Розенберг Л.Д. Физика и техника мощного ультразвука. Книга 1. Источники мощного ультразвука OCR
Подождите немного. Документ загружается.
измеренных
при
малых
амплитудах,
не
является
достаточным
Rритерием.
И
хотя,
RaR
УRазывалось
в
гл.
1,
величина
Rоэффициента
магнитомеха
llИЧеСRОЙ
связи
обратно
пропорциональна
величине
В
в
,
для
мощных
маГНИТОСТРИRЦИОННЫХ
излучателей
следует
выбирать
материалы
с
большой
ИНДУRцией
насыщения
и
добиваться
увеличения
К
за
счет
повышения
маг
НИТОСТРИRЦИИ
насыщения
и
уменьшения
анизотропии
RaR
маГНИТОRристал
личеСRОЙ,
TaR
и
ВОЗНИRающей
вследствие
неоднородности
материала.
Кривые,
похожие
на
графики
рис.
9,
были
получены
ВаймаРRОМ
для
никеля
(рис.
10).
И
здесь,
как
и
в
случае
ферритов,
величина
амплитуды
ИНДУRЦИИ
ВИт,
соответствующей
максимуму
магнитострикционного
на
пряжения,
составляет
около
0,5
В
в
.
Значения
aM,lim
для НИRеля
по
этим
данным
достигают
35-40
r.гlс,м,2
при
н
о
=
30
э.
'
Глава
3
ИЗЛУЧАТЕЛИ
ИЗ
ФЕРРИТОВ
§
:1..
Сердечники
И3.JIучате.JIеll:
Ферриты
изготавливают
в
виде
монолитных
сердеЧНИRОВ,
форма
RO-
торых,
как
правило,
соответствует
стандартной
форме
магнитострикцион
ных
излучателей
и
задается
в
процессе
nрессования.
На
рис.
11
представ
лены
ферритовые
сердечники,
изготавливаемые
в
АRУСТИ"Iеском
институте.
СердеЧНИRИ
стержневого
типа
предназначены
для
излучателей
с
резонан
сными
частотами
23, 21,27,53,
75
и
155
r.eq.
Чтобы
получить
достаточную
механичеСRУЮ
прочность,
отношение
площади
накладки
и
площади
сечения
стержней
составляет
для
большинства
сердечников
2:
1,
а
для
сердеЧНИRа
в
форме
рамки
с
резонансной
частотой
23
r.гч
- 3 :
2.
Из
этих
же
сообра
жений
форма
сердеЧНИRОВ
имеет
закругления
для
плавного
перехода
от
сечения
накладки
к
сечению
стержней.
Кольцевой
сердеЧНИR
имеет
резо
нансную
частоту
25
r.eq.
Он
снабжен
отверстиями
для
оБМОТRИ.
При
на
несении
обмотки
с
наружной
стороны
он
работает
KaR
фОRУСИРУЮЩИЙ
излучатель,
если
при
этом
наружная
цилиндричеСRая
поверхность
оБRлеи
вается
пористой
резиной
(рис.
12),
если
же
оБМОТRа
проходит
изнутри,
получается
цилиндричеСRИЙ
излучатель
с
равномерной
характеристикой
направленности
в
плоскости,
перпендикулярной
оси.
Такие
цилиндричес
Rие
излучатели
можно
изготавливать
и
из
кольцевых
сердеЧНИRОВ
без
от
верстий,
если
обмотка
состоит
из
немногих
ВИТRОВ.
ДЛЯ
увеличения
площади
излучающей
поверхности
сердечники
иногда
склеиваются
вместе
по
два
и
более
при
помощи
клея
на
основе
Rремний
органичеСRОЙ
смолы.
Предварительно
контролируется
резонансная
частота
каждого
элемента,
так
RaR
СВОЙС1'ва
Rерамических
материалов
обычно
име
ют
некоторый
разброс.
СRлеиваемые
поверхности
пришлифовываются
друг
R
другу.
Шлифовка
применяется
и
для
ПОДГОНRИ
резонансной
часто
ты
сердечников,
для
придания
им
точно
заданных
размеров.
Вообще
меха
ничеСRая
обработка
обожженных
ферритовых
сердечников
производится
либо
методами
оптической
шлифОВRИ,
либо
ультразвук-овыми
методами.
Излучатели
из
ферритов,
как
и
все
магнитострикционные
излучатели,
работают
в
режиме
подмагничивания
их
постоянным
полем
Н
о,
причем
величина
поля
выбирается
равной
Н
опт
или
превышает
его
на
30-50
% .
