Розенберг Л.Д. Физика и техника мощного ультразвука. Книга 1. Источники мощного ультразвука OCR
Подождите немного. Документ загружается.
ла,
из
которого
изготавливается
система,
и
количестве
звеньев не
больше
трех-четырех
можно
изготовить
систему
в
виде
отдельного
волновода
{рис.
7).
В
общем
случае
причем
выбор
этих
величин
производится
последовательным
расчетом
звеньев
от
конца
системы
R
ее
началу.
В
ряде
практических
случаев
удов
летворительные
результаты
могут
быть
получены
при
d
1
= d
2
=
d
з
,
п
1
=
п
2
= D
3'
В
заключение
отметим,
что,
кроме
рассмотренных
элемен
тарных
звеньев
и
составных
систем,
широкополосностью
в
рассматривае
мом
смысле
обладает
еще
система,
состоящая
из
экспоненциального
вол
новода
с
сосредоточенной
массой
на
его
широком
конце,
если
этот
волновод
Рис.
7.
Составная
колебательная
си
стема
с
широкой
нагрузочной
поло
сой
частот
"
---.-1---
~
возбуждается
упругими
колебаниями
со
стороны
своего
узкого
конца.
При
этом
(даже
при
М
О
=
О)
такое
звено
по
сравнению
с
однородным
вол
новодом
имеет
большую
нагрузочную
полосу
частот.
В
рассмотренном
широкополосном
звене
амплитуда
на
его
конце
будет
неСRОЛЬКО
меньше,
чем
на
конце
однородного
волновода.
!{
широкополосным
устройствам
относятся
таRже
волноводные
систе
мы,
содержащие
в
качестве
промежуточного
волновод
изгибных
колеба
ний.
Такая
система
рассмотрена
в
части
У.
Глава
4
ИЗЛУЧЕНИЕ
В
ЖИДКИЕ
СРЕДЫ
§
1.
Требования
R
ИЗ.J.Iучатe.JIЮ
Эффективность
излучателя
в
жидкие
среды
определяется
степенью
при
ближения
излучаемой
волны
к
ПЛОСRОЙ
И
значением
активной
составляю
шей
его
сопротивления
излучения.
Как
известно,
активная
составляющая
сопротивления
излучения
круглого
поршневого
излучателя
увеличивает-
2n 2n
ся
с
ростом
величины
Г
r
при
условии,
что
-л-
r < 2
(л
ж
-
длина
ж
ж
волны
в
ЖИДRОСТИ,
r -
радиус
излучателя).
В
технологических
ус-
тановках
это
условие
почти
всегда
выполняется.
Как
правило,
с
увели
чением
излучающей
поверхности
SИ
улучшается
также
согласование
вол
нов
одной
системы и
преобразователя
с
нагрузкой,
т. е.
с
рабочей
средой.
С
другой
стороны,
при
увеличении
линейных
размеров
излучающей
по
верхности
нарушается
однородность
колебаний,
т.
е.
наряду
с
продоль
ными
колебаниями
излучателя,
создающими
плоскую
волну,
при
которой
80е
ТОЧRИ
излучающей
поверхности
колеблются
синфазно
с
одинаковой
амплитудой,
дополнительно
ВОЗНИRают
сложные
изгибные
колебания.
231.
Это
обстоятельство
приводит
к
снижению
излучаемой
энергии
и
к
по
явлению
дополнительных
потерь
в
излучателе.
Рассмотрим
поршневой
излучатель
с
сосредоточенной
массой
(рис.
8).
Пусть
h -
размер
излуча
теля
в
направлении
излучения
энергии
(т. е.
его
толщина),
а
m
-
макси
мальный
габаритный
размер
излучающей
поверхности.
Введем
волновые
размеры
излучателя
,
а
а
т
.
т=т,
h'=
~
л
'
где
л
-
длина
продольной
волны
в
его
материале
на
рабочей
частоте.
Волновой
размер
h'
не
должен
быть
большим,
так
как
при
этом
излучатель
(вдоль
пути
распространения
продольных
колебаний)
станет
систе
..
мой
с
рас~ределенными
постоянными.
Амплитуда
колебаний
на
излу-
~---
dm------~
чающей
поверхности
будет
меньше,
чем
на
торце,
связанном
с
возбуждающим
излучатель
волноводом;
кроме
того,
по
низится
эффективность
работы
колеба
тельной
системы.
Чтобы
излучатель
можно
было
рассматривать
как
сосре
доточенную
массу,
необходимо
иметь
h'
-<
0,1
О
-;-
0,15.
Однако
уменьшение
h'
приводит
к
сни
Рис.
