een steun - 4 en een behuizing - 5.

Figuur 2 - Oscillerend systeem met twee halve golven en verdeling van trillingsamplitudes A en effectieve mechanische spanningen F

De verdeling van de trillingsamplitude A en krachten (mechanische spanningen) F in het oscillerende systeem heeft de vorm staande golven(op voorwaarde dat verliezen en straling worden verwaarloosd).

Zoals uit figuur 2 blijkt, zijn er vlakken waarin verplaatsingen en mechanische spanningen altijd nul zijn. Deze vlakken worden knooppuntvlakken genoemd. De vlakken waarin verplaatsingen en spanningen minimaal zijn, worden antinodes genoemd. De maximale waarden van verplaatsingen (amplitudes) komen altijd overeen met de minimale waarden van mechanische spanningen en omgekeerd. De afstanden tussen twee aangrenzende knoopvlakken of antinodes zijn altijd gelijk aan de halve golflengte.

Een oscillerend systeem heeft altijd verbindingen die zorgen voor een akoestische en mechanische verbinding van de elementen. De verbindingen kunnen permanent zijn, maar als het nodig is om het werkgereedschap te vervangen, worden de verbindingen met schroefdraad gemaakt.

Het ultrasone oscillatiesysteem wordt, samen met de behuizing, voedingsapparaten en ventilatiegaten, meestal gemaakt in de vorm van een afzonderlijke eenheid. In de toekomst zullen we, met behulp van de term ultrasoon oscillerend systeem, over de hele eenheid als geheel praten.

Het oscillatiesysteem dat voor technologische doeleinden in multifunctionele ultrasone apparaten wordt gebruikt, moet aan een aantal algemene eisen voldoen.

1) Werken in een bepaald frequentiebereik;

2) Werk met alle mogelijke belastingsveranderingen tijdens het technologische proces;

3) Geef de vereiste stralingsintensiteit of trillingsamplitude op;

4) Zorg voor de hoogst mogelijke coëfficiënt nuttige actie;

5) Delen van het ultrasone trillingssysteem die in contact komen met de verwerkte stoffen moeten cavitatie- en chemische weerstand hebben;

6) Zorg voor een stijve montage in de carrosserie;

7) Moet minimale afmetingen en gewicht hebben;

8) Er moet aan de veiligheidseisen worden voldaan.

Het in figuur 2 getoonde ultrasone trilsysteem is een trilsysteem met twee halve golven. Daarin heeft de transducer een resonantiegrootte die gelijk is aan de helft van de golflengte van ultrasone trillingen in het transducermateriaal. Om de amplitude van de oscillaties te vergroten en de transducer af te stemmen op het medium dat wordt verwerkt, wordt een concentrator gebruikt met een resonantiegrootte die overeenkomt met de helft van de golflengte van ultrasone oscillaties in het concentratormateriaal.

Als het in figuur 2 getoonde oscillerende systeem van staal is (de voortplantingssnelheid van ultrasone trillingen in staal is meer dan 5000 m/s), dan komt de totale longitudinale afmeting ervan overeen met L = C2p/w ~ 23 cm.

Om aan de eisen van hoge compactheid en laag gewicht te voldoen, worden halfgolf-oscillerende systemen gebruikt, bestaande uit een kwartgolfomzetter en een concentrator. Een dergelijk oscillerend systeem is schematisch weergegeven in figuur 3. De aanduidingen van de elementen van het oscillerende systeem komen overeen met de aanduidingen in figuur 3.

Figuur 3 - Oscillerend systeem met twee kwart golven

In dit geval is het mogelijk om de minimaal mogelijke longitudinale grootte en massa van het ultrasone oscillerende systeem te garanderen, en om het aantal mechanische verbindingen te verminderen.

Het nadeel van een dergelijk oscillerend systeem is de verbinding van de omzetter met de concentrator in het vlak van de grootste mechanische spanning. Dit nadeel kan echter gedeeltelijk worden geëlimineerd door het actieve element van de omzetter te verplaatsen vanaf het punt van maximale effectieve spanning.

Toepassing van ultrasone apparaten

Krachtige echografie is een uniek milieuvriendelijk middel om lichamelijk te stimuleren chemische processen. Ultrasone trillingen met een frequentie van 20.000 - 60.000 Hertz en een intensiteit van ruim 0,1 W/sq.cm. kan onomkeerbare veranderingen in de distributieomgeving veroorzaken. Dit bepaalt vooraf de mogelijkheden praktisch gebruik krachtige echografie in de volgende gebieden.