Подмагничивающее
поле
можно
создавать
постоянным
током,
протека
ющим
по
оБМОТRе
преобразователя,
RaK
это
делается
в
излучателях
из
9*
1.31.
Рис.
11.
Сердечнини
излучателей
из
магнитостринционных
ферри
тов,
изготавливаемые
в
Анустичесном
институте
Рис.
12.
Фокусирующий
излучатель
из
феррита
металлических
материалов.
Однако
более
эффективен
способ
создания
Н
о
при
помощи
пластин
постоянных
ферритовых
магнитов,
вклеиваемых
в
магнитопровод.
Такой
метод
впервые
был
применен
японскими
исследова
телями
[25].
Способ
в:клейки
показан
на
рис.
13.
В
качестве
материала
постоянных
магнитов
используются
анизотропные
магниты
из
гексаго
нального
феррита
бария
с
большой
:коэрцитивной
силой,
например
маг
ниты
марки
БА-2.
Толщина
магнитов
определяется
при
помощи
извест
ных
в
электротехнике
методов
расчета
магнитопроводов
составных
сер
дечников.
Однако
при
этом
могут
возникнуть
ошибки
из-за
рассеяния
магнитного
потока,
которое
трудно
учесть.
Более
точно
толщину
магнитов
для
сердечника
заданной
формы
можно
подобрать
э:кспериментально,
измеряя
баллистическим
методом
изменение
индукции
в
сер
дечнике
при
быстром
выдергивании
пластин
разной
'rолщины
из
магнитопровода.
Измерения,
проведен
ные
с
двухстержневым
сердечником
из
феррита
21
на
резонансную
частоту
27
~гц
[61],
показали,
что
для
получения
индукции
подмагничивания,
соответ
ствующей
Н
0=
30
Э,
толщина
пластин
должна
быть
вдвое
больше
расчетной.
Сравнение
эксперименталь
ных
и
расчетных
характеристик
сердечников
позво
ляет
вычислить
коэффициент
рассеяния
потока; вели
чина
эта
должна
определяться
для
каждого
:кон
кретного
случая,
так
как
она
зависит
и
от
геометрии
магнитопровода
и
от
характеристик
материала.
Од
нако
на
практике
такой
необходимости
нет.
Много
численные
опыты
показали,
что
при
изготовлении
ферритовых
излучателей
с
двухстержневыми
сердеч
никами
можно
просто
рекомендовать
значение
тол
Рис.
13.
Ферритовый
сердечник
с
вклеенны
ми
постоянными
маг
нитами
(магниты
по
казаны
штриховкой)
Щины
пластин,
в
2-2,5
раза
превышающее
расчетное.
Дело
в
том,
что
при
оптимальном
подмагничивающем
поле
небольшие
изменения
его
вели
чины
не
оказывают
значительного
влияния
на
работу
преобразователя.
Следует
только
иметь
в
виду,
что
ошибка
в
сторону
занижения
толщи
ны
пластин
больше
ухудшает
свойства
излучателя,
чем
ошибка
в
сто
рону
увеличения
толщины.
При
одинаковой
инду:кции
подмагничивания
свойства
излучателя
с
вклеенными
пластинами и
излучателя,
в
обмотке
которого
протекает
постоянный
ток,
практически
не
различаются:
их
К.П.Д.
и
чувствитель
ность
одинаковы,
причем,
как
показали
специально
проведенные
экспе
рименты
[61],
совпадение
этих
величин
сохраняется
до
предельно
допусти
мой
интенсивности
излучения.
Испытания
излучателей
с
вклеенными
по
стоянными
магнитами
свидетельствуют
также,
что
при
длительной
эксплу
атации
(в
течение
года
и
более)
свойства
их
не
меняются.
Возможность
обеспечить
подмагничивание
ферритовых
излучателей
постоянными
магнитами
является
одним
из
их
существенных
достоинств:
при
таком
подмагничивании
значительно
упрощается
система
питания
и
по
вышается
общий
К.П.Д.
излучателей,
так
как
потери
по
постоянному
току
могут
увеличивать
общую
затрачиваемую
мощность
до
20%.
§
2.
Rоаффициевт
ПО.JIезвого
действии
ферритовых
И3.J1учате.JIе:lt
При
нагрузке
излучателей
на
жидкость
свойства
их
оценивают
по
ве
личине
резонансного
э·лектро-акустического
К.П.Д.
(flэа),
представляющего
отношение
излучаемой
акустической
мощности
к
потребляемой
электри
ческой.