8.
Порmневой
излучатель
с
со-
жению
изгибной
жесткости
излучате
средоточенной
массой
ля,
благодаря
чему уменьшается
ско-
рость
СИ
изгибной
волны
И
длина
из
гибной
волны
ЛИ
при
заданной
частоте
10'
При
заданном значении
а
т
его
волновой
размер
(выраженный
в
ли)
увеличивается,
и
на
длине
а
т
может
уложиться
заметная
часть
изгибной
волны,
т. е.
появляются
усло
вия,
благоприятствующие
изгибным
колебаниям.
Если
а
т
~
л
и
/2,
то
это
соответствует
условию
резонанса
изгибных
колебаний
(для
диафрагмы
прямоугольной
формы)
и
амплитуда
изгибных
колебаний
будет
сущест
венно
превышать
амплитуду
продольных.
Увеличение
h'
приведет
к
умень
шению
амплитуды.
Этому
уменьшению
будет
также
способствовать
увели
чение
изгибной
жесткости.
Таким
образом,
следует
обеспечить
условия,
при
которых
собственная
частота
изгибных
колебаний
излучателя
была
бы
больше
частоты
вынужденных
колебаний:
lи>
1,5/0;
(35)
при
этом
обеспечивается
режим
излучения
плоской
волны.
Из
изложенно
го
ясно,
что
чем
больше
величина
а
m
,
тем
больше
должно
быть
h.
Более
точный
выбор
размеров
излучателя
должен
быть
сделан
с
учетом
опреде
ления
резонансных
значений
его
изгибных
колебаний
(при
выбранных
или
заданных
размерах
h
и
а
m
).
Такие
расчеты
могут
быть
выполнены
по
форму
лам,
приводимым
в
ряде
фундаментальных
источников
[7J.
Для
некоторой
ориентировки
можно
указать,
что
если
излучатель
представляет
собой
круглую
пластину,
возбуждаемую
в
центре
торцом
волновода,
то
для
обес-
печения
режима
плоской
волны
надо
выполнить
условия:
a~
-<
0,25;
а
h'
> 0,1.
:Кроме
того,
необходимо,
чтобы:
d
m
-<
(1,5 -;- 1,8),
где
d-
диаметр
выходного
торца
волновода.
Размеры
такого
излучателя,
удовлетворяющие'
предельным
условиям
a~
= 0,25;
h'
=
0,1,
мы
назовем
критическими.
При
размерах,
превыша
ющих
критические,
часть
энергии,
затраченная
на
образование
изгибных
колебаний,
уже
не
будет
пренебрежимо
малой,
так
как
излучатель
lJельзя
будет
рассматривать
как
поршневоЙ.
232
Следует,
однано,
иметь
n
виду, что
условие
a'-m
<:
0,25
относится
ТОЛЬRО
R
УRазанному
излучателю.
Если
излучатель
осуществлен
с
ЭRспоненциаль-
ным
переходом
(см.
следующий
параграф),
то
a'-m
<:
0,5.
Вопрос
о
том,
что
целесообразно
реаЛИЗ0вать
-
поршневой,
синфазный
излучатель
или
излучатель
несинфазных
изгибных
Rолебаний,-
в
Rаждом
случае
следует
рассматривать
особо.
При
этом
надо
учитывать
следующие
фаRТОРЫ:
а)
степень
необходимости
синфазного
излучения
ПЛОСRQЙ
волной;
б)
величину
потерь
в
несинфазном
излучателе;
в)
нерезонансный
(нан
правило)
режим
работы
излучателей
в
виде
диафрагм
и
понижение
вследствие
этого
эффеRТИВНОСТИ
работы
преобра
зователя;
г)
дополнительные
потери
в
месте
присоединения
излучателей,
изгиб
но
Rолеблющихся
R
преобраЗ0вателю.
Для
повышения
эффеRТИВНОСТИ
поршневого
излучателя
он
должен
помещаться
в
отражающем
ЭRране
(рис.
8),
т. е.
в
вырезе
ПЛОСRОСТИ,
свя
занной
с
технологичеСRОЙ
ванной.
Тан
нан
вводимая
в
среду
полная
мощ
ность
пропорциональна
излучающей
поверхности,
то
при
необходимости
введения
большой
мощности
ВО3НИRает-задача
создания
таRИХ
излучате
лей,
поверхность
ноторых
превышала
бы
RритичеСRУЮ.
В
этих
случаях
приходится
ОТRазываться
от
простых
излучателей
и
применять
более
сложные
RОНСТРУН:ЦИИ,
например
описываемые
далее
составные
излуча
тели.
