Устройство для передачи ультразвука

Изобретение относится к области ультразвуковой техники и может быть использовано в различных ультразвуковых устройствах в металлургической, атомной и радиоэлектронной промышленности. Техническим результатом изобретения является уменьшение потерь при передаче ультразвуковой энергии в широком диапазоне температур и повышение химической и термической стойкости. Устройство для передачи ультразвука включает магнитострикционный преобразователь и концентратор ультразвуковых колебаний. При этом концентратор выполнен из керамики на основе оксида бериллия, торец большего диаметра концентратора соединен с торцом преобразователя посредством двухслойной пленки, первый слой которой выполнен из металлизационной пасты на основе молибдена, а второй слой - из никеля соответственно. 1 ил.

 

Изобретение относится к области ультразвуковой техники и может быть использовано в различных ультразвуковых устройствах в металлургической, атомной и радиоэлектронной промышленности.

Известен ультразвуковой концентратор, предназначенный для ввода акустической мощности в жидкую среду (патент РФ №2243827, МПК В06В 3/00, 2005 год). Известный концентратор выполнен в виде сосуда, сужающегося в направлении распространения акустической волны в передающей среде. В качестве передающей среды (рабочего материала) использована жидкость, например, эмульсия летицина в подсолнечном масле. Выходной наконечник концентратора выполнен из кавитационно стойкого metglas 2605 (аморфный Fe₈₀B₂₀). Устройство, содержащее концентратор с жидкостью в качестве рабочего материала, характеризуется следующими параметрами: частота 22 кГц, ультразвуковая мощность 200 Вт, коэффициент усиления равен 70.

Недостатком известного концентратора является невозможность передачи жидкостями мощного ультразвукового сигнала из-за высоких внутренних потерь звука (так как жидкости обладают слабыми упругими свойствами), а также большие потери ультразвуковой мощности на границе жидкого рабочего вещества концентратора и выходного наконечника. Кроме того, концентратор не может быть использован при высоких и низких температурах и должен быть ориентирован только определенным образом в гравитационном поле земли, что создает трудности при его использовании.

Известен ультразвуковой концентратор, в котором в качестве рабочего материала использован металл, например сталь или титан (Розенберг Л.Д., Казанцев В.Ф., Макаров Л.О., Яхимович Д.Ф. Ультразвуковое резание. М.: Изд-во АН СССР, 1962, с.158). Концентраторы изготовлены из обычных конструкционных сталей (60С2, 65Г, 40Х), в случае маломощных станков в качестве рабочего материала концентратора используют титан.

Недостатками концентратора, в котором в качестве рабочего материала используют сталь или титан, являются многоступенчатая его конструкция и сравнительно невысокие температуры использования (максимально до 1300°С).

Таким образом, в настоящее время для изготовления ультразвуковых концентраторов в качестве рабочего материала обычно используют конструкционные стали или титановые сплавы (Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов. М.: Машиностоение, 1968, с.63; Донской А.В., Келлер О.К., Кратыш Г.С. Ультразвуковые электротехнологические установки. Л.: Энергоиздат, 1982, с.134). При этом очень часто дополнением к концентраторам являются передающие стержни или волноводы, которые усложняют конструкцию и ведут к большим дополнительным потерям мощности ультразвукового излучения. В связи с чем недостатками концентраторов являются сложная конструкция, большие дополнительные потери мощности ультразвукового излучения, сравнительно невысокие рабочие температуры, поскольку при более высоких температурах использования металлических концентраторов происходит интенсивное загрязнение материалами концентраторов.

Известно устройство для ультразвуковой обработки расплава легких сплавов (патент РФ №2183147, C22F 3/02, 2002 год). Известное устройство для ультразвуковой обработки расплава содержит магнитострикционный преобразователь, концентратор ультразвуковых колебаний и передающий стержень (излучатель), выполненный из ниобия, тантала или их сплавов, при этом рабочая часть излучателя покрыта слоем обработанного ультразвуком в режиме кавитации алюминия.

