Installations à ultrasons de laboratoire. Types et conceptions d'installations de traitement par ultrasons. Utilisation technologique de l'inspection par ultrasons

L'article décrit la conception de l'installation à ultrasons la plus simple conçue pour démontrer des expériences avec des ultrasons. L'installation se compose d'un générateur de vibrations ultrasonores, d'un émetteur, d'un dispositif de focalisation et de plusieurs dispositifs d'assistance, permettant de démontrer diverses expériences qui expliquent les propriétés et les méthodes d'application des vibrations ultrasonores.

A l'aide de l'installation ultrasonore la plus simple, il est possible de montrer la propagation des ultrasons dans divers milieux, la réflexion et la réfraction des ultrasons à l'interface de deux milieux, l'absorption des ultrasons dans diverses substances. De plus, il est possible de montrer la production d'émulsions d'huile, le nettoyage de pièces contaminées, le soudage par ultrasons, la fontaine de liquide à ultrasons, les effets biologiques des vibrations ultrasonores.

La fabrication d'une telle installation peut être réalisée dans les ateliers scolaires par les efforts des élèves de terminale.

L'installation pour démontrer des expériences avec des ultrasons se compose d'un générateur électronique (Fig. 1), d'un transducteur à quartz de vibrations électriques en vibrations ultrasonores et d'un récipient à lentille (Fig. 2) pour focaliser les ultrasons. L'alimentation ne comprend que le transformateur de puissance Tr1, car les circuits anodiques des lampes du générateur sont alimentés directement en courant alternatif (sans redresseur). Cette simplification ne nuit pas au fonctionnement du dispositif et, en même temps, simplifie considérablement son circuit et sa conception.

Le générateur électronique est réalisé selon un circuit push-pull sur deux lampes 6PZS, connectées selon un circuit triode (les grilles écrans des lampes sont reliées aux anodes). Le circuit L1C2 est inclus dans les circuits anodiques des lampes, qui détermine la fréquence des oscillations générées, et la bobine est incluse dans les circuits de grille. retour d'information L2. Une petite résistance R1 est incluse dans les circuits cathodiques, ce qui détermine en grande partie le mode des lampes.

Fig. 1. Diagramme schématique Générateur

Le signal haute fréquence est transmis à un résonateur à quartz via les condensateurs de blocage C4 et C5. Le quartz est placé dans un support de quartz scellé (Fig. 2) et connecté au générateur avec des fils de 1 m.

Riz. 2. Récipient d'objectif et support de quartz

En plus des détails considérés, il existe également des condensateurs C1 et C3 dans le circuit ainsi qu'une self Dr1 à travers laquelle une tension d'anode est fournie aux anodes des lampes. Cette self empêche le court-circuit du signal haute fréquence à travers le condensateur C1 et la capacité interspires du transformateur de puissance.

Les principales pièces artisanales du générateur sont les bobines L1 et L2, réalisées sous la forme de spirales plates. Pour les réaliser, vous devez découper un gabarit en bois. Deux carrés sont découpés dans une planche de 25 cm de large, qui servent de joues au gabarit. Au centre de chaque joue, des trous doivent être percés pour une tige métallique d'un diamètre de 10 à 15 mm, et dans l'une des joues, découpez un trou ou une rainure de 3 mm de large pour attacher le fil de la bobine. Un fil est coupé sur une tige métallique à ses deux extrémités et des joues sont placées entre deux écrous à une distance égale au diamètre du fil enroulé. Sur ce, la fabrication du gabarit peut être considérée comme terminée et commencer à enrouler les bobines.

La tige métallique est serrée à une extrémité dans un étau, la première bobine de fil (intérieure) est posée entre les joues, après quoi les écrous sont serrés et l'enroulement se poursuit. La bobine L1 a 16 tours et la bobine L2 a 12 tours de fil de cuivre d'un diamètre de 3 mm. Les bobines L1 et L2 sont réalisées séparément, puis elles sont placées l'une au-dessus de l'autre sur une traverse en textolite ou en plastique (Fig. 3). Afin de donner plus de solidité aux bobines, des évidements sont découpés dans les traverses avec une scie à métaux ou une lime. Pour fixer les bobines, l'une d'elles doit être enfoncée par le haut avec la deuxième croix (sans empreintes), et la seconde doit être placée directement sur la plaque de verre organique, getinax ou plastique, montés sur le châssis métallique du générateur.

Riz. 3

La self haute fréquence est enroulée sur un cadre en céramique ou en plastique d'un diamètre de 30 mm avec du fil PELSHO-0,25 mm. Le bobinage est réalisé en vrac par tronçons de 100 tours chacun. Au total, le starter a 300-500 tours. Dans cette conception, un transformateur de puissance fait maison est utilisé, fabriqué sur un noyau composé de plaques Sh-33, l'épaisseur de l'ensemble est de 33 mm. L'enroulement secteur contient 544 tours de fil PEL-0,45. L'enroulement secteur est conçu pour être connecté à un réseau avec une tension de 127 V. Dans le cas d'un réseau avec une tension de 220 V, l'enroulement I doit contenir 944 spires de fil PEL-0,35. L'enroulement élévateur a 2980 tours de fil PEL-0,14 et l'enroulement filamentaire des lampes - 30 tours de fil PEL-1.0. Un tel transformateur peut être remplacé par un transformateur de puissance de la marque ELS-2, en utilisant uniquement l'enroulement secteur, l'enroulement filamentaire des lampes et l'enroulement élévateur complètement, ou tout transformateur de puissance d'une capacité d'au moins 70 VA et avec un enroulement élévateur, fournissant une charge de 470 V sur les anodes des lampes 6ПЗС.

Le support de quartz est en bronze selon le dessin de la Fig. 4. Un trou en forme de L est percé dans le corps à l'aide d'une perceuse d'un diamètre de 3 mm pour faire sortir le fil L. Un anneau en caoutchouc e est inséré dans le corps, qui sert à absorber les chocs et à isoler le quartz. La bague peut être découpée dans une gomme à crayon ordinaire. La bague collectrice b est découpée dans une feuille de laiton de 0,2 mm d'épaisseur. Cette bague a une cosse pour souder le fil. Les deux fils et et doivent avoir une bonne isolation. Le fil est également soudé à la bride support O. Il est déconseillé de torsader les fils entre eux.

Figure 4. Support à quartz

Le vaisseau cristallin se compose d'un cylindre e et d'une lentille ultrasonore b (Fig. 5). Le cylindre est plié à partir d'une plaque de plexiglas de 3 mm d'épaisseur sur un gabarit rond en bois de 19 mm de diamètre.

Figure 5. Navire d'objectif

La plaque est chauffée sur une flamme jusqu'à ce qu'elle soit ramollie, pliée en un motif et collée avec de l'essence de vinaigre. Le cylindre collé est noué avec des fils et laissé à sécher pendant deux heures. Après cela, les extrémités du cylindre sont nivelées avec du papier émeri et les fils sont retirés. Pour fabriquer une lentille à ultrasons b, vous devez fabriquer un dispositif spécial (Fig. 6) à partir d'une bille d'acier d'un diamètre de 18 à 22 mm à partir d'un roulement à billes. La boule doit être recuite en la chauffant au rouge et en la refroidissant lentement. Après cela, un trou d'un diamètre de 6 mm est percé dans la boule et un filetage interne est coupé. Pour fixer cette bille dans le mandrin de la perceuse, une tige avec un filetage à une extrémité doit être constituée d'une tige.

