Акустический трансформатор

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к акустическим волноводным трансформаторам, выполненным в виде круглых в поперечном сечении стержней, оболочек кольцеобразного поперечного сечения и пластин квадратного или прямоугольного поперечного сечения. Техническим результатом изобретения является уменьшение предрасположенности акустического трансформатора к изгибным колебаниям при одновременном повышении устойчивости к механическому разрушению. В акустическом трансформаторе плоскоупругих колебаний (плоской волны) границами профиля являются симметричные относительно продольной оси кривые, описывающиеся уравнениями линий потока в поле волнового вектора внутри профиля ступенчатого акустического трансформатора. При этом проекции этих границ на ось симметрии профиля во всех точках совпадают с проекциями туда же границ профиля ступенчатого трансформатора, уравнениями линий потока, в поле волнового вектора которого они описываются. Таким образом, длина трансформатора равна длине ступенчатого трансформатора, то есть минимальна. 5 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к акустическим волноводным трансформаторам, выполненным в виде круглых в поперечнике стержней, оболочек с кольцеобразным поперечным сечением и пластин квадратным или прямоугольным поперечным сечением. Акустические трансформаторы используются для переноса энергии упругих колебаний и изменения плотности потока переносимой энергии за счет изменяющейся в направлении распространения колебаний площади сечения.

Заявленный акустический трансформатор может быть использован в качестве волновода, передающего колебания с повышением или понижением амплитуды (в зависимости от направления распространения в нем колебаний) от электроакустического преобразователя к нагрузке в технологических или к исследуемому объекту в метрологических ультразвуковых устройствах.

Пространственные тела акустических трансформаторов у круглых в поперечном сечении стержней и кольцеобразных оболочек образованы вращением продольного осевого сечения, называемого профилем, вокруг оси симметрии или плоскопараллельным перемещением его по нормали к плоскости продольного сечения у пластин.

Известны акустические трансформаторы, границы профиля которых описываются элементарными функциями координаты на оси симметрии, например [RU 2068741, 1996 и Ультразвуковые концентраторы Фурье-типа из титановых сплавов // Асташкин и др. - в кн.: Создание и применение аппаратуры для ультразвуковых технологических процессов в машиностроении, часть I / Под ред. А.И.Маркова. - М.: Знание, 1978, с.45-50]. Известен также тип акустических трансформаторов, у которых математические функции, описывающие границы профилей, являются кусочно-гладкими функциями координаты на оси симметрии с точками разрыва I рода. Фрагменты этих функций, не содержащие точек разрыва, являются аналитическими функциями. Примерами таких трансформаторов являются [RU 2056926, 1996 и RU 1797221, 1996].

Достижению указанного ниже технического результата при использовании и тех и других акустических трансформаторов препятствует то, что при низких значениях коэффициента трансформации они имеют большую длину и поэтому при работе подвержены изгибным колебаниям и рассеивают на них часть передаваемой энергии, особенно если работают в конденсированных средах [1].

Меньшей длиной обладают акустические трансформаторы с гладкими функциями профиля, резко изменяющими абсолютное значение на сравнительно коротком отрезке аргумента. Например, известен акустический трансформатор, функция профиля которого представляет собой аналитическую на всем диапазоне длины, непрерывно дифференцируемую функцию, составленную из последовательно конгруэнтно сопряженных прямой, двух дуг окружностей равных радиусов - фаски и галтели - и другой прямой [Заявка на полезную модель №97114204/20 (015387), 1997].

Все же этот акустический трансформатор имеет длину большую, чем так называемый ступенчатый трансформатор, составленный из двух цилиндров разных диаметров, например [Холопов Ю.В. Ультразвуковая сварка пластмасс и металлов. - Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1988], который обладает наименьшей из всех трансформаторов длиной, но при этом более других подвержен риску механического разрушения при работе, так как зона действия наибольших деформаций в нем приходится на координату, где расположен концентратор напряжений - ступенчатый переход с одного диаметра на другой. Это обстоятельство не позволяет использовать его для получения сформулированного ниже технического результата изобретения.

Наиболее близким к заявленному по отношению к достижению этого технического результата является акустический трансформатор, границами профиля которого являются симметричные относительно оси сечения отрезки кривых, идентичные линиям потока в поле волнового вектора внутри сечения описанного выше ступенчатого акустического трансформатора [RU 2183141, 2002]. Вид функции, описывающей границу профиля такого акустического трансформатора, задается путем произвольного выбора двух независимых переменных в уравнении, описывающем эту кривую, а также соотношением большего и меньшего поперечных размеров профиля базового ступенчатого трансформатора. При этом обязательным условием является расположение узла колебательных смещений, вблизи которого осуществляется механическое закрепление трансформатора в широкой части его профиля.