Technologische processen: verwerking van minerale grondstoffen, verrijking en processen van hydrometallurgie van metaalertsen, enz.

Olie- en gasindustrie: winning van oliebronnen, winning van stroperige olie, scheidingsprocessen in het zandzware oliesysteem, verhoging van de vloeibaarheid van zware olieproducten, enz.

Metallurgie en machinebouw: raffinage van metaalsmelten, slijpen van staaf/gietstructuur, verwerking metalen oppervlak om het te versterken en interne spanningen te verlichten, externe oppervlakken en interne holtes van machineonderdelen te reinigen, enz.

Chemische en biochemische technologieën: processen van extractie, sorptie, filtratie, drogen, emulgeren, verkrijgen van suspensies, mengen, dispergeren, oplossen, flotatie, ontgassen, verdampen, coagulatie, coalescentie, polymerisatie- en depolymerisatieprocessen, verkrijgen van nanomaterialen, enz.

Energie: verbranding van vloeistof en vaste brandstof, bereiding van brandstofemulsies, productie van biobrandstoffen, enz.

Landbouw, voedings- en lichte industrie: processen van zaadkieming en plantengroei, bereiding van levensmiddelenadditieven, zoetwarentechnologie, bereiding van alcoholische en niet-alcoholische dranken, enz.

Nutsvoorzieningen: recuperatie van waterputten, bereiding van drinkwater, verwijdering van afzettingen van de binnenwanden van warmtewisselaars, enz.

Milieubescherming: reinigen afvalwater verontreinigd met aardolieproducten, zware metalen, persistent organische verbindingen, reinigen van verontreinigde gronden, reinigen van industriële gasstromen, etc.

Verwerking van secundaire grondstoffen: devulkanisatie van rubber, reiniging van metallurgische aanslag van olieverontreinigingen, enz.

Deze verwerkingsmethode is gebaseerd op mechanische actie op het materiaal. Het wordt ultrasoon genoemd omdat de frequentie van de schokken overeenkomt met het bereik van onhoorbare geluiden (f = 6-10 5 kHz).

Geluidsgolven zijn mechanisch-elastische trillingen die zich alleen in een elastisch medium kunnen voortplanten.

Wanneer een geluidsgolf zich voortplant in een elastisch medium, voeren materiaaldeeltjes elastische oscillaties rond hun posities uit met een snelheid die oscillerend wordt genoemd.

De condensatie en verdunning van het medium in een longitudinale golf wordt gekenmerkt door overmatige, zogenaamde geluidsdruk.

De voortplantingssnelheid van een geluidsgolf hangt af van de dichtheid van het medium waarin hij beweegt. Wanneer een geluidsgolf zich in een materiële omgeving voortplant, draagt ​​hij energie mee die kan worden gebruikt in technologische processen.

Voordelen van ultrasone behandeling:

Mogelijkheid om akoestische energie te verkrijgen met behulp van verschillende technische technieken;

Breed scala aan ultrasone toepassingen (van dimensionale verwerking tot lassen, solderen, enz.);

Gemak van automatisering en bediening;

Gebreken:

Hogere kosten van akoestische energie vergeleken met andere soorten energie;

De noodzaak om ultrasone trillingsgeneratoren te vervaardigen;

De noodzaak om speciaal gereedschap met speciale eigenschappen en vorm te vervaardigen.

Ultrasone trillingen gaan gepaard met een aantal effecten die als basis kunnen worden gebruikt voor de ontwikkeling van verschillende processen:

Cavitatie, d.w.z. de vorming van bellen in een vloeistof en het uiteenspatten ervan.

In dit geval ontstaan ​​grote lokale momentane drukken, die 10 8 N/m2 bereiken;

Absorptie van ultrasone trillingen door een stof waarbij een deel van de energie wordt omgezet in warmte en een deel wordt besteed aan het veranderen van de structuur van de stof.

Deze effecten worden gebruikt voor:

Scheiding van moleculen en deeltjes met verschillende massa's in heterogene suspensies;

Coagulatie (vergroting) van deeltjes;

Het verspreiden (vermalen) van een stof en het vermengen met andere stoffen;

Ontgassen van vloeistoffen of smelten door de vorming van grote drijvende bellen.

1.1. Elementen van ultrasone installaties

Elke ultrasone installatie (USU) omvat drie hoofdelementen:

Bron van ultrasone trillingen;

Akoestische snelheidstransformator (hub);

Bevestigingsdetails.

Bronnen van ultrasone trillingen (UV) kunnen van twee soorten zijn: mechanisch en elektrisch.