Figure 6. Adaptation

Une tige avec une bille vissée est serrée dans le mandrin de la machine, la machine est allumée à vitesse moyenne et, en pressant la bille dans une plaque de plexiglas de 10-12 mm d'épaisseur, l'évidement sphérique requis est obtenu. Lorsque la balle s'enfonce d'une distance égale à son rayon, Perceuseéteignez et, sans arrêter la pression sur la balle, refroidissez-la avec de l'eau. En conséquence, une dépression sphérique de la lentille ultrasonore est obtenue dans la plaque de verre organique. Un carré de 36 mm de côté est découpé dans une plaque avec un évidement avec une scie à métaux, la saillie annulaire formée autour de l'évidement est nivelée avec du papier émeri à grain fin et la plaque est meulée par le bas de sorte qu'un fond de 0,2 mm épais reste au centre de l'évidement. Ensuite, les endroits grattés avec du papier de verre sont poncés à la transparence et sur tour couper les coins de manière à ce que l'évidement sphérique reste au centre de la plaque. Sur la face inférieure de la plaque, il est nécessaire de faire une saillie d'une hauteur de 3 mm et d'un diamètre de 23,8 mm pour centrer la lentille sur le support quartz.

Après avoir abondamment humidifié l'une des extrémités du cylindre avec de l'essence de vinaigre ou du dichloroéthane, il est collé à la lentille ultrasonore de sorte que l'axe central du cylindre coïncide avec l'axe passant par le centre de la lentille. Après séchage dans un récipient collé, trois trous sont percés pour les vis de réglage. Il est préférable de faire tourner ces vis avec un tournevis spécial en fil ordinaire de 10-12 cm de long et de 1,5-2 mm de diamètre et équipé d'un manche en matériau isolant. Après la fabrication de ces pièces et l'installation du générateur, vous pouvez commencer à configurer l'appareil, ce qui revient généralement à régler le circuit L1C2 en résonance avec la fréquence naturelle du quartz. La plaque de quartz de (Fig. 4) doit être lavée avec du savon à l'eau courante et séchée. La bague de contact b est nettoyée par le haut pour un brillant. Placez délicatement une plaque de quartz sur la bague collectrice et, en versant quelques gouttes d'huile de transformateur sur les bords de la plaque, vissez le couvercle d de manière à ce qu'il appuie sur la plaque de quartz. Pour indiquer les vibrations ultrasoniques, les évidements a et d sur le couvercle sont remplis d'huile de transformateur ou de kérosène. Après la mise sous tension et une minute de préchauffage, tournez le bouton de réglage et obtenez une résonance entre les oscillations du générateur à plaque de quartz. Au moment de la résonance, on observe le gonflement maximal du liquide versé dans l'évidement du couvercle. Après avoir configuré le générateur, vous pouvez commencer à faire la démonstration des expériences.

Conception de générateur.

L'une des démonstrations les plus efficaces est la création d'une fontaine de liquide sous l'influence de vibrations ultrasonores. Afin d'obtenir une fontaine de liquide, il est nécessaire de placer le récipient "lentille" sur le support de quartz afin qu'aucune accumulation de bulles d'air ne se forme entre le fond du récipient "lentille" et la plaque de quartz. Ensuite, vous devez verser de l'eau potable ordinaire dans le récipient de l'objectif et une minute après avoir allumé le générateur, un fontaine à ultrasons... La hauteur de la fontaine peut être modifiée à l'aide des vis de réglage, après avoir préalablement réglé le générateur à l'aide du condensateur C2. À réglage correct de l'ensemble du système, vous pouvez obtenir une fontaine à eau d'une hauteur de 30 à 40 cm (Fig. 7).

Fig. 7. Fontaine à ultrasons.

Simultanément à l'apparition de la fontaine, un brouillard d'eau se forme, qui est le résultat d'un processus de cavitation, accompagné d'un sifflement caractéristique. Si de l'huile de transformateur est versée dans le récipient "lentille" au lieu de l'eau, la hauteur de la fontaine augmentera sensiblement. L'observation continue de la fontaine peut être effectuée jusqu'à ce que le niveau de liquide dans le récipient "lentille" descende à 20 mm. Pour une observation à long terme de la fontaine, celle-ci doit être protégée par un tube en verre B, le long des parois intérieures duquel le liquide jaillissant peut refluer.

Lorsque des vibrations ultrasonores sont appliquées à un liquide, des bulles microscopiques s'y forment (phénomène de cavitation), ce qui s'accompagne d'une augmentation significative de la pression au site de formation des bulles. Ce phénomène conduit à la destruction de particules de matière ou d'organismes vivants dans le liquide. Si vous placez un petit poisson ou une daphnie "dans une lentille" avec de l'eau, ils mourront après 1 à 2 minutes d'irradiation par ultrasons. La projection du vaisseau « lentille » avec de l'eau sur l'écran permet d'observer en séquence tous les processus de cette expérience auprès d'un large public (Fig. 8).

Figure 8. Action biologique des vibrations ultrasonores.

En utilisant le dispositif décrit, il est possible de démontrer l'utilisation des ultrasons pour nettoyer les petites pièces de la contamination. Pour ce faire, une petite pièce (un rouage d'horloge, une pièce de métal, etc.), abondamment graissée de graisse, est placée dans le fond de la fontaine de liquide. La fontaine va diminuer de manière significative et peut s'arrêter complètement, mais la partie contaminée est progressivement nettoyée. Il est à noter que le nettoyage de pièces aux ultrasons nécessite l'utilisation de générateurs plus puissants, par conséquent, il est impossible de nettoyer toute la pièce contaminée en peu de temps et il faut se limiter au nettoyage de quelques dents seulement.

En utilisant le phénomène de cavitation, une émulsion d'huile peut être obtenue. Pour cela, de l'eau est versée dans le récipient "lentille" et un peu d'huile de transformateur est ajoutée par le haut. Pour éviter d'éclabousser l'émulsion, couvrez le récipient de la lentille avec le contenu avec du verre. Lorsque le générateur est allumé, une fontaine d'eau et d'huile se forme. Après 1-2 minutes. irradiation, une émulsion laiteuse stable se forme dans le récipient de la lentille.

On sait que la propagation des vibrations ultrasonores dans l'eau peut être rendue visible et démontrer clairement certaines des propriétés des ultrasons. Cela nécessite une baignoire avec un fond transparent et plat et aussi grande que possible, avec une hauteur latérale d'au moins 5-6 cm.La baignoire est placée au-dessus du trou de la table de démonstration afin que tout le fond transparent puisse être éclairé par le bas . Pour l'éclairage, il est bon d'utiliser une ampoule de voiture de six volts comme source lumineuse ponctuelle pour projeter les processus à l'étude sur le plafond du public (Fig. 9).