Этот
К.П.Д.
может
быть
представлен
как
произведение
электро-ме
ханического
К.П.Д.
(flэм)
на
механо-акустический
(flMa).
Величину
К.п.д.
188
определяют
известным
способом
по
частотной
зависимости
потребляемой
излучателем
мощности
в
отсутствие
нагру:ши,
т. е.
в
воздухе,
и
под
наГРУЗRОЙ,
т.
е.
при
погружении
в
ЖИДRОСТЬ
[1,15].
Подобные
за
висимости
пред
ставлены
на
рис.
14.
ОднаRО
таRОЙ
метод
определения
R.П.Д.
справедлив
лишь
при
неболь
ших
значениях
мощности,
Rогда
между
параметрами,
хараRтеризую
щими
магнитное
и
механичеСRое
состояние
преобразователя,
имеются
ли
нейные
соотношения.
Это
ограничение
особенно
важно
при
измеренииферри
товых
преобразова
телей
с
их
сильно
выраженными
нелинейными
свойствами.
W,M6m
I
'100
I
А
,
I
I
i
I
I
i
I
I
I
vвозо.:r
300
200
BOD
L
Р
n
n
I'.k
о
11
v
,
(ио
{5
{9
zз
27
3(
35
"кгц
Рис.
14.
Зависимость
электрической
мощности
W,
потребляемой
ферритовым
преобразователем
с
резонансной
частотой
27
кгц,
от
частоты
f
Даже
при
мощности
ПОРЯДRа
неСRОЛЬRИХ
ватт
измерение
ферритовых
излучателей
следует
проводить
при
одинаRОВОЙ
амплитуде
Rолебаний
в
воде
и
в
воздухе,
чтобы
избежать
ошиБОR
за
счет
сильной
зависимос
ти
механичеСRОЙ
добротности
от
амплитуды.
Метод
определения
R.П.Д.
по
импеданс-диаграммам,
полученным
при
измерениях
в
воде
и
в
воздухе,
аналогичен
рассмотренному
выше.
Величина
резонансного
элеRтро-аRустического
R.П.Д.
определял
ась
по
частотным
зависимостям
мощности
на
излучателях
из
феррита
21
с
раз
личными
видами
стержневых
сердечников,
представленных
на
рис.
11;
кроме
того,
измерялись
излучатели
с
сердеЧНИRОМ
на
частоту
27
кгц,
И3-
готовленные
И3
ферритов
21, 41, 42,
М-20
и МК-16.
При
малых
значениях
мощности
(ПОРЯДRа
одного
или
неСКОЛЬRИХ
ватт)
и
при
подмагничивании,
равном
оптимальному
или
неСRОЛЬRО
большем,
величина
'f}эа
составляла
70-75
%.
Разброс
не
выходил
за
пределы
между
65
и
85
%.
Закономерной
зависимости
'f}:эа
от
частоты
или
от
состава
ферритов
при
этом замечено
не
было.
Mexaho-акустичеСRИЙ
R.П.Д.
находился
в
пределах
от
80
до
95
%.
Высокие
значения
'f}:эа
отмечаются
всеми
авторами,
исследовавшими
фер
ритовые
преобраЗ0ватели.
По
данным
японских
авторов,
эта
величина
достигает
90 % ,
а
по
данным
Ван
дер
Бургта
она
находится
между
70
и
90
%.
ОднаRО
сравнение
данных
различных
авторов
не
всегда
имеет
смысл,
по
тому,
что
величина
'f}:эа
зависит
KaR
от
мощности
(или
амплитуды),
которая
не
всегда
известна,
TaR
и
от
величины
наГРУ3RИ.
Вычисляя
величину
'f}эа
по
эквивалентным
параметрам
нагруженного
И3-
лучателя
можно
установить,
что
эта
величина
имеет
маRСИМУМ
при
опре
деленном
сопротивлении
нагрузки,
ROTopoe
называют
оптимальным,
Rн,опт;
ему
соответствует
оптимальное
значение
R.П.Д.
-
'f}:эа,опт
и
оптимальная
1.34
добротность
нагруженного
преобразователя:
Qп,опт'
В
работе
Тиде
[62]
да
ны
соотношения
,связывающие
веЛИЧИНЫ'rJэа,опт,
Qп,опт,
Rн,опт
со
свойствами
ненагруженного
преобразователя,
'rJэм
и
Q.
Позже
эти
соотношения
были
даны
в
более
удобном
виде
в
работах
Ван
дер
Бургта
и
Хенкеля
[22, 63]:
1-r:t
r:t
'rJза,
опт
= 1 +
(Х!