Mechanisch zet mechanische energie om, bijvoorbeeld de bewegingssnelheid van een vloeistof of gas. Deze omvatten ultrasone sirenes of fluitjes.

Elektrische bronnen voor ultrasoon testen zetten elektrische energie om in mechanisch-elastische trillingen met de overeenkomstige frequentie. Transducers zijn elektrodynamisch, magnetostrictief en piëzo-elektrisch.

De meest gebruikte zijn magnetostrictieve en piëzo-elektrische transducers.

Het werkingsprincipe van magnetostrictieve transducers is gebaseerd op het longitudinale magnetostrictieve effect, dat zich manifesteert in een verandering in de lengte van een metalen lichaam gemaakt van ferromagnetische materialen (zonder hun volume te veranderen) onder invloed van een magnetisch veld.

Het magnetostrictieve effect van diverse materialen verschillend. Nikkel en permendur (een legering van ijzer en kobalt) hebben een hoge magnetostrictie.

Het magnetostrictieve transducerpakket is een kern van dunne platen waarop een wikkeling is geplaatst om daarin een wisselend hoogfrequent elektromagnetisch veld op te wekken.

Het werkingsprincipe van piëzo-elektrische transducers is gebaseerd op het vermogen van sommige stoffen om hun geometrische afmetingen (dikte en volume) in een elektrisch veld te veranderen. Het piëzo-elektrische effect is omkeerbaar. Als een plaat van piëzomateriaal wordt onderworpen aan druk- of trekvervorming, zullen er elektrische ladingen op de randen verschijnen. Als een piëzo-elektrisch element in een wisselend elektrisch veld wordt geplaatst, zal het vervormen, waardoor ultrasone trillingen in de omgeving worden opgewekt. Een oscillerende plaat gemaakt van piëzo-elektrisch materiaal is een elektromechanische transducer.

Piëzo-elementen op basis van bariumtitanium en loodzirkonaat-titanium worden veel gebruikt.

Akoestische snelheidstransformatoren (concentrators van longitudinale elastische trillingen) kunnen verschillende vormen hebben (Fig. 1.1).

Rijst. 1.1. Naafvormen

Ze dienen om de parameters van de transducer af te stemmen op de belasting, om het oscillerende systeem te bevestigen en om ultrasone trillingen te introduceren in het gebied van het materiaal dat wordt verwerkt. Deze apparaten zijn staven met verschillende secties, gemaakt van materialen met weerstand tegen corrosie en cavitatie, hittebestendigheid en weerstand tegen agressieve omgevingen.

1.2. Technologisch gebruik van ultrasone trillingen

In de industrie wordt echografie op drie hoofdgebieden gebruikt: kracht op het materiaal, intensivering en ultrasone controle van processen.

Forceer het materiaal

Het wordt gebruikt voor de mechanische verwerking van harde en superharde legeringen, voor de productie van stabiele emulsies, enz.

De meest gebruikte zijn twee soorten ultrasone behandelingen met karakteristieke frequenties van 16–30 kHz:

Dimensionale bewerking op machines met behulp van gereedschappen;

Reiniging in baden met vloeibare media.

Het belangrijkste werkingsmechanisme van een ultrasone machine is de akoestische eenheid (Fig. 1.2). Het is ontworpen om het werkgereedschap in een oscillerende beweging te brengen. De akoestische eenheid krijgt stroom van een elektrische oscillatiegenerator (meestal een buis), waarop wikkeling 2 is aangesloten.

Het belangrijkste element van de akoestische eenheid is een magnetostrictieve (of piëzo-elektrische) omzetter van de energie van elektrische trillingen in de energie van mechanisch-elastische trillingen - vibrator 1.

Rijst. 1.2. Akoestische eenheid van ultrasone installatie

De trillingen van de vibrator, die afwisselend langer en korter worden met ultrasone frequentie in de richting van het magnetische veld van de wikkeling, worden versterkt door een concentrator 4 die aan het uiteinde van de vibrator is bevestigd.

Een stalen gereedschap 5 is zo aan de naaf bevestigd dat er een opening is tussen het uiteinde en het werkstuk 6.

De vibrator is geplaatst in een eboniet behuizing 3, waarin stromend koelwater wordt toegevoerd.

Het gereedschap moet de vorm hebben van een bepaald gatgedeelte. Vanuit mondstuk 7 wordt een vloeistof met kleine korreltjes schuurpoeder in de ruimte tussen het uiteinde van het gereedschap en het werkstukoppervlak gebracht.

Vanaf het oscillerende uiteinde van het gereedschap verwerven de slijpkorrels een hoge snelheid, raken ze het oppervlak van het onderdeel en slaan er de kleinste spanen uit.