9. Réfraction et réflexion des ondes ultrasonores.

Vous pouvez également utiliser une ampoule ordinaire de faible puissance. De l'eau est versée dans le bain de sorte que la plaque de quartz dans le support de quartz, lorsqu'elle est placée verticalement, y soit complètement immergée. Après cela, vous pouvez allumer le générateur et, en déplaçant le support à quartz d'une position verticale à une position inclinée, observer la propagation d'un faisceau ultrasonore dans une projection sur le plafond de l'auditorium. Dans ce cas, le support en quartz peut être maintenu par les fils l et c qui lui sont connectés, ou il peut être préfixé dans un support spécial, avec lequel vous pouvez modifier en douceur les angles d'incidence du faisceau ultrasonore dans le sens vertical et plans horizontaux, respectivement. Le faisceau ultrasonore est observé sous forme de taches lumineuses situées le long de la propagation des vibrations ultrasonores dans l'eau. En plaçant un obstacle sur le chemin de propagation du faisceau ultrasonore, on peut observer la réflexion et la réfraction du faisceau.

L'installation décrite permet de réaliser d'autres expérimentations dont la nature dépend du programme étudié et de l'équipement de la salle de classe. Les plaques de titanate de baryum et, en général, toutes les plaques ayant un effet piézoélectrique à des fréquences de 0,5 MHz à 4,5 MHz peuvent être incluses comme charge de générateur. En présence de plaques pour d'autres fréquences, il est nécessaire de modifier le nombre de spires dans les inductances (augmentation pour les fréquences inférieures à 0,5 MHz et diminution pour les fréquences supérieures à 4,5 MHz). Lors de la modification du circuit oscillant et de la bobine de retour à une fréquence de 15 kHz, vous pouvez allumer à la place du quartz tout transducteur magnétostrictif d'une puissance n'excédant pas 60 VA

L'installation se compose d'un rack de laboratoire, d'un générateur d'ultrasons, d'un transducteur magnétostrictif à haute efficacité et à Q élevé et de trois guides d'ondes-émetteurs (concentrateurs) vers le transducteur. a une régulation pas à pas de la puissance de sortie, 50%, 75%, 100% de la puissance de sortie nominale. Le contrôle de puissance et la présence dans l'ensemble de trois guides-émetteurs différents (avec un gain de 1 : 0,5, 1 : 1 et 1 : 2) permet d'obtenir différentes amplitudes de vibrations ultrasonores dans les liquides et milieux élastiques étudiés, environ, de 0 à 80 microns à une fréquence de 22 kHz.

Des années d'expérience dans la fabrication et la vente équipement à ultrasons confirme le besoin perçu d'équiper tous les types de production de haute technologie moderne avec des installations de laboratoire.

La production de nano-matériaux et de nano-structures, l'introduction et le développement de nano-technologies sont impossibles sans l'utilisation d'équipements à ultrasons.

A l'aide de cet équipement à ultrasons, il est possible :

l'obtention de nano-poudres de métaux ;
utiliser lorsque vous travaillez avec des fullerènes;
étude du déroulement des réactions nucléaires dans des conditions de champs ultrasonores puissants (fusion froide) ;
excitation de sonoluminescence dans les liquides, à des fins de recherche et industrielles;
création d'émulsions directes et inverses normalisées finement dispersées ;
sondage du bois;
excitation de vibrations ultrasonores dans les fontes métalliques pour le dégazage ;
et bien d'autres encore.

Disperseurs à ultrasons modernes avec générateurs numériques série I10-840

Installation à ultrasons (disperseur, homogénéisateur, émulsifiant) I100-840 est conçu pour les études en laboratoire de l'effet des ultrasons sur les milieux liquides avec contrôle numérique, avec réglage en douceur, avec sélection numérique de la fréquence de fonctionnement, avec une minuterie, avec la capacité pour connecter des systèmes oscillatoires de différentes fréquences et puissances et enregistrer des paramètres de traitement dans une mémoire non volatile.

L'installation peut être complétée par des systèmes de vibration à ultrasons magnétostrictifs ou piézo-thermiques avec une fréquence de fonctionnement de 22 et 44 kHz.

Si nécessaire, il est possible d'équiper le dispersant de systèmes oscillants pour 18, 30, 88 kHz.

Des installations de laboratoire à ultrasons (dispersants) sont utilisées :

pour les études en laboratoire de l'effet cavitation ultrasonore sur divers liquides et échantillons placés dans un liquide ;
dissoudre des substances et des liquides difficiles ou peu solubles dans d'autres liquides ;
pour tester divers liquides pour la résistance à la cavitation. Par exemple, pour déterminer la stabilité de la viscosité des huiles industrielles (voir GOST 6794-75 pour l'huile AMG-10);
étudier l'évolution du taux d'imprégnation des matériaux fibreux sous l'influence des ultrasons et améliorer l'imprégnation des matériaux fibreux avec diverses charges ;
exclure l'agrégation de particules minérales lors de l'hydro-tri (poudres abrasives, géomodificateurs, diamants naturels et artificiels, etc.) ;
pour le nettoyage par ultrasons de produits complexes d'équipements de carburant automobile, de buses et de carburateurs ;
pour la recherche sur la résistance à la cavitation des pièces et mécanismes de machines ;
et dans le cas le plus simple - comme un bain de lavage à ultrasons très intense. Les sédiments et les dépôts sur la verrerie et le verre sont éliminés ou dissous en quelques secondes.

informations générales

L'unité à ultrasons UZU-1,6-O est conçue pour nettoyer les éléments filtrants métalliques et les ensembles filtrants des systèmes hydrauliques de carburant et d'huile d'avions, de moteurs d'avions et d'équipements de banc des impuretés mécaniques, des substances résineuses et des produits de cokéfaction du pétrole.
L'unité peut nettoyer les sacs filtrants en matériau X18 N15-PM selon la technologie du fabricant des sacs filtrants.

Structure du symbole

UZU4-1,6-O :
UZU - installation à ultrasons;
4 - exécution;
1,6 - puissance oscillatoire nominale, kW;
- nettoyage;
У, Т2 - modification climatique et catégorie de placement
selon GOST 15150-69, température ambiante
de 5 à 50 °C. ї L'environnement est non explosif, ne contient pas de poussières conductrices, ne contient pas de vapeurs agressives, de gaz pouvant perturber le fonctionnement normal de l'installation.
L'installation est conforme aux exigences du TU16-530.022-79.