Qп.
опт=
1 :
r:t
Q,
а
=
-V
1 -
'rJэм,
Из
приве13енных
формул
видно, что
величина
'rJэа,ОПТ,
реа~изуемая
при
оп
тимальнои
нагрузке,
по.:rностью
определяется
величинои
'rJэм,
а
величина
Qп,опт
(и,
следовательно,
само
оптимальное
сопротивление
нагрузки)
за
висит
от
добротности
ненагруженного
преобразователя
Q.
Таким
образом,
оптимальная
нагрузка
для
излучателей
с
одинаковой
резонансной
частотой
и
геометрическими
параметрами
может
быть
различной,
если
их
свойства
заметно
различаются.
В
табл.
8
приведены полученные
экспериментально
в
работе
[64]
значения
'rJэм,
Q,
Qп,
'rJэа
и
вычисленные
по
приведенным
выше
форму
лам
Qп,опт
и
'rJэа,опт
для
излучателей
из
феррита
21,
никеля
и
пермендюра.
Форма
и
размеры
сердечников
всех
трех
излучателей
соответствовали
стер
жневому
сердечнику
с
резонансной
частотой
27
1I:гц,
представленному
на
рис.
11.
Измерения
проводились
при
оптимальном
подмагничивании,
ам
ПЛIIтуда
колебаний
в
отсутствие
нагрузки
составляла
1
JJt1l:.
Таблица
8
Свойства
излучателей
из
различных
материалов
Материал
"I1
эм
I
Q
I
Qп
I
11эа·
% I
11
эа
,
опт'
% I
Qп,опт
И3JIY"1ател!!
I
Феррит
...
99,5
350-400
15
74
87
23
Никель
98,5 100
30
60
78
11
Пермендюр.
97,5 160
30
62
73
20
Из
данных
табл.
8
видно,
что
при
погружении
в
воду
всех
излучателей
значения
их
добротности,
а
следовательно,
и
нагрузки
отличались
от
оптимальных,
что
приводило
к
снижению
'rJэа.
Однако
если
металлические
преобразователи
были
при
этом
недогружены,
то
преобразователь
из
феррита
оказался
перегружен
-
величина
Qп,опт
для
него
больше,
чем
Qп.
Это
обстоятельство
связано
с
высокой
добротностью
ферритового
преобра
зователя
и
его
необходимо
учитывать
при
выборе
конструкции
излучате
лей
для
конкретных
установок.
При
этом
следует
помнить,
что
добротность
ферритового
излучателя
сильно
зависит
от
амплитуды,
и
если
при
коле
баниях
с
амплитудой
1
M1I:
(что
соответствует
интенсивности
излучения
в
воду
около
3
вm/с,м2)
он
перегружен,
то
при
амплитуде
3
JJt1l:
добротность
его
снижается
до
100,
соответствующее
значение
Qп,опт
равно
10,
и
он
может
оказаться
недогруженным.
Как
уже
отмечалось,
величина
к.П.Д.
ферритовых
излучателей
изме
няется
с
ростом
потребляемой
мощности.
Это
связано
как
снелинейными
свойствами
самого преобразователя, так
и
с
нелинейными
свойствами
среды
-
при
возникновении
кавитации
сопротивление
нагрузки
падает
[65, 66].
Определение
К.П.д.
по
электрическим
характеристикам
преобра
зова"теля
дает
на
большой
мощности
значительную
погрешность,
поэтому
в
этом
случае
необходимо
измерять
непосредственно
излучаемую
звуко
вую
энергию.
1.85
Для
выяснения
нелинейных
зависимостей
в
поведении
ферритовых
излучателей
в
отсутствие
кавитации
были
проведены
измерения
на
стерж
невом
преобразователе
с
резонансной
частотой
27
1>:гц,
работавшем
в
воде
в
импульсном
режиме
[57, 61].
При
различных
значениях
НО
потребляе
мая
излучателем
мощность
W
постепенно
увеличивалась.
Схема
измерений
представлена
на
рис.
15.
При
увеличении
W
вольтметр
V
ищ
и
осциллограф
фиксировали
значение
амплитуды
напряжения
на
возбуждающей
обмотке;
по
падению
напряжения
на
сопротивлении
R,
измеряемому
вольтметром
Ваттметр
HCmO"HL1K\
постоянного
тока
ГL1О'~ФОН~
~
Н.зЛ!l'lflтель
Рис.
15.