Хотя такой акустический трансформатор, как показано в [1], по длине и приближается более других к ступенчатому трансформатору, но все же длиннее его. Это препятствует достижению технического результата изобретения.

Технический результат изобретения состоит в уменьшении предрасположенности акустического трансформатора к изгибным колебаниям, ведущей к рассеиванию на них части передаваемой энергии, при одновременном повышении относительно этого трансформатора устойчивости к механическому разрушению.

Сущность изобретения заключается в том, что первое достигается путем уменьшения длины заявленного трансформатора до длины трансформатора, составленного из двух цилиндров разных диаметров, а второе - путем устранения концентратора механических напряжений за счет его сглаживания гладкой кривой.

Указанный технический результат при реализации изобретения конкретно достигается тем, что в известном акустическом трансформаторе, границами профиля которого являются симметричные относительно продольной оси кривые, описывающиеся уравнениями линий потока в поле волнового вектора внутри профиля ступенчатого акустического трансформатора, отличие состоит в том, что проекции этих границ на ось симметрии профиля во всех точках совпадают с проекциями туда же границ профиля ступенчатого трансформатора, уравнениями линий потока в поле волнового вектора которого они описываются.

В прототипе длина трансформатора определяется путем произвольного выбора начала координат и нахождения из дифференциального уравнения колебаний координат x на оси профиля трансформатора, для которых абсолютные значения колебательного смещения при его работе ξ и -ξ принимают максимальные значения. Уравнение продольно-упругих колебаний имеет вид:

где S - площадь сечения трансформатора, соответствующая координате х;

k - волновой вектор.

Границы профиля заявленного акустического трансформатора выбираются из симметричных относительно оси линий потока в поле волнового вектора внутри профиля ступенчатого акустического трансформатора. При этом проекции границ их профилей, обозначенные на фиг.1 отрезками а₁, b₁ и а₂, b₂ соответственно на ось х равны между собой и отрезку оси а, b, а также совпадают с ним во всех точках. То есть при любых условиях резонанса длина фактически задается равной длине ступенчатого трансформатора. Длина же прототипа, в качестве границ профиля которого взята линия потока, идентичная a₂, b₂, но узел с, d смещен в широкую часть профиля (с', d'), вычисленная путем решения (1), оказывается больше на величину отрезка е, f. Из фиг.1 видно, что проекция отрезка a₂, b₂ на ось х при этом не совпадает во всех точках с проекцией границы профиля прототипа на ось х.

Таким образом, сравнение заявленного акустического трансформатора с прототипом, являющимся наиболее близким аналогом из технических решений, характеризующих известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, показывает, что заявленный акустический трансформатор обладает существенным по отношению к указанному техническому результату отличительным признаком.

При исследовании отличительных признаков описываемого акустического трансформатора заявителем не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся обеспечения совпадения во всех точках проекции границ профиля его продольного сечения на ось симметрии этого сечения с проекцией туда же границ профиля сечения базового ступенчатого трансформатора.

На Фиг.1 вверху показан профиль ступенчатого акустического трансформатора с совокупностью линий потока в поле волнового вектора, каждая симметричная пара которых может рассматриваться как границы профиля заявленного акустического трансформатора, внизу - профиль прототипа.

На фиг.2 на 10-миллиметровой сетке показан профиль для проектирования заявленного акустического трансформатора из материала со скоростью распространения звука 4500 м/с, работающего с источником ультразвуковых колебаний частотой 20 кГц и имеющим присоединительный диаметр 25 мм. Кривыми 1 и 2 в условном масштабе по оси ординат показаны графики деформаций и смещений соответственно, действующих при работе трансформатора.

На фиг.3 - то же для источника ультразвуковых колебаний, имеющего присоединительный диаметр 50 мм.

На фиг.4 - то же для источника ультразвуковых колебаний, имеющего присоединительный диаметр 75 мм.

На фиг.5 в аксонометрии схематично показаны примеры акустических трансформаторов в виде тела вращения (оболочки 1) и тела, образованного плоскопараллельным перемещением (пластины 2).

В подтверждение возможности осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата ниже приводится описание конкретного примера реализации заявленного трансформатора в соответствии с его признаками.

