Ультразвуковой звуковой сигнал
Ультразвуковой рупор (также известный как акустический рупор , сонотрод , акустический волновод , ультразвуковой зонд ) представляет собой сужающийся металлический стержень, обычно используемый для увеличения амплитуды смещения колебаний, обеспечиваемой ультразвуковым преобразователем , работающим на нижнем конце ультразвукового частотного спектра (обычно между 15 и 100 кГц). Устройство необходимо, поскольку амплитуды, обеспечиваемые самими преобразователями, недостаточны для большинства практических применений мощного ультразвука . [2] Другая функция ультразвукового излучателя — эффективная передача акустической энергии от ультразвукового преобразователя в обрабатываемую среду. [3] которые могут быть твердыми (например, при ультразвуковой сварке , ультразвуковой резке или ультразвуковой пайке ) или жидкими (например, при ультразвуковой гомогенизации , сонохимии , измельчении , эмульгировании , распылении или разрушении клеток ). [1] Ультразвуковая обработка жидкостей основана на мощных сдвиговых силах и экстремальных местных условиях (температура до 5000 К и давление до 1000 атм), создаваемых акустической кавитацией . [2]
Описание
[ редактировать ]Ультразвуковой рупор обычно представляет собой цельный металлический стержень с круглым поперечным сечением и продольным сечением переменной формы - стержневой рупор. К другой группе относятся блочные рупоры, имеющие большое прямоугольное поперечное сечение и продольное сечение переменной формы, а также более сложные составные рупоры. [4] Устройства этой группы используются с твердыми обработанными средами. Длина устройства должна быть такой, чтобы возник механический резонанс на желаемой рабочей ультразвуковой частоте - одной или нескольких полуволнах ультразвука в материале рупора, с учетом зависимости скорости звука от поперечного сечения рупора. В обычной сборке ультразвуковой рупор жестко соединен с ультразвуковым преобразователем с помощью резьбовой шпильки.
Ультразвуковые рупоры можно классифицировать по следующим основным признакам: 1) Форма продольного сечения – ступенчатая, экспоненциальная, коническая, катеноидальная и т.п. 2) Форма поперечного сечения – круглая, прямоугольная и т.п. 3) Число элементов с различными Профиль продольного сечения – обычный и составной. [3] [5] Составной ультразвуковой рупор имеет переходную секцию определенной формы продольного сечения (нецилиндрическую), расположенную между цилиндрическими секциями.
Часто ультразвуковой рупор имеет переходную часть с профилем продольного сечения, сходящимся к выходному концу. Таким образом, амплитуда продольных колебаний рупора увеличивается к выходному концу, а площадь его поперечного сечения уменьшается. [6] Ультразвуковые рупоры этого типа используются в основном в составе различных ультразвуковых инструментов для ультразвуковой сварки , ультразвуковой пайки , резки, изготовления хирургических инструментов, обработки расплавленного металла и т. д. Сходящиеся ультразвуковые рупоры также обычно включаются в лабораторные процессоры для обработки жидкостей, используемые для различных процессов. исследования, в том числе сонохимические , эмульгирующие , диспергирующие и многие другие. [7]
В мощных промышленных ультразвуковых жидкостных процессорах [8] например, коммерческие сонохимические реакторы, ультразвуковые гомогенизаторы и системы ультразвукового измельчения, предназначенные для обработки больших объемов жидкостей при высоких ультразвуковых амплитудах (ультразвуковое смешивание, производство наноэмульсий, диспергирование твердых частиц, ультразвуковая нанокристаллизация и т. д.), предпочтительным типом ультразвукового рупора является Рог для штанги. [7] Рупоры-штанги способны усиливать ультразвуковые амплитуды, сохраняя при этом большой выходной диаметр и площадь излучения. Таким образом, можно напрямую воспроизвести лабораторные исследования по оптимизации в коммерческой производственной среде, переключившись с конвергентных рупоров на штанговые рупоры, сохраняя при этом высокие ультразвуковые амплитуды. При правильном масштабировании процессы дают такие же воспроизводимые результаты на заводе, как и в лаборатории. [7]
Максимально достижимая амплитуда ультразвука зависит, прежде всего, от свойств материала, из которого изготовлен ультразвуковой рупор, а также от формы его продольного сечения. Обычно рупоры изготавливаются из титановых сплавов , таких как Ti6Al4V, нержавеющей стали , например 440C, а иногда и из алюминиевых сплавов или порошковых металлов. Наиболее распространенными и простыми в изготовлении формами переходного сечения являются коническая и катеноидальная формы .
Приложения
[ редактировать ]Пластмассы
[ редактировать ]Потребительские товары, автомобильные компоненты, медицинское оборудование и почти все отрасли промышленности используют ультразвук. Металлические вставки можно закрепить в пластике, а разнородные материалы часто можно склеить с помощью инструментов соответствующей конструкции. Ультразвуковые рупоры бывают самых разных форм и конструкций, но все они должны быть настроены на определенную рабочую частоту; наиболее распространенными являются 15 кГц, 20 кГц и 40 кГц.
Ультразвуковая сварка использует высокочастотное вертикальное движение для производства тепла и потока термопластического материала на границе сопрягаемых деталей. Давление поддерживается после прекращения подачи энергии, чтобы обеспечить повторное затвердевание переплетенного пластика в месте соединения, скрепляя детали гомогенным или механическим соединением. Этот процесс предлагает экологически безопасные способы сборки в отличие от обычных клеев или механических креплений. [9]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Веб-сайт Industrial Sonomechanics, 2011 г.
- ^ Перейти обратно: а б Пешковский С.Л., Пешковский А.С. «Ударно-волновая модель акустической кавитации», Ультрасон. Сонохим., 2008. 15: с. 618–628.
- ^ Перейти обратно: а б Пешковский С.Л. и Пешковский А.С. «Согласование преобразователя с водой в условиях кавитации: принципы проектирования акустического рупора», Ultrason. Сонохим., 2007. 14: с. 314–322.
- ^ Веб-сайт Sonic Power
- ^ Абрамов О.В., «Высокоинтенсивный ультразвук: теория и промышленное применение», 1999: CRC Press. 692.
- ^ «Конструкции и свойства ультразвукового рупора», веб-сайт Industrial Sonomechanics, 2011 г.
- ^ Перейти обратно: а б с «Ультразвуковая технология Barbell Horn», веб-сайт Industrial Sonomechanics, 2011 г.
- ^ «Ультразвуковые жидкостные процессорные системы», веб-сайт Industrial Sonomechanics, 2011 г.
- ^ «Ультразвук», ToolTex.com, 2013.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Ти Джей Мейсон; Дж. Филип Лоример (2002). Прикладная сонохимия: использование мощного ультразвука в химии и обработке . Вайли-ВЧ. ISBN 3-527-30205-0 .
- Ятиш Т. Шах; АБ Пандит; В. С. Мохолкар (1999). Реакция кавитации . Спрингер. ISBN 0-306-46141-2 .