Схема
измерений
зависимости
излучаемой
ферритовым
преобразователем
аRустичеСRоii
мощности
от
потребляемой
им
элеRтричеСRОЙ
мощности
v
R,
определялась
величина
амплитуды
тока;
потребляемая
мощность
~V
из
мерялась
ваттметром.
Давление
р
в
поле
излучателя
измерял
ось
гидро
фоном,
выходное
напряжение
с
которого
подавал
ось
через
усилитель
на
вольтметр
V
р
и
осциллограф.
Изменение
к.П.Д.
определялось
по
измене
нию
отношения
p2/W,
для
определения
абсолютных
значений
'I1эа
исполь
зовалось
его
значение,
измеренное
при
малой
мощности,
т.
е.
в
линейном
режиме.
Увеличение
мощности
производил
ось
до
тех
пор,
пока
амплитуда
переменного
тока
не
делалась
равной
току
подмагничивания.
Из
рис.
16
видно,
что
давление
возрастает
с
ростом
напряжения
нели
нейно.
Загиб
кривых
может
быть объяснен
уменьшением
константы
Л,
а
также
увеличением
механических
потерь.
На
рис.
17
можно
видеть
уменьшение'l1эа
с
ростом
интенсивности
излучаемого
звука.
(Интенсивность
оценивалась
по
величине
потребляемой
мощности
и
величине
'I1эа.)
Сни
жение
к.п.]);.
при
увеличении
мощности
отмечает
и
Ван
дер
Бургт
[22].
Обус
ловлено
это
не
только
уменьшением
магнитострикционной
константы,
но
и
ростом
механических
и
электрических
потерь.
Характерно,
что
и
на
рис.
16,
и
на
рис.
17
линейность
дольше
сохраняется
при
величине
Но.
большей
Н
опт.
При
повышенном
подмагничивании
нелинейные
свойства
ферритов
проявляются
слабее,
о
чем
говорят
и
данные,
приведенные
в
предыдущей
главе.
Поэтому
при
работе
излучателей
в
режиме
интенсивных
колебаний
рекомендуется
подмагничивание,
превышающее
оптимальное:
для
ферритов
21, 41, 42,
М-18
и
МК-20
целесообразно
применять
Н
о
=
25-30
э.
При
наличии
интенсивной
кавитации
метод
измере
ния
звукового
давления
в
поле
излучателя
при
помощи
гидрофона
непри
меним.
В
этом
случае
наиболее
точные
значения
'I1эаМОЖНО
получить,
изме
ряя
акустическую
мощность
калориметрическим
методом.
Калориметри
ческие
измерения
ферритовых
излучателей
показали,
что
при
Н
о
=
30
iJ
И
при
одностороннем
излучении
величина
их
электро-акустического
К.П.Д.не
падает
ниже
60 %
даже
в
присутствии
кавитации.
Величина
к.п.д.
служит
характеристикой
излучателей,
нагруженных
на
жидкость.
Излучатели,
работающие
с
весьма
малой
нагрузкой,
например
в
установках
ультразвукового
резания
или
некоторых
видов
сварки,ЭТОЙ
ве
личиной
характеризовать
нельзя.
Их
эффективность
может
опредеШIТЬСЯ
ве-
:136
личиной
электрической
мощности,
требуемой
для'
получения
заданной
амп
литуды
колебаний.
Сравнительные
измерения
[64]
показали,
что
при
коле
баниях
с
амплитудой
торцовой
поверхности,
не
превышающей
1-3
мn,
р,
оин/
см
2
50
40
30
20
10
о
20 40
У,
8
Рис.
16.
Зависимость
давления
в
поле
ферритового
пзлучателя
р
от
подаваемого
на
него
элек
трического
напряжения
V
~эа,
%
,---.....----т---,
80
t----t--4---i
20
t----t--+--~
о
'-----"'---'--
....
2 4
1,8m/си
Z
Рис.
17.
Зависимость
электро-аку
стического
К.П.д.
ферритового
из
лучателя
ll
эа
от
интенсивности
из-
лучаемого
звука
1
(fp
=
27
кгц)
ферритовые
преобразователи
потребляют
меньшую
мощность,
чем
преоб
разователи
из
металлических
материалов.
Конкретные
значения
мощности,
потребляемой
ферритовыми
преобразователями
при
работе
с
малой
нагруз
кой,
будут
даны
в
следующей
главе
при
описании
ультразвуковых
уста
новок.
§
8.