Hoewel de productiviteit van elke slag verwaarloosbaar is, is de productiviteit van de installatie relatief hoog, wat te danken is aan de hoge trillingsfrequentie van het gereedschap (16–30 kHz) en het grote aantal schuurkorrels dat gelijktijdig met hoge versnelling beweegt.

Terwijl lagen materiaal worden verwijderd, wordt het gereedschap automatisch aangevoerd.

De schuurvloeistof wordt onder druk aan de verwerkingszone toegevoerd en spoelt het verwerkingsafval weg.

Met behulp van ultrasone technologie kunt u bewerkingen uitvoeren zoals doorboren, beitelen, boren, snijden, slijpen en andere.

Ultrasoonbaden (Fig. 1.3) worden gebruikt om de oppervlakken van metalen onderdelen te reinigen van corrosieproducten, oxidefilms, minerale oliën, enz.

De werking van een ultrasoonbad is gebaseerd op het gebruik van de werking van lokale hydraulische schokken die optreden in een vloeistof onder invloed van ultrageluid.

Het werkingsprincipe van een dergelijk bad is als volgt: het werkstuk (1) wordt ondergedompeld in een tank (4) gevuld met vloeibaar wasmedium (2). De zender van ultrasone trillingen is een diafragma (5), verbonden met een magnetostrictieve vibrator (6) met behulp van een kleefmiddelsamenstelling (8). Het bad wordt op een standaard (7) geïnstalleerd. Golven van ultrasone trillingen (3) planten zich voort in het werkgebied waar de verwerking plaatsvindt.

Rijst. 1.3. Ultrasoon bad

Ultrasoon reinigen is het meest effectief bij het verwijderen van verontreinigingen uit moeilijk bereikbare holtes, uitsparingen en kleine kanalen. Bovendien maakt deze methode het mogelijk om stabiele emulsies van vloeistoffen te verkrijgen die niet mengen met conventionele methoden, zoals water en olie, kwik en water, benzeen en andere.

Ultrasone apparatuur is relatief duur, dus het is economisch haalbaar om ultrasone reiniging van kleine onderdelen alleen in massaproductieomstandigheden toe te passen.

Intensivering van technologische processen

Ultrasone trillingen veranderen het verloop van sommige chemische processen aanzienlijk. Zo is de polymerisatie bij een bepaalde geluidsintensiteit intenser. Wanneer de geluidsintensiteit afneemt, is het omgekeerde proces mogelijk: depolymerisatie. Daarom wordt deze eigenschap gebruikt om de polymerisatiereactie te controleren. Door de frequentie en intensiteit van ultrasone trillingen te veranderen, kan de vereiste reactiesnelheid worden bereikt.

In de metallurgie leidt de introductie van elastische trillingen met ultrasone frequentie in smeltingen tot een aanzienlijke verfijning van kristallen en versnelling van de vorming van opbouw tijdens kristallisatie, een afname van de porositeit, een toename van de mechanische eigenschappen van gestolde smeltingen en een afname van de gasgehalte in metalen.

Ultrasone procescontrole

Met behulp van ultrasone trillingen is het mogelijk om de voortgang van het technologische proces continu te volgen zonder laboratoriumanalyse van monsters. Voor dit doel wordt aanvankelijk de afhankelijkheid van de parameters van de geluidsgolf van de fysieke eigenschappen van het medium vastgesteld, en vervolgens, op basis van de verandering in deze parameters na de actie op het medium, wordt de toestand ervan met voldoende nauwkeurigheid beoordeeld. In de regel worden ultrasone trillingen met een lage intensiteit gebruikt.

Door de energie van de geluidsgolf te veranderen, kun je de samenstelling regelen van verschillende mengsels die geen chemische verbindingen zijn. De geluidssnelheid in dergelijke media verandert niet, en de aanwezigheid van onzuiverheden in zwevende deeltjes beïnvloedt de absorptiecoëfficiënt van geluidsenergie. Dit maakt het mogelijk om het percentage onzuiverheden in de oorspronkelijke stof te bepalen.

Door de reflectie van geluidsgolven op het grensvlak tussen media (“transmissie” met een ultrasone straal) is het mogelijk om de aanwezigheid van onzuiverheden in de monoliet te bepalen en ultrasone diagnostische apparaten te creëren.

Conclusies: echografie – elastische golven met een oscillatiefrequentie van 20 kHz tot 1 GHz, onhoorbaar voor het menselijk oor. Ultrasone installaties worden veel gebruikt voor het verwerken van materialen vanwege hoogfrequente akoestische trillingen.