§
~.
IIОРШIIeво:it
И3.JIучатеа1IЬ
с
~Rспоиеициа.JIЫIЫМ
переходом
ТаRОЙ
излучатель
[5]
представляет
собой
ШИРОRИЙ
торец
ЭRспонен
циального
нонцентратора,
связанного
своим
У3RИМ
торцом
С
волноводом
или
непосредственно
с
преобраЗ0вателем
(рис.
9).
ШИРОRИЙ
торец
И
нон
центратора
К
в
данном
случае
является
порш-
невым
излучателем,
RОТОРЫЙ
вводится
в
сосуд
А
с
обрабатываемой
ЖИДRОСТЬЮ;
уплотнение
осуществляется
фланцем
Ф,
жеСТRО
связанным
с
нонцентратором
в
узловой
ПЛОСRОСТИ
послед
него.
ЖИДRОСТЬ,
ПРОВИRающая
в
Rольцевой
за
зор
между
дном
и
ОRРУЖНОСТЬЮ
излучающего
торца,
попадает
в
сливную
намеру
с.
Длина
нонцентратора
зависит
от
величины
отношения
S
и/Sп,
где
SП
-
излучающая
поверхность
пре
обраЗ0вателя.
ПреобраЗ0ватель
П,
помещенный
в
баЧОR
Б
с
охлаждающей
водой,
вынесен
и
уда
лен
от
технологичеСRОЙ
ванны.
Диаметр
излу
чателя
а
т
может
быть
выбран
достаточно
большим:
а
т
<:
0,5.
Концентратор
должен
быть
/7
If
с
11
Рис.
9.
Поршневой
излу
чатель
с
экспоненциальным·
переХОдОll1
выполнен
И3
материала
с
малыми
аRустичеСRИМИ
потерями
(алюминий,
сплавы
алюминия
с
медью,
Rремнистое
железо
и
др.).
Излучатели
описанного
вида
успешно
применялись
нами
дЛЯ
ОЧИСТRИ
ультра3ВУRОМ
металличеСRИХ
ПОРОШRОВ.
РеЗ0нансная
частота
этих
излучателей
была
19,2·103
гц,
диаметр
излучающей
поверхности
со
ставлял
90-100
-М-М.
Они
изготавливались
И3
углеродистых
сталей.
§
3.
Составные
И3.JIучате.JIИ
Поршневой
излучатель
размерами
выше
RритичеСRИХ
может
быть
тоже
составной.
На
рис.
10
схематичеСRИ
ПОRазан
таRОЙ
излучатель
в
плане.
Излучатель
состоит
И3
четырех
отдельных
нвадратных
излучателей
N,
отделенных
друг
от
друга
У3RОЙ
щелью
шириной
Ь.
И
злучатели
помещаются
233·
г--
--
-
'8
вырезе
дна
-
экрана
Э.
Возбуждение
каждо
го
из
элементарных
излучателей
происходит
от
одного
преобразователя
через
крестообразный
Ll
разветвитель,
состоящий
из
волноводов
изгиб
ных
кол'ебаниЙ.
Более
полное
рассмотрение
такого
разветвителя
и
конструкции
излучателя
.--f--
E~O
-t-
J
приводится
в
части
V
настоящей
монографии.
,--.--
--
Если
предельный
размер
а
т
каждого
из
элемен
тарных
излучателей
выбрать
равным
критичес
t\OMY,
то
площадь
SИ
такого
излучателя
будет
в
четыре
раза
больше,
чем
для
единичного.
И
злучатель,
если
нужно,
можно
составить
из
n
Рис.
10.
Составной
излу-
элементарных
излучателей;
подобное
решение
'чатель
напоминает
мозаичный
излучатель,
применяю-
щийся
в
диапазоне
сотен
тысяч
герц
и
более.
Правда,
в
нем
элементарные
преобразователи
возбуждаются
распределе
нием
электрической
энергии
соответствующей
частоты.
Рассмотренный
нами
составной
излучатель,
работающий
в
более
низком
диапазоне
частот,
возбуждается
от
одного
преобразователя.
§
4.
ОХ8l'lатдаеиыll:
И3a1Iучатеa1IЬ
(ИЗoJlучатеoJlЬ
в
раСПoJlавы)
При
ультразвуковой
обработке
металлических
расплавов
с
целью
их
дегазации
или
воздействия
на
процесс
кристаллизации
возникают
различ
ного рода
разрушения
излучателя
(расплавление,
растворение,
эрозия).
П
рименение
системы
охлаждения
таких
излучателей
проточными
охладителями
(например,
водой)
не
должно
нарушать
,нормальной
работы
излучателя.