ПреДС.JIьная
аИП.JIИТУДR
RО.JIебаниЙ
и
IIнтенсивность
ИЗ.JIучеНIIЯ
ферритовых
преобразовате.JIеil:
Для
излучателей
мощного
ультразвука,
предназначенных
к
примене
нию
в
технологических
установках,
важное
значение имеет
вопрос
о
ма
ксимально
достижимой
с
их
помощью
интенсивности
ультразвукового
поля
в
жидкости
или
о
максимальной
амплитуде
свободных
колебаний
самих
сердечников
излучателей.
Амплитуда
колебаний
и
интенсивность
излучения
ферритовых
преоб
разователей
ограничиваются
как
нелинейными
свойствами,
так
и
меха
нической
прочностью
ферритов.
Первый
фактор,
как
уже
упоминал
ось
в
гл.
2,
играет
роль
для
всех
магнитострикционных
излучателей,
однако
на
ферритах
он
сказывается
особенно
сильно
в
связи
с
их
низкой
индукци
ей
насыщения.
Для
вычисления
предельной
интенсивности
ферритовых
излучателей,
обусловленной
нелинейными
эффектами,
удобно
использо
ва
ть
величину
предельного
магнитострикционного
напряжения
ам,
lim.
~аксимальная
резонансная
интенсивность
J
max
излучателей,
форма
сер
'дечников
которых
показана
на
рис.
18,
выражается
через
эту
величину
по
формуле,
данной
Л.
Я.
Гутиным
[48]:
2
U
M
,
lim
а
2
2 2
J
тах
=
-Ь
2
r]Ma
cos
kl,
r
и
где
r]Ma
-
механо-акустический
К.п.Д.
преобразователя;
r
и
-
удельное
со
противление
нагрузки.
Для
излучателей
из
ферритов
21,
41
и
42
с
резонан-
1.37
сными
частотами
27
кгц
и
механо-анустическим
н.п.д.,
равным
75
%,
величина
I
шах
,
вычисленная
по
приведенной
формуле,
должна
составлять
при
излучении
в
воду
около
12
вm/с;м2,
если
не
принимать
в
расчет
нели
нейность
самой
среды,
т.
е.
предполагать,
что
кавитация
так
или
иначе
подавлена.
На
никелевых
излучателях
максимальная
интенсивность
должна
быть
больше,
так
как
значение
ам, Iiш
для них
выше.
Влияние
нелинейности
еще
меньше
сказывается
на
излучателях
из
пермендюра
ввиду
их высокой
ин
дунции
насыщения.
Второй
фактор,
ограничивающий
интенсивность
излучения
и
амплиту
ду
свободных
колебаний,-
механическая
ПРОЧНОСТЬ,-также
значительно
сильнее
сказывается
на
ферритовых
излучателях,
чем
на
металлических.
Рис.
18.
Форма
магнитострик
ционного
сердечника
стерж
невого
типа
lI,нк
18
12
8
4
v
v
v
v
о
200 400 800
r5,M/CH
2
Рис.
19.
Зависимость
амплитуды
ко
лебаний
торца
ферритовых
сердечни
ков
А
от
механического
напряжения
в
пучности
колебаний
О"п(fz23-27
"гц)
Дело
в
том,
что
механическая
прочность
ферритов
на
растяжение,
нак
и
прочность
других керамических
материалов,
очень
невелика,
в
частности,
она
значительно
ниже
их
же
прочности
на
сжатие.
Предельная
амплитуда
колебаний
ненагруженных
излучателей
А
шах
и
предельная
интенсивность
излучения
в
заданную
нагрузку
1
шах,
ограничи
ваемые механической
прочностью,
вычисляются
при
помощи
величины
CJ
пр
:
эта
величина,
называемая
динамической
прочностью
материала,
представ
ляет собой
максимально
допустимое
значение
амплитуды
механического
напряжения.
Для
колеблющегося
в
резонансе
сердечника
той
же
формы,
что
представлена
на
рис.
18,
расчет
дает:
А
шах
=
cr
ПР
а
cos
kl
1
dс·2л!р
Ь
sinkl
'
1
(
crпр)2
2
~
cos
2
kl
1
шах
=
dc
2
Ь
2
sin~
kl
•
Зависимость
А
тах
от
CJ
пр
,
вычисленная
в
соответствии
с
данной
формулой
для стержневых
сердечников
с
резонансными
частотами
jp=23-27
кгц,
цриведена
на
рис.
19.
Величина
динамической
прочности
ферритов
сильно
зависит
от
сече
ния
образца,
как
это
всегда
имеет
место
для
нерамических
материалов.