Document normatif et technique

TU 16-530.022-79

Caractéristiques

Tension d'un réseau d'alimentation triphasé avec une fréquence de 50 Hz, V - 380/220 Puissance consommée kW, pas plus : sans éclairage et radiateurs - 3,7 avec éclairage et radiateurs - 12 Fréquence de fonctionnement du générateur, kHz - 18 Puissance de sortie du générateur, kW - 1,6 Efficacité du générateur,%, pas moins - 45 Tension d'anode du générateur, V - 3000 Tension d'incandescence des lampes du générateur, V - 6,3 Tension de sortie du générateur, V - 220 Courant de magnétisation, A - 18 Courant d'anode, A - 0,85 Courant de grille, A - 0,28 Nombre de bains, pcs - 2 Volume d'un bain, l, pas moins - 20 Temps de chauffe de la solution de lavage dans les bains de 5 à 65 ° sans allumer le générateur, min, pas plus : lors du fonctionnement à l'huile AMG 10 - 20 pendant le fonctionnement sur des solutions aqueuses d'hexamétaphosphate de sodium, de phosphate trisodique et de nitrate de sodium ou sinval - 35 Durée de fonctionnement continu de l'installation, h, pas plus - 12 Le refroidissement des éléments de l'installation est à air pulsé. Temps nettoyage aux ultrasons d'un élément filtrant, min, pas plus - 10 Temps de déploiement de l'unité en position de fonctionnement, min, pas plus - 35 Temps de retour en position repliée, min, pas plus - 15 Poids, kg, pas plus - 510
La période de garantie est de 18 mois à compter de la date de mise en service.

Conception et principe de fonctionnement

La conception de l'unité à ultrasons UZU4-1,6-O (voir figure) est un conteneur mobile, complété en blocs.

Vue générale et dimensions installation à ultrasons UZU4-1,6-О
L'usine dispose de deux bains technologiques. Equipé d'un chariot pour faire tourner les filtres et les transférer d'un bain à l'autre. Un transducteur magnétostrictif de type PM1-1.6/18 est installé dans chaque bain. Le convertisseur est refroidi par air, le générateur est intégré. L'ensemble de livraison de l'unité UZU4-1,6-O comprend : une unité à ultrasons UZU-1,6-O, des pièces de rechange et accessoires, 1 ensemble, un ensemble de documentation opérationnelle, 1 ensemble.

Titulaires du brevet RU 2286216 :

L'invention concerne les dispositifs de nettoyage et de traitement par ultrasons de suspensions dans des champs acoustiques puissants, notamment de dissolution, d'émulsification, de dispersion, ainsi que les dispositifs de réception et de transmission de vibrations mécaniques par effet de magnétostriction. L'installation contient un transducteur magnétostrictif à tige ultrasonore, une chambre de travail réalisée sous la forme d'un tube cylindrique métallique, et un guide d'ondes acoustiques dont l'extrémité émettrice est reliée hermétiquement au fond du tube cylindrique au moyen d'une bague d'étanchéité élastique, et l'extrémité réceptrice de ce guide d'ondes est reliée de manière acoustiquement rigide à la surface d'émission du transducteur à tige ultrasonore ... Un émetteur annulaire magnétostrictif est en outre introduit dans l'installation dont le circuit magnétique est pressé de manière acoustiquement rigide sur le tube de la chambre de travail. L'installation à ultrasons forme un champ acoustique à deux fréquences dans le milieu liquide traité, ce qui permet d'augmenter l'intensification du processus technologique sans réduire la qualité du produit final. 3 C.p. f-ly, 1 dwg

Un dispositif est connu pour introduire des vibrations ultrasonores dans un liquide (brevet DE n° 3815925, V 08 V 3/12, 1989) au moyen d'un capteur à ultrasons, qui est fixé avec un cône émetteur de son au moyen d'une bride hermétiquement isolante dans la zone inférieure à l'intérieur du bain liquide.

Le plus proche solution technique au proposé est unité à ultrasons type UZVD-6 (A.V. Donskoy, OKKeller, G.S.Kratysh "Ultrasonic electrotechnological installations", Leningrad : Energoizdat, 1982, p. 169), contenant un transducteur à ultrasons à tige, une chambre de travail réalisée sous la forme d'un tuyau cylindrique métallique et un guide d'onde acoustique dont l'extrémité émettrice est reliée hermétiquement à la partie inférieure du tube cylindrique au moyen d'une bague d'étanchéité élastique, et l'extrémité réceptrice de ce guide d'onde est reliée de manière acoustiquement rigide à la surface émettrice du transducteur ultrasonore tige.

L'inconvénient des installations à ultrasons connues identifiées est que la chambre de travail comporte une seule source de vibrations ultrasonores, qui lui sont transmises depuis le transducteur magnétostrictif à travers l'extrémité du guide d'ondes, dont les propriétés mécaniques et les paramètres acoustiques déterminent le rayonnement maximal admissible. intensité. Souvent, l'intensité reçue du rayonnement des vibrations ultrasonores ne peut pas répondre aux exigences du processus technologique par rapport à la qualité du produit final, ce qui oblige à allonger le temps de traitement ultrasonore du milieu liquide et conduit à une diminution de la l'intensité du processus technologique.

Ainsi, les appareils à ultrasons, analogue et prototype de l'invention revendiquée identifiés au cours de la recherche de brevet, lorsqu'ils sont mis en œuvre, n'assurent pas l'atteinte du résultat technique, qui consiste à augmenter l'intensification du processus technologique sans diminuer la qualité de le produit final.

L'invention proposée résout le problème de la création d'une installation à ultrasons dont la mise en œuvre assure l'obtention du résultat technique, qui consiste à augmenter l'intensification du processus technologique sans diminuer la qualité du produit final.

L'essence de l'invention réside dans le fait que dans une installation à ultrasons contenant un transducteur ultrasonore à tige, une chambre de travail réalisée sous la forme d'un tube cylindrique métallique, et un guide d'ondes acoustiques dont l'extrémité émettrice est reliée hermétiquement au fond de le tube cylindrique au moyen d'une bague d'étanchéité élastique, et l'extrémité réceptrice de ce guide d'ondes reliée de manière acoustiquement rigide à la surface d'émission du transducteur à ultrasons à tige ; en outre, un émetteur magnétostrictif annulaire est introduit, dont le circuit magnétique est pressé de manière acoustiquement rigide sur le tube de la chambre de travail. De plus, une bague d'étanchéité élastique est fixée à l'extrémité rayonnante du guide d'onde au niveau de l'ensemble de déplacement. Dans ce cas, l'extrémité inférieure du circuit magnétique du radiateur annulaire est située dans le même plan que l'extrémité rayonnante du guide d'onde acoustique. De plus, la surface de l'extrémité rayonnante du guide d'onde acoustique est rendue concave, sphérique, avec un rayon de sphère égal à la moitié de la longueur du circuit magnétique de l'émetteur magnétostrictif annulaire.

Le résultat technique est obtenu comme suit. Un transducteur à ultrasons à tige est une source de vibrations ultrasonores qui fournissent paramètres requis le champ acoustique dans la chambre de travail de l'installation pour effectuer le processus technologique, qui assure l'intensification et la qualité du produit final. Un guide d'ondes acoustique, dont l'extrémité émettrice est reliée hermétiquement au fond du tuyau cylindrique, et l'extrémité réceptrice de ce guide d'ondes est reliée de manière acoustiquement rigide à la surface émettrice du transducteur à tige ultrasonore, assure la transmission des vibrations ultrasonores dans le produit traité. milieu liquide de la chambre de travail. Dans ce cas, l'étanchéité et la mobilité de la connexion sont assurées du fait que l'extrémité rayonnante du guide d'onde est reliée à la partie inférieure du tube de la chambre de travail au moyen d'une bague d'étanchéité élastique. La mobilité de la connexion offre la possibilité de transférer les vibrations mécaniques du transducteur à travers le guide d'ondes vers la chambre de travail, dans le milieu liquide traité, la possibilité d'effectuer le processus technologique et, par conséquent, d'obtenir le résultat technique requis.