На
рис.
11
представлена
принципиальная
конструк
ция
одного
ия
вариантов
излучателя
с
--c==~
-;:::!:::з--
80iJa
искусственным
жидкостным
охлаждением.
4-
7
5
3
2
$
Излучатель
состоит
из
настроенного
волноводного
стержня
1,
связанного
с
источником
колебаний
(на
рисунке
не
по
казан),
и
цилиндрического
звена
2,
нижний
торец
которого
является
излучающим.
Звено
2
состоит
в
сп
ою
очередь
из
двух
отсеков:
нижний
3
содержит
охлаждаю
щую
камеру
5,
а
верхний
4
является
отра
жающим.
Если
выбрать
размеры
излуча
теля
так,
чтобы
l =
'}.../2
и
II
=
Ц2,
где
'}...
-
длина
продольной
волны
в
цилинд
рическом
звене
2,
то
вся
система
будет
настроена
в
резонанс
и
амплитуда смеще
ния
излучающей
поверхности
(нижний
торец
цилиндра
2)
будет
максимальной.
Стенка
6
совпадает
с
узловой
плоскостью;
Рис.
11.
Излучатель
с
жидко-
стным
охлаждением
поэтому
возможно
присоединить
к
отвер-
стиям
7
подводящие
охладитель
трубы
8
и
9,
не
нарушив
колебательный
режим.
Труба
8 -
входная,
а
9 -
сливная.
Толщина
()
цилиндрических
стенок
и
наружный
ДИ8.'\'Iетр
D
звена
2
выбира
ются
так,
чтобы
резонансные
частоты
радиальных
и
поперечных
колебаний
указанного
звена
достаточно
отличались
от
рабочей
частоты.
Для
обеспе
чения
этих
условий
необходимо
.f
p
">
1,5/0
и
I~
> 1,5/0,
23t.
где
jр=сj2б-
резонансная
частота
толщинных
колебаний;
IП=СI/л(D-б)
резонансная
частота
радиальных
колебаний;
С
-
скорость
распростране
ниЯ'
(в
неограниченной
среде);
С/
-
стержневая
скорость
упругих
коле
баний
в
материале
цилиндрической
насадки.
Такой
излучатель
на
ча
стоту
20
nelf
был
создан
авт'ором
и
испытан
при
излучении
в
воду
и
расплавы.
Если
температурно-агрессивная
среда
является
расплавом,
условия
работы
охлаждаемого
излучателя
осложняются.
Пусть
излучатель
погру
жен
на
некоторую
небольшую
(по
сравнению
С
его
высотой
1)
глубину
в
расплав.
Если
режим
охлаждения
выбран
таким,
что
температура
погру
женной
поверхности
излучателя
ниже
температуры
кристаллизации
рас
плава,
то
на
этой
поверхности
образуется
накристаллизовавшийся
слой
м:етаЛ.:Ia,
толщина
которого
Ь
зависит
от
степени
охлаждения.
При
недоста
точной
мощности
колебаний
возникшая
корка
металла
вследствие
не
плотного
прилегания
к
воздушной
прослойке
будет'
О'L'ражать
колебания
и
воспрепятствует
их
введению
в
расплав.
Однако
выбором
необходимой
мощности,
а
также
обеспечением
условий
смачивания
расплавом
поверх
ности
излучателя
(непродолжительной
его
обработкой
УJIьтразвуком
в
расплаве)
можно
устранить
образование
воздушной
прослойки.
Допустим,
что
толщина
Ь
=
Ь
К
такова,
что
слой
накристаллизовавшего
ся
металла
разрушается
под
воздействием
колебаний
излучающей
поверх
ности.
В
этом
случае
произойдет
акустический
контакт
расплава
с
излу
'чателем
без
разрушения
последнего,
так
кан
разрушаться
будет
норочка.
Назовем
такую
толщину
Ь
Н
предельной.
Если
степень
охлаждения
та
кова,
что
Ь
=
О,
то,
очевrщно,
произойдет
расплавление
или
эрозия
излу
чателя.
Накристаллизовавшийся
слой
увеличивает
масеу
излучателя,
находится
е
ним
в
контанте,
не
разрушается,
но
излучение
нолебаний
в
расплав
происходит
через
толщину
металла
Ь
и
•
При
этом
предполагается,
что
акустический
нонтант
между
поверхностью
излучателя
и
накристал
лизовавшимея
слоем
вознин
вследствие
металлизации
поверхности
излу
чателя
расплавом
под
дейетвием
ультразвуна.
Назовем
толщину
Ь
и
избыточной
толщиной.