Недостатком известного устройства являются сравнительно низкие температуры его использования (до 1000°С) из-за значительного химического взаимодействия материала передающего стержня с расплавом. В частности, такое устройство неприменимо при ультразвуковой обработке химически агрессивных высокотемпературных расплавов и не может быть использовано при температурах расплава свыше 1000°С. При этом использование дополнительного передающего стержня приводит к потере мощности ультразвуковой волны на границе соединения концентратора и стержня.

Задача предлагаемого изобретения заключалась в разработке технического устройства для передачи ультразвука, обеспечивающее передачу ультразвуковой энергии с минимальными потерями в широком диапазоне температур, в котором концентратор должен обладать высокой химической и термической стойкостью, что позволяет использовать его для введения ультразвукового излучения непосредственно в различные химически агрессивные среды (например, расплавы различных металлов и солей), имеющие высокие температуры (до 1900°С).

Поставленная задача решается в предлагаемом устройстве для передачи ультразвука, включающем магнитострикционный преобразователь и концентратор ультразвуковых колебаний, в котором концентратор выполнен из керамики на основе оксида бериллия, при этом торец большего диаметра концентратора соединен с торцом преобразователя посредством двухслойной пленки, первый слой которой выполнен из металлизационной пасты на основе молибдена, а второй слой - их никеля соответственно.

В настоящее время известна возможность использования керамики на основе бериллия в ядерной технике в качестве замедлителя и отражателя нейтронов (Ротман А. Дж. "Свойства керамики из окиси бериллия и ее применение в ядерных двигателях". Материалы и горючее для высокотемпературных ядерных энергетических установок, пер. с англ., М., Атомиздат, 1966, с.20-33), в электронной промышленности при работе радиоэлементов функциональной электроники (Berillia ceramics come of age. Ceramic industry magazine, 1974, V.6, p.26-28), в лазерной технике и дозиметрии ионизирующего излучения в качестве рабочего вещества для термолюминесцентных, экзоэлектронных и электронного парамагнитного резонанса дозиметров ионизирующего излучения (Kortov V.S., Milman J.J., Slesarev A. J., Kijko V.S. "New BeO ceramics for Ti - ESR Dosimetry. Protection Dosimetry", Nuch. Technol, 1993, v. 47, №¹/₄, p.267-270).

В настоящее время не известно устройство для передачи ультразвука, в котором концентратор выполнен из керамики на основе оксида бериллия, а соединение конструктивных деталей осуществлено посредством двухслойной пленки, первый слой которой, нанесенный на поверхность концентратора, выполнен из металлизационной пасты на основе молибдена, а второй слой выполнен из никеля соответственно.

Выполнение ультразвукового концентратора из керамики на основе оксида бериллия стало возможным благодаря обнаруженному свойству керамики хорошо проводить ультразвук. Измерения скорости распространения ультразвука и его поглощения в образцах различной конфигурации из керамики на основе оксида бериллия, имеющей плотность 2,97 г/см³ (теоретическая плотность BeO составляет 3,02 г/см²), проводили импульсным методом вдоль стенок цилиндров в различных точках на частотах 38, 25 и 5,15 кГц. Как было установлено авторами, средние значения скорости распространения ультразвуковой волны слабо зависят от частоты ультразвука, при комнатной температуре близки и составляют 11,20-11,23 км/с, а поглощение находится в диапазоне 0,035-0,046 дБ/мм. С увеличением плотности керамики ВеО до 3,01 г/см³ скорость распространения ультразвука увеличивалась до 12,4 км/с, а его поглощение уменьшалось. Кроме того, керамика на основе ВеО обладает высокой радиационной, химической и термической стойкостью, слабо реагирует с расплавами многих металлов и солей вплоть до температуры 1900°С. Напомним, что температура плавления ВеО составляет 2550°С. Как установлено авторами, керамика ВеО химически инертна по отношению к расплавам урана, плутония, железа, никеля, молибдена, золота, серебра, платины, свинца, кобальта, кремния, титана (кроме редкоземельных металлов) и других расплавов металлов и солей. Авторами также установлено, что в процессе охлаждения керамики ВеО от 25°С до температуры -196°С величина поглощения ультразвукового излучения значительно уменьшается (˜ в 5 раз), при этом температура не оказывает практического влияния на скорость распространения ультразвуковой волны.