De plus, dans l'installation revendiquée, la bague d'étanchéité élastique est fixée à l'extrémité émettrice du guide d'onde dans la zone du nœud de déplacement, contrairement au prototype dans lequel elle est installée dans la zone du ventre de déplacement. En conséquence, dans l'installation prototype, le joint torique amortit les vibrations et réduit le facteur Q du système vibrant, et donc réduit l'intensité du processus technologique. Dans l'installation déclarée, le joint torique est installé dans la zone de l'unité de déplacement, il n'affecte donc pas le système vibrant. Cela vous permet de faire passer plus de puissance à travers le guide d'ondes par rapport au prototype et ainsi d'augmenter l'intensité du rayonnement, donc d'intensifier le processus technologique sans réduire la qualité du produit final. De plus, étant donné que dans l'installation revendiquée, le joint torique est installé dans la zone de l'assemblage, c'est-à-dire dans la zone de déformations nulles, il ne s'effondre pas sous l'effet des vibrations, conserve la mobilité de la connexion de l'extrémité rayonnante du guide d'onde avec bas tuyaux de la chambre de travail, ce qui vous permet de maintenir l'intensité du rayonnement. Dans le prototype, la bague d'étanchéité est installée dans la zone de déformation maximale du guide d'onde. Par conséquent, la bague s'effondre progressivement à cause des vibrations, ce qui réduit progressivement l'intensité du rayonnement, puis rompt l'étanchéité de la connexion et perturbe le fonctionnement de l'installation.

L'utilisation d'un émetteur annulaire magnétostrictif permet d'obtenir une puissance de conversion élevée et une zone de rayonnement importante (A.V. Donskoy, OK Keller, G.S. intensification du processus technologique sans réduire la qualité du produit final.

La conduite étant cylindrique et l'émetteur magnétostrictif introduit dans l'installation étant rendu annulaire, il est possible de plaquer le noyau magnétique sur la surface extérieure de la conduite. Lorsque la tension d'alimentation est appliquée à l'enroulement du fil magnétique, un effet magnétostrictif se produit dans les plaques, ce qui conduit à une déformation des plaques annulaires du circuit magnétique dans le sens radial. Dans ce cas, du fait que le tuyau est en métal et que le circuit magnétique est plaqué de manière acoustiquement rigide sur le tuyau, la déformation des plaques annulaires du circuit magnétique se transforme en oscillations radiales de la paroi du tuyau. En conséquence, les vibrations électriques du générateur d'excitation de l'émetteur magnétostrictif annulaire sont converties en vibrations mécaniques radiales des plaques magnétostrictives, et en raison de la connexion acoustiquement rigide du plan de rayonnement du circuit magnétique avec la surface du tuyau, les vibrations mécaniques sont transmis à travers les parois des tuyaux dans le milieu liquide traité. Dans ce cas, la source des vibrations acoustiques dans le milieu liquide traité est la paroi interne du tube cylindrique de la chambre de travail. En conséquence, un champ acoustique avec une deuxième fréquence de résonance est formé dans l'installation revendiquée dans le milieu liquide traité. Dans ce cas, l'introduction d'un émetteur annulaire magnétostrictif dans l'installation revendiquée augmente, par rapport au prototype, l'aire de la surface émettrice : la surface émettrice du guide d'onde et une partie de la paroi interne de la chambre de travail, sur la surface extérieure de laquelle un émetteur magnétostrictif annulaire est pressé. Une augmentation de la surface de rayonnement augmente l'intensité du champ acoustique dans la chambre de travail et permet donc d'intensifier le processus technologique sans réduire la qualité du produit final.

L'emplacement de l'extrémité inférieure du circuit magnétique du radiateur annulaire dans le même plan avec l'extrémité rayonnante du guide d'onde acoustique est la meilleure option, puisque son placement en dessous de l'extrémité rayonnante du guide d'ondes conduit à la formation d'une zone morte (stagnante) pour le transducteur annulaire (radiateur annulaire - tuyau). Le fait de placer l'extrémité inférieure du circuit magnétique du radiateur annulaire au-dessus de l'extrémité rayonnante du guide d'ondes réduit l'efficacité du convertisseur annulaire. Les deux options conduisent à une diminution de l'intensité de l'effet du champ acoustique total sur le milieu liquide traité, et, par conséquent, à une diminution de l'intensification du processus technologique.

Puisque la surface d'émission de l'émetteur magnétostrictif annulaire est une paroi cylindrique, l'énergie sonore est focalisée, c'est-à-dire la concentration du champ acoustique est créée le long de la ligne axiale du tuyau, sur laquelle le noyau magnétique de l'émetteur est pressé. Étant donné que la surface émettrice du transducteur à tige ultrasonore est réalisée sous la forme d'une sphère concave, cette surface émettrice concentre également l'énergie sonore, mais à proximité d'un point situé sur l'axe central du tuyau. Ainsi, à des distances focales différentes, les foyers des deux surfaces émettrices coïncident, concentrant une puissante énergie acoustique dans un petit volume de la chambre de travail. Etant donné que l'extrémité inférieure du circuit magnétique du radiateur annulaire est située dans le même plan que l'extrémité rayonnante du guide d'ondes acoustiques, dans lequel la sphère concave est réalisée avec un rayon égal à la moitié de la longueur du circuit magnétique de l'anneau magnétostrictif radiateur, le point de focalisation de l'énergie acoustique se situe au milieu de la ligne axiale du tuyau, c'est-à-dire au centre de la chambre de travail de l'installation, une puissante énergie acoustique est concentrée dans un petit volume ("Ultrasound. Little Encyclopedia", rédacteur en chef I.P. Golyanin, Moscou : Encyclopédie soviétique, 1979, p. 367-370). Dans le domaine de la focalisation des énergies acoustiques des deux surfaces émettrices, l'intensité de l'effet du champ acoustique sur le milieu liquide traité est des centaines de fois plus élevée que dans les autres zones de la chambre. Un volume local est créé avec une puissante intensité d'exposition au champ. En raison de la forte intensité locale de l'impact, même les matériaux difficiles à usiner sont détruits. De plus, dans ce cas, des ultrasons puissants sont détournés des parois, ce qui protège les parois de la chambre de la destruction et de la contamination du matériau traité par le produit de la destruction des parois. Ainsi, rendre la surface de l'extrémité rayonnante du guide d'onde acoustique concave, sphérique, avec un rayon de sphère égal à la moitié de la longueur du circuit magnétique de l'émetteur magnétostrictif annulaire, augmente l'intensité de l'effet du champ acoustique sur le liquide traité. moyen, et, par conséquent, fournit l'intensification du processus technologique sans réduire la qualité du produit final.