Очевидно,
условия,
ногда
Ь
И
=
о
или
Ь
И
раетет,
недопустимы,
так
как
излучатель
либо
разрушается:
либо
(вследствие
значительной
величины
накристаллизовавшейся
массы
металла)
выходит
из
резонанса.
Поэтому
режим,
еоответствующий
посто
янной
толщине
Ьк
-
наилучший.
Однано
прантичесни
поддерживать
в
те
чение
достаточного
времени
Ь
К
постоянным
невозможно.
Поэтому
допу
~тим, что
Ь
Н
может
варьировать
в
пределах
bH.~min
<
Ь
Н
<
Ь
к
•
тан
которые
определяются
возможными
колебаниями
температуры,
в св
ою
очередь
завиеящей
от
степени
охлаждения
и
глубины
ПQгружения.
Таким
образом,
величина
Ь
к
•
min
должна
быть
таной,
чтобы
был
обеепечен
некото
рый
запас
прочности
излучателя,
гарантирующий
излучатель
от
разру
шения
(это
реализуетея
при
Ь
>
Ь
к
•
min).
С
другой
стороны,
тол
щина
накристаллизовавшегося
елоя
не
должна
превосходить
заданного
значения
Ь
к
.
тах,
при
нотором
заметно
нарушается
резонансная
чаетота
из
лучателя.
Таной
режим
может
быть
создан
непрерывным
изменением
глу
бины
погружения
излучателя.
При
нараетании
металла
излучатель
погру
жается
глубже
в
зону
с
более
выеокой
температурой, и
металл
частично
рае
плавляется.
При
раеплавлении
массы
металла
до
нижнего
допустимого
значения
толщины
слоя
глубина
погружения
уменьшаетея
и
толщина
на
кристаллизовавшегося
слоя
увеличивается.
При
таном
режиме
обеспечи
вается
постоянство
резонансной
частоты
волноводно-излучающей
системы.
Водоохлаждаемые
излучатели
с
переменным
погружением
в
расплав
в
ряде
.случаев
были
реализованы
и
испытаны
различными
авторами
(см.,
напри-
235
мер,
[9]).
Одна!\о
их
!\онстру!\ции,
отличные
от
описанной
выше
(рис.
11)t
не
обеспечивали
эффе!\тивного
излучения
в
расплавы.
Кроме
того,
пере
менное
погружение
осуществлялось
ручным
способом.
Последнее
обстоя
тельство
следует считать
серьезным
недостат!\ом,
та!\
!\а!\
эффе!\тивность
работы
та!\ого
излучателя
определяется
оптимальной
глубиноii
его
погру
жения,
соответствующей
значению
толщины
на!\ристаллизовавшегося
ме
талла
в
!\аждый
данный
момент.
Поддержание
оптимальной
глубины
возможно
толь!\о
в
автоматизированном
устройстве,
управляемом
датчи!\ом,
следящим
за
расстрой!\ой
системы.
На
рис.
12
схематичес!\и
представлено
устройство
автоматичес!\ого
вос
становления
резонансной
частоты
(эле!\тричес!\ая
часть
по!\азана
в
одно
линейном
изображении).
Описанный
выше
водоохлаждаемый
излучатель
1
образует
совместно
с
волноводом
продольных
!\олебаний
2
резонансную
/1
4 3
(j
7
!!
g
!tl
/8
Рис.
12.
Устройство
автоматического
восстановления
резо
нанспой
частоты
излучателя
в
расплаnы
систему.
Волновод
2
жест!\о
связан
с
!\онцом
настроенного
волновода
из
гибных
!\олебаний
3.
(Работа
та!\ого
волновода
подробно
рассматривается
в
части
v.)
Волновод
3
в
своей
узловой
плос!\ости
у!\реплен
опорой
без
защемления
4,
!\оторая
в
свою
очередь
связана
с
опорным
што!\ом
12
гидропривода.
С
другим
!\онцом
изгибного
волновода
3
жест!\о
связан
торец
!\онцентратора
5,
!\оторый
возбуждается
преобразователем
6,
нахо
дящимся
в
бач!\е
охлаждения
7.
В
бачке
установлены
направляющие
стойки
8,
ПО
которым
скользят
ползуны
9,
закрепленные
на
узловых
пла
стинах,
проходящих
через
узловые
плос!\ости
концентратора
5
и
преобра
зователя
6.
Излучатель
1
погружается
в
!\ристаллизатор
10
(или
ка!\ой
либо
другой
сосуд),
содержащий
расплав
11.
Поршень
13
штока
12
движет
ся
в
цилиндре
14.