Таким образом, благодаря обнаруженному свойству керамики на основе ВеО распространять с высокой скоростью ультразвуковые волны она может быть использована для изготовления концентраторов ультразвукового излучения в устройствах для передачи ультразвука, при введении ультразвукового излучения в различные химически агрессивные среды и сплавы. Поскольку керамика имеет сравнительно малые значения поглощения ультразвукового излучения как при комнатной, так и при более высоких и низких температурах (вплоть до температуры кипения жидкого азота), она может быть использована в устройствах по передаче ультразвука в металлургической, атомной, радиоэлектронной промышленности и в приборах специального назначения. Благодаря установленным авторами свойствам концентраторы из ВеО-керамики могут также найти применение в разнообразных устройствах микрозвуковой техники, например, для сбора и концентрации слабого ультразвукового сигнала приемными антеннами акустических систем подводных лодок и надводных кораблей.

На чертеже изображено устройство для передачи ультразвука, включающее магнитострикционный преобразователь (1), охлаждаемый проточной водой, и концентратор (2). Концентратор (2) выполнен из керамики на основе ВеО с кажущейся плотностью 2,86÷3,01 г/см² конусообразной или экспоненциальной или другой необходимой формы с длиной, кратной ¹/₂ длины волны ультразвуковых колебаний, генерируемых магнитострикционным преобразователем. При этом для крепления магнитострикционного преобразователя (1) и концентратора (2) на поверхность торца большего диаметра концентратора (2) наносят и вжигают металлизационную пасту на основе молибдена, а на полученный слой пленки путем электрохимического осаждения наносят второй слой, состоящий из никеля. Это позволяет получать на торцевой поверхности концентратора (2) прочную металлическую пленку (3), выдерживающую нагрузку более 4·10⁴ Н/мм², к которой путем пайки твердыми или мягкими припоями или диффузионной сварки прикрепляют магнитострикционный преобразователь (1).

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Для введения ультразвукового излучения в высокотемпературные металлические расплавы с целью улучшения их свойств, а также в расплавы агрессивных сред (например, для отмывки от радионуклидов и утилизации загрязненных металлических конструкций и труб отработанных блоков ядерных реакторов атомных электростанций) концентраторы ультразвукового излучения (необходимой формы) изготавливаются из керамики ВеО длиной, кратной 1/2 длине ультразвуковой волны. Торец концентратора, имеющий меньший диаметр, вводят непосредственно в расплав, а другой торец концентратора с присоединенным к нему магнитострикционным преобразователем закрепляют над расплавом. Магнитострикционный преобразователь охлаждают проточной водой. При этом температура в месте его крепления будет близка к температуре охлаждающей воды, что позволит стабилизировать его работу. Другой торец концентратора будет иметь температуру расплава. Включают магнитострикционный преобразователь и производят облучение расплава ультразвуковым излучением повышенной мощности в течение необходимого времени. После обработки концентратор вынимают из расплава и помещают в печь с высокочастотной обмоткой для удаления с поверхности ультразвукового концентратора закристаллизовавшихся на нем продуктов расплава.

Преимущества: концентратор выполнен одноступенчатым из материала с повышенной химической и термической стойкостью. Отсутствие дополнительного передающего стержня позволяет сохранить передаваемую мощность.

Устройство для передачи ультразвука, включающее магнитострикционный преобразователь и концентратор ультразвуковых колебаний, отличающееся тем, что концентратор выполнен из керамики на основе оксида бериллия, при этом торец большего диаметра концентратора соединен с торцом преобразователя посредством двухслойной пленки, первый слой которой выполнен из металлизаци онной пасты на основе молибдена, а второй слой - их никеля соответственно.