Comme montré ci-dessus, dans l'installation revendiquée, un champ acoustique à deux fréquences de résonance est formé dans le milieu liquide traité. La première fréquence de résonance est déterminée par la fréquence de résonance du transducteur magnétostrictif à tige, la seconde - par la fréquence de résonance de l'émetteur magnétostrictif en anneau pressé sur le tube de la chambre de travail. La fréquence de résonance de l'émetteur magnétostrictif annulaire est déterminée à partir de l'expression lcp = λ = c / fres, où lcp est la longueur de la ligne médiane du circuit magnétique de l'émetteur, λ est la longueur d'onde dans le matériau du circuit magnétique, c est la vitesse des vibrations élastiques dans le matériau du circuit magnétique, fres est la fréquence de résonance de l'émetteur (A. Donskoy, OKKeller, G.S.Kratysh "Ultrasonic electrotechnological installations", Leningrad : Energoizdat, 1982, p. 25). En d'autres termes, la deuxième fréquence de résonance de l'installation est déterminée par la longueur de la ligne médiane du circuit magnétique annulaire, qui à son tour est déterminée par le diamètre extérieur du tuyau de la chambre de travail : plus la ligne médiane du circuit magnétique est longue. , plus la deuxième fréquence de résonance de l'installation est basse.

La présence de deux fréquences de résonance dans l'installation déclarée permet d'intensifier le processus technologique sans réduire la qualité du produit final. Ceci est expliqué comme suit.

Sous l'action d'un champ acoustique dans le milieu liquide traité, des écoulements acoustiques apparaissent - des écoulements tourbillonnaires stationnaires d'un liquide qui se produisent dans un champ sonore libre et non homogène. Dans l'installation déclarée dans le milieu liquide traité, deux types d'ondes acoustiques se forment, chacune avec sa propre fréquence de résonance : une onde cylindrique se propage radialement de surface intérieure tuyaux (chambre de travail), et une onde plane se propage le long de la chambre de travail de bas en haut. La présence de deux fréquences de résonance renforce l'effet des écoulements acoustiques sur le milieu liquide traité, car à chaque fréquence de résonance ses propres écoulements acoustiques se forment, qui mélangent intensément le liquide. Ceci conduit également à une augmentation de la turbulence des écoulements acoustiques et à un mélange encore plus intense du liquide traité, ce qui augmente l'intensité de l'effet du champ acoustique sur le milieu liquide traité. En conséquence, le processus technologique est intensifié sans réduire la qualité du produit final.

De plus, sous l'influence du champ acoustique dans le milieu liquide traité, une cavitation se produit - la formation de ruptures du milieu liquide où il y a une diminution locale de la pression. À la suite de la cavitation, des bulles de cavitation vapeur-gaz se forment. Si le champ acoustique est faible, les bulles résonnent, pulsent dans le champ. Si le champ acoustique est fort, la bulle s'effondre après la période de l'onde sonore (cas idéal), puisqu'elle tombe dans la zone de haute pression créée par ce champ. Lorsque les bulles s'effondrent, elles génèrent de fortes perturbations hydrodynamiques dans le milieu liquide, un rayonnement intense d'ondes acoustiques et provoquent la destruction des surfaces de solides avoisinant le liquide cavitaire. Dans l'installation revendiquée, le champ acoustique est plus puissant que le champ acoustique de l'installation prototype, ce qui s'explique par la présence de deux fréquences de résonance dans celle-ci. En conséquence, dans l'installation revendiquée, la probabilité d'effondrement des bulles de cavitation est plus élevée, ce qui renforce les effets de cavitation et augmente l'intensité de l'effet du champ acoustique sur le milieu liquide traité, et fournit donc une intensification du processus technologique sans réduire la qualité du produit final.

Plus la fréquence de résonance du champ acoustique est basse, plus la bulle est grande, car la période à basse fréquence est grande et les bulles ont le temps de croître. La durée de vie d'une bulle pendant la cavitation est une période de fréquence. Lorsque la bulle s'effondre, cela crée une pression puissante. Plus la bulle est grosse, plus haute pression est créé lorsqu'il est claqué. Dans l'installation à ultrasons déclarée, en raison du sondage à deux fréquences du liquide traité, les bulles de cavitation diffèrent en taille: les plus grosses sont le résultat de l'exposition à un milieu liquide de basse fréquence et les petites - de haute fréquence. Lors du nettoyage des surfaces ou du traitement d'une suspension, de petites bulles pénètrent dans les fissures et les cavités des particules solides et, en s'effondrant, forment des effets de micro-chocs, affaiblissant l'intégrité d'une particule solide de l'intérieur. Des bulles plus grosses, qui s'effondrent, provoquent la formation de nouvelles microfissures dans les particules solides, affaiblissant davantage les liaisons mécaniques qui s'y trouvent. Les particules solides sont détruites.

Au cours de l'émulsification, de la dissolution et du mélange, les grosses bulles détruisent les liaisons intermoléculaires dans les composants du futur mélange, raccourcissant les chaînes et forment des conditions pour les petites bulles pour une destruction supplémentaire des liaisons intermoléculaires. En conséquence, l'intensification du processus technologique augmente sans réduire la qualité du produit final.

De plus, dans l'installation revendiquée, du fait de l'interaction d'ondes acoustiques avec différentes fréquences de résonance dans le milieu liquide traité, des battements se produisent du fait de la superposition de deux fréquences (principe de superposition), qui provoquent une forte augmentation instantanée de l'amplitude de la pression acoustique. À de tels moments, la puissance d'impact de l'onde acoustique peut être plusieurs fois supérieure à la puissance spécifique de l'installation, ce qui intensifie le processus technologique et non seulement ne réduit pas, mais améliore la qualité du produit final. De plus, une forte augmentation de l'amplitude de la pression acoustique facilite l'apport de noyaux de cavitation à la zone de cavitation ; la cavitation augmente. Bulles de cavitation, formation dans les pores, irrégularités, fissures de surface solide en suspension forment des courants acoustiques locaux, qui mélangent intensément le liquide dans tous les microvolumes, ce qui permet également d'intensifier le processus technologique sans réduire la qualité du produit final.

Ainsi, de ce qui précède, il résulte que l'installation ultrasonore revendiquée, du fait de la possibilité de former un champ acoustique à deux fréquences dans le milieu liquide traité, lorsqu'elle est mise en œuvre, assure l'obtention du résultat technique, qui consiste à augmenter l'intensification de la processus technologique sans réduire la qualité du produit final : les résultats du nettoyage des surfaces, la dispersion des composants solides dans un liquide, le processus d'émulsification, de mélange et de dissolution des composants du milieu liquide.

Le dessin montre l'installation à ultrasons déclarée. L'installation à ultrasons contient un transducteur magnétostrictif à tige ultrasonore 1 avec une surface émettrice 2, un guide d'onde acoustique 3, une chambre de travail 4, un noyau magnétique 5 d'un émetteur magnétostrictif annulaire 6, une bague d'étanchéité élastique 7, une goupille 8. Les trous 9 sont prévu dans le noyau magnétique 5 pour réaliser un bobinage d'excitation (non représenté)... La chambre de travail 4 est réalisée sous la forme d'un tube cylindrique métallique, par exemple en acier. Dans un exemple d'installation, le guide d'onde 3 est réalisé sous la forme d'un tronc de cône, dans lequel l'extrémité émettrice 10 au moyen d'une bague d'étanchéité élastique 7 est reliée hermétiquement à la partie inférieure du tube de la chambre de travail 4, et l'extrémité réceptrice 11 est reliée axialement par un axe 8 à la surface émettrice 2 du convertisseur 1. Noyau magnétique 5 réalisé sous la forme d'un paquet de plaques magnétostrictives en forme d'anneaux, et acoustiquement pressé rigidement sur le conduit du chambre de travail 4 ; de plus, le circuit magnétique 5 est équipé d'un bobinage d'excitation (non représenté).