Четырехходовой
распределительный
!\лапан
с
электро
приводом
15
связан
гидравличес!\и
с
верхними
и
нижними
отсеками
ци
линдра
14
и
питается
от
водомагистрали
16.
Электропривод
распредели
тельного
!\лапана
электрически
связан
с
блоком
реле
17,
!\оторый
в
свою
очередь
управляется
инди!\атором-датчи!\ом
расстрой!\и
18
[8]
ультразвуко
вой
волноводной
системы
через
!\онтакты
а
и
Ь
сигналов
расстройки.
Та!\ой
индикатор
представляет
собой
небольшое
!\ольцо,
связанное
силами
тре
ния
с
поверхностью
волновода
2,
на
который
это
!\ольцо
насажено.
Когда
в
волноводе
устанавливается
стоячая
волна,
!\ольцо
занимает
положение,
соответствующее
узловой
плос!\ости
волновода
[6].
При
изменении
поло
жения
этой
плос!\ости
действующие
колебательные
силы
трени
я
смещают
RОЛЬЦО
в
устойчивое
положение,
т.
е.
в
узловую
плос!\ость
1
.
1
Система
слежения
за
положением
узловой
плоскости
волноводной
системы
при
ее
раССТРОЙI\е
была
праНТIIчеСЮI
отработана
совместно
с
ю.
С.
Руденко.
236
Пусть
излучающая
поверхность
излучателя
1
погружена
в
расплав
на
некоторую
глубину
относительно
уровня
19
зеркала
металла.
Индикатор
датчик
18
при
условии
настройки
рабочей
частоты
в
резонанс
с
частотой
системы
1-2
находится
в
положении
покоя,
совпадающем
с
узловой
плос
костью
волновода
2,
и
не
касается
контактов
а и
Ь.
Если
масса
кристалли
зующегося
на
излучателе
металла
увеличивается,
то
его
резонансная
частота
уменьшается,
положение
узловой
плоскости
перемещается;
ипдикатор-датчик,
следя
за
положением
узловой
плоскости,
смещается
вслед
за
ней
и
замыкает
один
из
контактов,
например,
а.
При
этом
в
блок
реле
17
будет
послан
сигнал
расстройки,
который
вызовет
срабатывание
соответствующего
реле,
управляющего
электроприводом
четырехходового
распределительного
клапана
15.
В
соответствии
с
сигналом
расстройки
для
рассматриваемой
позиции
вода
из
магистрали
16
будет
подана
в
верх
ний
отсек
цилиндр~
14,
и
подвижная
часть
12-13
исполнительного
меха
низма
опустит
волновод
3
вместе
с
излучателем,
преобразователем
и
кон
центратором.
Глубина
погружения
возрастет,
часть
металла
на
излуча
теле
расплавится
и
резонансная
частота
последнего
повысится.
'Узловая
плоскость
волновода
2
сдвинется
в
обратном
направлении
и
индикатор
датчик
переместится
в
сторону
своего
первоначального
положения.
Кон
такт
а
приj
этом
разомкнется
и
гидропривод
выключится.
Если
затем
расплавление
металла,
накристаллизовавшегося
на
излучателе,
достигнет
значения,
при
котором
толщина
оставшегося
слоя
будет
приближаться
к
минимально
допустимой,
то
резонансная
частота
излучателя
станет
боль
ше
рабочей
частоты
и
индикатор-датчик
сдвинется
вслед
за
узловой
плос
костью
в
направлении
к
контакту
Ь.
После
замыкания
контакта
возникнет
сигнал,
в
результате
которого
будет
подана
вода
в
нижний
отсек
цилиндра
14
и
гидропривод
поднимет
всю
колебательную
систему
вместе
с
излучате
лем.
Условия
теплового
равновесия
на
его
поверхности
при
этом
изменятся,
и
масса
накристаллизовавшегося
металла
начнет
увеличиваться,
пока
не
достигнет
максимально
допустимой
величины,
после
чего
процесс
по
вторится.
Рабочая
частота,
т. е.
частота
возбуждения
(генератора),
остается
неиз
менной.
Выбор
исполнительной
части
механизма
подъема
и
опускания
ко
лебательной
системы
не
принципиальный
и
может
быть
заменен,
например,
электромеханическим
приводом.
§
5.
Введение
ВОoJlеrJапиll:
череа
выдеoJlенную
ак
У'Сl'вч:еСRИ
проарачную
часть
стенвв
сосуда.
В
ряде
случаев
бывает
необходимо
ввести
ультразвуковые
колебания
в
жидкие
температурно-
или
химически
агрессивные
среды,
не
применяя
специальных
излучателей.