На
однородных
стержнях
диаметром
5;м;м
достигались
значения
CJпр,
равные
800
1/;г/С.Jrt
2
•
Однако
для
более
массивных
сердечнинов
с
изменяющейся
площадью
сечения
целесообразно
за
CJ
пр
принять
величину
150-200
кг/с;м2,
1.88
которую
и
приводит
большинство
исследователей.
Отметим,
что
в
работе
[60]
динамическая
прочность
пьезоэлектрической
керамики
имеет
сходную
величину-150-300
кг/см,2.
При
таком
значении
а
пр
максимальная
амплиту
да
колебаний
торцов
сердечников
с
резонансными
частотами
23-27
1/:гц
должна
составить
в
отсутствие
нагрузки
3-4
м,1/:.
Подстановка
величины
волнового
сопротивления
воды
вместо
r
и
в
формулу
для
I
max
дает
при
такой
прочности
интенсивность
порядка
13
-14
вm/см,2.
В
этой
оценке,
как
и
в
предыдущем
случае,
не
учитывается
кавитация,
снижающая
в
среднем
акустическое
сопротивление
жидкости
и
создающая
не
стационарные
усло
вия
нагрузки.
Вопрос
о
том,
какая
же
из
двух
причин
в
каждом
конкретном
случае
ограничивает
интенсивность
излучения
ферритового
преобразователя,
может
быть
решен,
если
известна
нагрузка
излучателя,
т.
е.
его
доброт
ность
Qи,так
как
амплитуда
резонансного
механического
напряжения
в
сердечнике
a
Il
=
а
м
Qи.
При
аМ,liт
QH>
а
пр
максимально
достижимая
интенсивность
и
амплитуда
ограничиваются
механической
прочностью
материала.
Такие
условия
реализуются
в
отсутствие
нагрузки
или при
нагрузке
преобразопателей
на
сильно
кавитирующую
жидкость.
А
при
aM,lim
Qи<
а
пр
причиной
ограниче
ния
является
нелинейность;
преобразователи
в
этом
случае
не
разруша
ются,
просто
перестает
увеличиваться
интенсивность
излучения
с
ростом
возбуждающего
напряжения.
Второй
случай
наблюдается
придобротностях,
меньших
или
иногда
равных
10.
Такие
условия
всегда
создаются
при
нагрузке
излучателей
на
твердое
тело,
часто
-
при
нагрузке
на
нека
витирующую
жидкость.
При
экспериментальных
исследованиях
ферритовых
излучателей
в
режиме
интенсивных
колебаний
с
импульсным
возбуждением
(т.
е.
в
от
сутствие
кавитации)
в
воде
достигалась
интенсивность
1
шах
= 7
вm/см,2.
Как
и
следовало
ожидать,
этот
предел
был
обусловлен
не
механической
прочностью,
а
нелинейностью,
так
как
ни
один
образец
в
таком
режиме
разрушен
не
был.
Расхождение
с
расчетной
величиной
1
шах
= 12
вm/см,2
может
объясняться
тем,
что
при
расчете
учитывалась
только
нелиней
ность
магнитострикционной
константы
и
не
учитывался
рост
механических
потерь
с
амплитудой.
Механическая
прочность
ограничивала
интенсивность
ферритовых
излучателей
при
наличии
в
воде
развитой
кавитации.
Измере
ния,
проведенные
калориметрическим
методом,
показали,
что
в
кавити
рующей
жидкости
ферритовые
сердечники
трескались
при
интенсивности,
превышающей
3-3,5
вm/см,2.
Непайрас
[66]
и
Ван
дер
Бургт
[22, 23]
такше
д~ют
значения
предельной
интенсивности
ферритовых
преобра
зователей,
равные
2-3
вm/см,2.
Приводимые
некоторыми
авторами
более
высокие
значения
1
тах
при
кавитации
могут
объясняться
ошибкой
в
опреде
лении
этой
величины,
возникающей
за
счет
экстраполяции.
к.П.Д.
для
малых
уровней
МОЩНОСТИ,на
большую
мощность.
Кажущееся
уменьшение
прочно
сти
в
кавитационном
режиме
можно
объяснить
изменением
сопротивления
нагрузки
[65],
причем
это
изменение
имеет
нестационарный
характер,
так
что
в
какой-то
момент
может
возникнуть
мгновенное
резкое
разгру
жение
излучателя,
в
результате
чего
в
сердечнике
появятся
механические
напряжения,
превышающие
а
пр
•
Максимальная
амплитуда
колебаний
ненагруженных
сердечников
ограничивалась
также
механической
прочностью.