Une bague d'étanchéité élastique 7 est fixée sur l'extrémité émettrice 10 du guide d'onde 3 au niveau de l'unité de déplacement. Dans ce cas, l'extrémité inférieure du circuit magnétique 5 du radiateur annulaire 6 est située dans le même plan que l'extrémité rayonnante 10 du guide d'onde acoustique 3. De plus, la surface de l'extrémité rayonnante 10 du guide d'onde acoustique 3 est réalisée concave, sphérique, avec un rayon de sphère égal à la moitié de la longueur du circuit magnétique 5 du radiateur magnétostrictif annulaire 6.

En tant que transducteur ultrasonore tige, par exemple, un transducteur magnétostrictif ultrasonore de type PMS-15A-18 (BT3.836.001 TU) ou PMS-15-22 9SYUIT.671.119.003 TU) peut être utilisé. Si le processus technologique nécessite des fréquences plus élevées : 44 kHz, 66 kHz, etc., alors le transducteur tige est basé sur la piézocéramique.

Le circuit magnétique 5 peut être réalisé en un matériau à striction négative, par exemple en nickel.

L'installation à ultrasons fonctionne comme suit. Des tensions d'alimentation sont appliquées aux enroulements d'excitation du convertisseur 1 et de l'émetteur annulaire magnétostrictif 6. La chambre de travail 4 est remplie du milieu liquide 12 à traiter, par exemple, pour effectuer une dissolution, une émulsification, une dispersion, ou elle est remplie de un milieu liquide dans lequel des pièces sont placées pour nettoyer les surfaces. Après l'application de la tension d'alimentation dans la chambre de travail 4, un champ acoustique à deux fréquences de résonance est formé dans le milieu liquide 12.

Sous l'influence du champ acoustique bifréquence généré dans le milieu traité 12, des écoulements acoustiques et de la cavitation apparaissent. Dans ce cas, comme indiqué ci-dessus, les bulles de cavitation diffèrent par leur taille: les plus grosses sont le résultat d'une exposition à un milieu liquide de basse fréquence et les petites - de haute fréquence.

Dans un milieu liquide cavitaire, par exemple, lors de la dispersion ou du nettoyage des surfaces, de petites bulles pénètrent dans les fissures et les cavités du composant solide du mélange et, en s'effondrant, forment des effets de micro-chocs, affaiblissant l'intégrité de la particule solide de l'intérieur. Des bulles de plus grande taille, s'effondrant, brisent la particule affaiblie de l'intérieur en petites fractions.

De plus, à la suite de l'interaction d'ondes acoustiques avec différentes fréquences de résonance, des battements se produisent, entraînant une forte augmentation instantanée de l'amplitude de la pression acoustique (à un choc acoustique), ce qui conduit à une destruction encore plus intensive des couches sur la surface à nettoyer et à un broyage encore plus important des fractions solides dans le milieu liquide traité lors de la réception d'une suspension. Dans le même temps, la présence de deux fréquences de résonance renforce la turbulence des écoulements acoustiques, ce qui contribue à un mélange plus intensif du milieu liquide traité et à une destruction plus intensive des particules solides tant à la surface de la pièce qu'en suspension.

Au cours de l'émulsification et de la dissolution, de grosses bulles de cavitation détruisent les liaisons intermoléculaires dans les composants du futur mélange, raccourcissant les chaînes et forment des conditions pour de petites bulles de cavitation pour une destruction supplémentaire des liaisons intermoléculaires. Une onde de choc acoustique et une turbulence accrue des écoulements acoustiques, qui sont le résultat d'un sondage à deux fréquences du milieu liquide traité, détruisent également les liaisons intermoléculaires et intensifient le processus de mélange du milieu.

En raison de l'effet combiné des facteurs ci-dessus sur le milieu liquide traité, le processus technologique effectué est intensifié sans réduire la qualité du produit final. Comme les tests l'ont montré, par rapport au prototype, la puissance spécifique du convertisseur revendiqué est deux fois plus élevée.

Pour renforcer l'effet de cavitation dans l'installation, une pression statique accrue peut être fournie, qui peut être mise en œuvre de manière similaire au prototype (A.V. Donskoy, OKKeller, G.S.Kratysh "Ultrasonic Electrotechnological Installations", Leningrad : Energoizdat, 1982, p. 169) : un système de canalisations relié au volume interne de la chambre de travail ; bouteille d'air comprimé; soupape de sécurité et manomètre. Dans ce cas, la chambre de travail doit être équipée d'un couvercle étanche.

1. Installation à ultrasons contenant un transducteur à ultrasons à tige, une chambre de travail réalisée sous la forme d'un tuyau cylindrique métallique et un guide d'ondes acoustiques dont l'extrémité émettrice est reliée hermétiquement au fond du tuyau cylindrique au moyen d'une bague d'étanchéité élastique , et l'extrémité réceptrice de ce guide d'ondes est reliée de manière acoustiquement rigide au transducteur ultrasonore à tige surfacique émettrice, caractérisé en ce qu'un émetteur annulaire magnétostrictif est en outre introduit dans l'installation dont le circuit magnétique est plaqué de manière acoustiquement rigide sur le tube de la chambre de travail .

2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la bague d'étanchéité élastique est fixée à l'extrémité rayonnante du guide d'onde au niveau de l'unité de déplacement.

3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'extrémité inférieure du circuit magnétique du radiateur annulaire est située dans le même plan avec l'extrémité rayonnante du guide d'onde acoustique.

4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que la surface de l'extrémité rayonnante du guide d'onde acoustique est réalisée concave, sphérique, avec un rayon de sphère égal à la moitié de la longueur du circuit magnétique de l'émetteur magnétostrictif annulaire.

Toute unité technologique à ultrasons, y compris les appareils multifonctionnels, comprend une source d'énergie (générateur) et un système vibrant à ultrasons.

Le système vibrant à ultrasons à des fins technologiques se compose d'un transducteur, d'un élément d'adaptation et d'un outil de travail (émetteur).

Dans le transducteur (élément actif) du système vibratoire, l'énergie des vibrations électriques est convertie en énergie des vibrations élastiques de fréquence ultrasonore et une force mécanique alternative est créée.

L'élément d'adaptation du système (concentrateur passif) transforme les vitesses et assure l'adaptation de la charge externe et de l'élément actif interne.

L'outil de travail crée un champ ultrasonore dans l'objet traité ou agit directement sur celui-ci.