Передача
колебаний
через
стенку
технологи
ческой
ванны
затруднена
тем,
что
присоединение
к
этой
стенке
возбуждаю
щего
преобразователя
или
волновода
вызывает
рассеяние
колебательной
энергии
во
всей
возбуждаемой
стенке
и
в
связанных
с
ней
элементах
кон
струкции
ванны.
В
результате
эффективность
передачи
колебаний
че
рез
стенку
оказывается
чрезвычайно
низкой
(за
исключением
частных
редко
встречающихся
случаев
передачи
энергии
через
очень
тонкие
стенки
небольшой
поверхности).
Для
эф:Рективной
передачи
колебаний
через
стенку
(или
дно)
ванны
нужно
возбуждать
изгибные
колебания
в
некотором
участке
резонансных
размеров,
ограниченном
специальным
изолирующим
контуром,
совпадаю
щим
с
замкнутой
узловой
линией
первого
порядка.
Таким
образом,
коле
бания
не
распространяются
и
не
рассеиваются
вне
контура
(т.
е.
в
осталь
ной
части
конструкции
ванны),
и
участок
оказывается
акустически
выде
ленным
и
прозрачным.
237
Таблица
2
Значения
собственных
чисеJI
k
n=о
n=1
n=2
n=о
n=1
n=2
--
--
--
rx.
I
rx.
I
8=0
В=
1 s =
О
8=0
S
=0
S = 1
8=0
S =
О
0,00
4,95
8,00
5,20 5,90
0,20
6,0
9,85
6,05
I
6,35
0,05
5,00
8,30
5,30
5,95
0,25
6,5 6,5
6,80
0,10
5,20
8,75
5,40
6,00
0,30
6,95
7,~
7,2
0,15
5,70
9,25
5,ЕО
6,20
I
Собственные
(резонансные)
частоты
выделенной
в
виде
нруга
части
стенни
(рис.
13)
можно
определить
[7]
из
выражения
lf~
у-----п
(j)
-
-----
--
•
-
(а
-
r)2
pd 1 '
(36)
d
3
вдесь
р
-
плотность
материала
стенки;
D = 1
цилиндриче-
12(1-а
2
)
сная
жестность
на
изгиб;
Е -
модуль
Юнга;
()
-
ноэффициент
Пуассона;
k -
собственное
число
(нор
ень
частотного
уравнения).
3
2
Рис.
13.
Введение
колебаний
черев
выделенную
аRустически
проврачную
часть
стеНRИ сосуда
Значения
k
(в
ненотором
приближении)
приведены
в
табл.
2
в
зависи
мости
от
отношения
а
= r/a - r
для
различных
значений
n -
числа
узловых
диаметров
и
s -
числа
узловых
онружностей
(нонтуров).
В
общем
случае
оба
эти
типа
нолебаний
могут
существовать
одновременно.
При
расчете
и
использовании
табл.
2
необходимо
учесть,
что
в
s
не
входит
узловая
онружность
по
защемленному
нонтуру
.
Очевидно,
зна
чения
r
и
а
следует
выбирать
тан,
чтобы
резонансная
частота
выделен
ного
участна
равнялась
частоте
возбуждающей
силы
..
238
На
рис.
13
показан
вариант
излучающего
выделенного;
участка
2~
ограниченного
цилиндрическим
контуром
3.
Выделенный
участок
1
в
цен
тре
возбуждается
концентратором
4,
связанным
с
преобразователем
(не·
показан).
Высота
l
цилиндрического
кольца
3,
жестко
связанного
со
стен-
и
б
и
l
л'1
'1
и
кои,
вы
ирается
равнои
=
Т,
где
""1 -
длина
продольнои
волны
в
стенке
цилиндра.
Радиус
а,
как
уже
было
указано,
выбирается
с
таким
расчетом,
чтобы
при
заданной
частоте
возбуждения
на
границе
участка
2'
была
одна
из
узловых
окружностей.
При
возбуждении изгибных
колебаний
в
участке
2
для
поперечных
перемещений
стенки
в
кольцевом
сечении,
жестко
связанном
с
цилиндром,
создается
высокое
входное
сопротивление
для
колебательной
перерезы
вающей
силы
F[1]:
(37)
где
w -
удельное
волновое
сопротивление
материала
цилиндра;
S -
пло
щадь
его
поперечного
(кольцевого
сечения);
~
-
показатель
затухания
материала
на
данной
частоте.
При
~
~
о
величинаZF
-+
00.