Измерения,
проведен
ные
при
помощи
виброметра
"УБВ-2,
а
также
оптическим
методом,
показа
ли,
что
ферритовые
сердечники
стержневой
формы
с
резонансными
часто
тами,
23-28
1/:гц
могут
устойчиво
работать
с
амплитудой
3
м,1/:;
при
А
= 4
м,к
наступает
их
разрушение.
П
риведенные
в
данном
параграфе
сведения
показывают,
что
предель
ная
амплитуда
колебаний
и
предельная
интенсивность
ферритовых
излу
чателей
невысоки,
они
ниже
соответствующих
величин
для
излучателей
:139
из
металлических
материалов.
Однако
и
амплитуда,
и
интенсивность
из
лучателей
из
ферритов
вполне
достаточны
для
применения
их
в
разнооб
разных
ультразвуковых
технологических
установках.
Сюда
относятся
установки
очистки,
в
которых
по
современным
представлениям
интенсив
ность
не
должна
превышать
2,5
вm/см
2
,
и
маломощные
установи
и
ультра
звукового
резания,
в
которых
требуемая
амплитуда колебаний
инструмента
(около
25-30
МК)
вполне
может
быть
обеспечена
при
помощи
концентра
тора
с
трансформацией,
равной
10.
Весьма
перспективно
использовани~
ферритовых
преобразователей
в
установках
воздействия
ультразвука
на
гальванические
процессы,
где
требуется
интенсивность
меньш~
1
вm/см
2
и
чрезвычайно
полезна
коррозионная
стойкость
ферритов.
Ферритовые
излучатели'
оказываются
вполне
подходящими
для
новой,
быстро
равнивающейся
области
применения
ультразвука
-
ультразву
ковой
сварии.
В
установках
для
сварки
полимеров
требуется
амплитуда
колебаний
инструмента
20-30
МК,
а
при
сварке
элементов
микроэлектрон
ной
техниии
амплитуда
инструмента
еще
меньше
-
порядка
5-10
МК.
Малогабаритные,
высокоэкономичные,
дешевые
установки
с
ферритами
могут
с
успехом
применяться
в
радиоэлектронной
промышленности,
в
по
лупроводнииовом
производстве,
в
приборостроении,
в
химической
про
мышленности.
Высокий
К.П.д.
ферритовых
преобразователей
позволяет
применять
генераторы
меньшей
мощности,
чем
с
металлическими
магни
тострикторами,
и
соответственно
менее
громоздкие.
Ферритовые
преобра
зователи,
благодаря
малым
потерям
и
высокой
точке
Кюри,
могут
работать
в
установках
без
систем
охлаждения,
что
значительно
упрощает
конструк
цию
установок.
Упрощение
достИl
ае1СЯ
и
за
счет
подмагничивания
с
помощью
постоянных
магнитов.
Глава
4
ПРАRТИЧЕСRИЕПРИМЕНЕИИН
У
.JIbTP
АЗВУRОВЫХ
ИЗЛУЧАТЕ.JIЕiI
ИЗ
ФЕРРИТОВ
§~.
Миниатюрные
установки
очистки
Ферритовые
преобразователи
целесообразно
применять
в
портативных
установках
ультразвуковой
очистки
малой
мощности.
Такие
ультразву
ковые
ванночки
можно
вводить
в
качестве
элементов
поточных
линий
или
использовать
в
виде
вспомогательных
настольных
установок
на
отдельных
технологичесн:их
операциях
в
приборостроении,
в
часовом
производстве,
в
электронной
технике,
в
производстве
полупроводниковых
приборов.
В
1963
г.
установки
очистки
с
ферритовыми
преобразователями
бы
ли
выпущены
японской
фирмой
Чимада
и
английской
фирмой
Маллард.
В
изготавливаемых
Акустическим
институтом
опытных
миниатюрных
установках
очистки
используются
составные
ферритовые
сердечники
(склеенные
по
толщине
из
двух)
с
резонансной
частотой
23-24
кгц
[67J.
Материалом
сердечника
служит
феррит
21,
для
подмагничивания
приме
няются
вклеенные
пластины
постоянных
магнитов.
Излучатели
в
таких
ваннах
работают
с
односторонней
нагрузкой.
Конструкция
установок
пред
ставлена на
рис.
20:
А
-
цельная
ванна,
штампованная
из
стали;
Б
-
сборная
ванна,
дном
ее
служит
диафрагма
из
титана
толщиной
0,8
ММ,
:140