La caractéristique la plus importante des systèmes oscillatoires à ultrasons est la fréquence de résonance. Cela est dû au fait que l'efficacité des processus technologiques est déterminée par l'amplitude des vibrations (valeurs des déplacements vibrationnels) et que les valeurs maximales des amplitudes sont atteintes lorsque le système vibrationnel à ultrasons est excité à la fréquence de résonance. . Les valeurs de la fréquence de résonance des systèmes vibrants à ultrasons doivent se situer dans les plages autorisées (pour les appareils à ultrasons multifonctionnels, il s'agit de la fréquence 22 ± 1,65 kHz).

Le rapport de l'énergie accumulée dans le système oscillatoire à ultrasons à l'énergie utilisée pour l'impact technologique pour chaque période d'oscillation est appelé le facteur de qualité du système oscillatoire. Le facteur de qualité détermine l'amplitude maximale des oscillations à la fréquence de résonance et la nature de la dépendance de l'amplitude des oscillations à la fréquence (c'est-à-dire la largeur de la plage de fréquences).

Apparence Un système vibrant à ultrasons typique est illustré à la figure 2. Il se compose d'un transducteur - 1, d'un transformateur (concentrateur) - 2, d'un outil de travail - 3, d'un support - 4 et d'un boîtier - 5.

Figure 2 - Système oscillatoire à deux alternances et répartition des amplitudes d'oscillation A et des contraintes mécaniques agissantes F

La distribution de l'amplitude des oscillations A et des forces (contraintes mécaniques) F dans le système oscillatoire a la forme d'ondes stationnaires (à condition de négliger les pertes et le rayonnement).

Comme on peut le voir sur la figure 2, il existe des plans dans lesquels les déplacements et les contraintes mécaniques sont toujours nuls. Ces plans sont appelés nodaux. Les plans dans lesquels les déplacements et les contraintes sont minimes sont appelés ventres. Les valeurs maximales des déplacements (amplitudes) correspondent toujours aux valeurs minimales des contraintes mécaniques et inversement. Les distances entre deux plans nodaux ou ventres adjacents sont toujours égales à la moitié de la longueur d'onde.

Il y a toujours des connexions dans le système oscillant qui assurent la connexion acoustique et mécanique de ses éléments. Les connexions peuvent être monobloc, cependant, s'il est nécessaire de changer d'outil de travail, les connexions sont filetées.

Le système oscillatoire à ultrasons, avec le boîtier, les dispositifs d'alimentation en tension et les ouvertures de ventilation, est généralement réalisé comme une unité distincte. Dans ce qui suit, en utilisant le terme système oscillatoire américain, nous parlerons de l'ensemble de l'unité dans son ensemble.

Le système oscillant utilisé dans les appareils à ultrasons multifonctionnels à des fins technologiques doit satisfaire à un certain nombre d'exigences générales.

1) Travailler dans une gamme de fréquences donnée ;

2) Travailler avec tous les changements de charge possibles au cours du processus technologique ;

3) Fournir l'intensité de rayonnement ou l'amplitude de vibration requise ;

4) Avoir l'efficacité la plus élevée possible ;

5) Les parties du système vibrant à ultrasons en contact avec les substances traitées doivent avoir une résistance à la cavitation et aux produits chimiques ;

6) Avoir un support rigide dans le boîtier ;

7) Doit avoir des dimensions et un poids minimum ;

8) Les exigences de sécurité doivent être respectées.

Le système oscillant à ultrasons représenté sur la figure 2 est un système oscillant à deux demi-ondes. Dans celui-ci, le transducteur a une taille de résonance égale à la moitié de la longueur d'onde des vibrations ultrasonores dans le matériau du transducteur. Pour augmenter l'amplitude des vibrations et adapter le transducteur au milieu en cours de traitement, un concentrateur est utilisé ayant une taille de résonance correspondant à la moitié de la longueur d'onde des vibrations ultrasonores dans le matériau du concentrateur.

Si le système oscillant illustré à la figure 2 est en acier (la vitesse de propagation des vibrations ultrasonores dans l'acier est supérieure à 5000 m/s), alors sa taille longitudinale totale correspond à L = С2p / w ~ 23 cm.

Pour répondre aux exigences de compacité et de légèreté élevées, des systèmes oscillatoires demi-onde sont utilisés, composés d'un convertisseur quart d'onde et d'un concentrateur. Un tel système oscillatoire est représenté schématiquement sur la figure 3. Les désignations des éléments du système oscillatoire correspondent aux désignations sur la figure 3.

Figure 3 - Système oscillatoire à deux quarts d'onde

Dans ce cas, il est possible d'assurer la taille longitudinale et la masse minimales possibles du système vibrant à ultrasons, ainsi que de réduire le nombre de connexions mécaniques.

L'inconvénient d'un tel système oscillatoire est la connexion du convertisseur avec le concentrateur dans le plan des plus grandes contraintes mécaniques. Cependant, cet inconvénient peut être partiellement éliminé en déplaçant l'élément actif du convertisseur du point de contraintes maximales de fonctionnement.

Application des appareils à ultrasons

Les ultrasons puissants sont un moyen unique et respectueux de l'environnement de stimuler les processus physiques et chimiques. Vibrations ultrasoniques d'une fréquence de 20 000 à 60 000 Hertz et d'une intensité supérieure à 0,1 W/cm². peut provoquer des changements irréversibles dans l'environnement de distribution. Cela prédétermine les possibilités utilisation pratique ultrasons puissants dans les domaines suivants.

Processus technologiques: transformation des matières premières minérales, enrichissement et procédés d'hydrométallurgie des minerais métalliques, etc.

Huile et industrie du gaz: récupération de puits de pétrole, extraction de pétrole visqueux, procédés de séparation dans le système sable - pétrole lourd, augmentation de la fluidité des produits pétroliers lourds, etc.

Métallurgie et ingénierie mécanique : affinage des fontes métalliques, broyage de la structure d'un lingot / fonderie, traitement d'une surface métallique pour la renforcer et soulager les contraintes internes, nettoyer les surfaces externes et les cavités internes des pièces de machines, etc.

Technologies chimiques et biochimiques : procédés d'extraction, sorption, filtration, séchage, émulsification, obtention de suspensions, mélange, dispersion, dissolution, flottation, dégazage, évaporation, coagulation, coalescence, procédés de polymérisation et dépolymérisation, obtention de nanomatériaux, etc.

Énergie : combustion de liquide et combustible solide, préparation d'émulsions de carburants, production de biocarburants, etc.

Agriculture, alimentation et industrie légère : processus de germination des graines et de croissance des plantes, préparation d'additifs alimentaires, technologie de la confiserie, préparation de boissons alcoolisées et non alcoolisées, etc.

Services communaux: récupération des puits d'eau, préparation de l'eau potable, élimination des dépôts des parois intérieures échangeurs de chaleur etc.

protection environnement: nettoyage les eaux usées contaminés par des produits pétroliers, des métaux lourds, des composés organiques persistants, le nettoyage des sols contaminés, le nettoyage des flux de gaz industriels, etc.

Recyclage des matières premières secondaires : dévulcanisation du caoutchouc, nettoyage des dépôts métallurgiques de la contamination par les hydrocarbures, etc.