Большое
значение
ZF
необходимо
потому,
что
вследствие
потерь
в
материале
выделенного
участка
и
потерь
на
излуче
ние
амплитуда колебаний
на
узловой
окружности
практически
отлична
от
нуля.
Повороту
кольцевого
сечения
препятствует
большая
жесткость
цилиндра,
и
в
рассматриваемом
сечении
создается
высокое
входное
со
противление
ZM
дЛЯ
изгибающего
момента.
Таким
образом,
наличие
двух
составляющих
входного
сопротивления
ZF
и
Z:И
дЛЯ
изгибных
колебаний
приводит
к
тому, что
угол
поворота
и
величина
прогиба
на
контуре
оказы
ваются
очень
малы.
Цилиндрический
контур
является
отражающим,
и
в
остальной
части
конструкции
ванны
энергия
не
распространяется
и
не
рассеивается.
Так
как
участок
2
колеблется
в
резонансе
с
возбуждаю
щей
частотой,
то
достигается
эффективная
передача
колебательной
энергии
через
выделенную
акустически
прозрачную
часть
стенки
технологической
ванны.
Практически
отражающий
цилиндрический
контур
приваривается
(по
всей
поверхности
своего
торца)
к
пластине
(стенке).
Материал
контура·
выбирается
с
возможно
меньшими
акустическими
потерями.
Описанный
способ
введения
колебаний
был
нами
осуществлен и
испытан
совместно,
с
г.
и.
Эскиным.
В
одном
случае
стенка
ванны,
заполненной
водой,
имела
толщину
5
мм,
а в
другом
- 8
мм.
Цилиндрический
контур,
приваренный
к
стенке,
достаточно
хорошо
изолировал
часть
стенки,
через
которую
про,..
исходило
интенсивное
излучение
на
частоте
около
20
кгц.
Глава
5
АКУСТИЧЕСКИЕ
РАЗВЯЗКИ
Метод
введения'
колебаний~
в
жидкие
среды
через
выделенный
акусти
чески
прозрачный
участок
стенки представляет
собой
один
из
примеров
акустической
развязки
или изолирующего
устройства.
Ниже
мы
приводим'
некоторые
другие
примеры
развязывающих
устройств.
239·
§ 1..
Двухавенная
уа.JIовая
раавяака
Двухзвенная
узловая
развязка
схематически
показана
на
рис.
14.
Волновод
1
жестко
связан
с
диском
2,
находящимся
в
узловой
плоскости
волновода.
Диск
2
представляет
собой
дно
цилиндра
3,
размеры
которого
выбираются
так,
чтобы
на
его
длине
l
уложилась
половина
длины
волны
продольных
колебаний
в
этом
цилиндре,
т. е.
l
:=
Л/2.
:к
узловой
плоско
сти
цилиндра
3
жестко
прикреплено
кольцо
4,
присоединенное
к
опорным
элементам
5.
Так
как
другой
конец
цилиндра
3
не
нагружен,
то
в
узловой
плоскости
цилиндра
3
колебания
практически
равны
нулю
даже
в
том
случае,
если
диск
2
колеблется
под
действием
бегущей
волны
в
волно
воде
1.
Следовательно,
присоединение
диска
к
опоре
не
приведет
к
рассея
нию
энергии
через
устройство
креп
ления.
Отсюда
ясно,
что
такое
устройст
во
может
применяться
и
тогда,
когда
г
8
~~~~~~~f-
3
?
(j
,
s
Рис.
14.
Двухзвенна.fl
узловая
развязна
Рис.
15.
Развязна
с
ограничиваю
..
ЩИМ
контуром
диск
2
присоединен
к
волноводу
1
не
в
его
узловой
плоскости.
Для
эф
фективной
работы
узловой
развязки
(крепления)
необходимо
выбирать
материал
цилиндра
3
с
малыми
потерями.
Такая
развязка
с
успехом
была
применена
нами
при
введении
волновода
с
излучателем
в
дугГ'чую
вакуум
ную
печь.
§
2.
Раавяака
с
Оl'раПИ'lивающии
контуром
Эта
развязка
может
быть
применена,
например,
при
введении
из
лучателя
в
объем,
изолированный
от
внешней
среды.
При
этом
ис
пользуется
принцип
акустически
выделенного
участка
дна
(см.
выше).
На
рис.
15
показан
вариант
такого
устройства
с
введением
колебаний
в
вакуумную
полость
при
обработке
расплавов.
Волноводно-излучающая
система
состоит
из
концентратора
1
и
волновода
2
с
излучающей
надстав
"кой
3.
В
баке
4
через
отсосный
патрубок
9
поддерживается
вакуум.
Выде-
24:0