Пусть акустический трансформатор предназначается для передачи с понижением амплитуды ультразвуковых колебаний частотой 20 кГц от источника колебаний, например, ультразвукового процессора UIP-500 (Hielscher Ultraschall Technologie, Германия) в конденсированную среду - воду или водный раствор. Трансформатор в виде стержня переменного сечения, образованного вращением вокруг своей оси профиля, который, например, изображен на фиг.2, изготавливается из металла, скорость распространения звука в котором составляет 4500 м/с. Резонансная длина трансформатора в соответствие с отличительным признаком изобретения при этом должна быть равна длине ступенчатого трансформатора, из совокупности линий потока волнового вектора в котором выбраны границы его профиля 4500:20:2=112,5 мм. Коэффициент трансформации ступенчатого трансформатора выбран, например, 2,5. Поэтому соответствие координат х и у верхней границы профиля в комплексной плоскости z вычислено из уравнения, описывающего конформное отображение на этот профиль равноширокой полосы в комплексной плоскости ζ [2]:

где ζ[-∞+0,05j, +∞+0,05j] - комплексное число, соответствующее координате границы профиля в его конформном инварианте в виде полосы шириной 0,95 от исходной. При этом в соответствии с выбранными конкретными условиями искомые координаты в мм вычисляются как:

где z₀=z при ζ=0,05j. Значения х и диаметра ⊘=2y, вычисленные по (2) и (3) с дискретностью 2 мм для участка, где значение диаметра изменяется более чем на 0,1 мм, показаны в таблице.

Координата на оси х, мм	42	44	46	48	50	52	54	56	58	60
⊘ трансформатора, мм	39,4	39,2	39,0	38,8	38,3	37,3	34,6	26,2	25,3	25,1

На участке, где х<42 мм, ⊘=39,3 мм, а где х>60 мм, ⊘=25,0 мм. С помощью (2) и (3) в виде векторов рассчитываются массивы размеров, необходимые, например, для составления программы для станка с числовым программным управлением, на котором и может быть изготовлен трансформатор.

Аналогично могут быть рассчитаны размеры для акустических трансформаторов в виде тел вращения профиля вокруг продольной оси (оболочек 1) и тел, образованных плоскопараллельным перемещением профиля (пластин 2), изображенных на фиг.5.

Акустический трансформатор работает следующим образом.

Плоская акустическая волна распространяется в нем через поверхность торца меньшего диаметра. Поскольку длина трансформатора так же, как и длина базового ступенчатого трансформатора, равна половине длины волны ультразвука, то в нем устанавливается стоячая акустическая плоскоупругая полуволна. При погружении трансформатора в конденсированную среду, когда появляются условия для передачи энергии колебаний, в трансформаторе и среде, в которую он погружен, возникает бегущая волна, переносящая энергию колебаний от их источника в среду, где она, например, совершает определенную работу.

Так как длина трансформатора равна длине ступенчатого трансформатора, то она минимальна. Поэтому изгибные колебания в трансформаторе, если и возникают, то также имеют минимальную амплитуду. Значит, часть потерь энергии на рассеяние через его боковую поверхность посредством изгибных колебаний также минимальна.

Зона действия максимального значения деформации и пропорционального ему значения механического напряжения располагается вблизи участка боковой поверхности, где отсутствует сосредоточенный концентратор механических напряжений, аналогичный имеющему место при резком изменении диаметра у ступенчатого трансформатора. Это обеспечивает устойчивость заявленного акустического трансформатора к механическому разрушению под воздействием циклических нагрузок.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке или известных средств и методов, а также о способности достижения указанного выше технического результата при реализации признаков изобретения.

Источники информации

1. Шестаков С.Д. Комплексная критериальная оценка качества трансформации плоской упругой волны в твердотельных резонансных сонотродах // Сборник трудов XIII сессии Российского Акустического Общества, М.: ГЕОС, Том 1, 2003, с.31-35.

2. Лаврик В.И., Савенков В.Н. Справочник по конформным отображениям. - Киев: Наукова думка, 1970.

Акустический трансформатор плоскоупругих колебаний (плоской волны), границами профиля которого являются симметричные относительно продольной оси кривые, описывающиеся уравнениями линий потока в поле волнового вектора внутри профиля ступенчатого акустического трансформатора, отличающийся тем, что проекции этих границ на ось симметрии профиля во всех точках совпадают с проекциями туда же границ профиля ступенчатого трансформатора, уравнениями линий потока, в поле волнового вектора которого они описываются.