Utilisé pour laver les pièces et les assemblages de divers équipements, souder divers matériaux. Les ultrasons sont utilisés pour produire des suspensions, des aérosols liquides et des émulsions. Pour obtenir des émulsions, par exemple, le mélangeur-émulsifiant UGS-10 et d'autres dispositifs sont produits. Les méthodes basées sur la réflexion des ondes ultrasonores à partir de l'interface entre deux milieux sont utilisées dans les dispositifs d'hydrolocalisation, de détection de défauts, de diagnostic médical, etc.

Parmi les autres possibilités des ultrasons, il convient de noter sa capacité à traiter des matériaux durs et cassants à une taille donnée. En particulier, le traitement par ultrasons est très efficace dans la fabrication de pièces et de trous de forme complexe dans des produits tels que le verre, la céramique, le diamant, le germanium, le silicium, etc., dont le traitement est difficile par d'autres méthodes.

L'utilisation des ultrasons dans la restauration des pièces usées réduit la porosité du métal déposé et augmente sa résistance. De plus, le gauchissement des pièces allongées soudées, telles que les vilebrequins du moteur, est réduit.

Nettoyage de pièces par ultrasons

Le nettoyage par ultrasons de pièces ou d'objets est utilisé avant les opérations de réparation, d'assemblage, de peinture, de chromage et autres. Son utilisation est particulièrement efficace pour nettoyer les pièces qui ont une forme complexe et des endroits difficiles d'accès sous la forme de fentes étroites, de fentes, de petits trous, etc.

Communiqués de l'industrie grand nombre installation pour nettoyage par ultrasons, différant caractéristiques de conception, capacité des bains et puissance, par exemple, transistors: UZU-0.25 avec une puissance de sortie de 0,25 kW, UZG-10-1.6 avec une puissance de 1,6 kW, etc., thyristor UZG-2-4 avec une puissance de sortie de 4 kW et UZG-1-10/22 avec une puissance de 10 kW. La fréquence de fonctionnement des unités est de 18 et 22 kHz.

Unité à ultrasons UZU-0.25 est conçu pour le nettoyage de petites pièces. Il se compose d'un générateur d'ultrasons et d'un bain à ultrasons.

Données techniques de l'unité à ultrasons UZU-0.25

Fréquence secteur - 50 Hz

Puissance consommée du réseau - pas plus de 0,45 kVA

Fréquence de fonctionnement - 18 kHz

Puissance de sortie - 0,25 kW

Les dimensions internes du bain de travail - 200 x 168 mm avec une profondeur de 158 mm

Sur le panneau avant du générateur d'ultrasons, il y a un interrupteur à bascule pour allumer le générateur et une lampe indiquant la présence de tension d'alimentation.

Sur la paroi arrière du châssis du générateur, il y a : un porte-fusible et deux connecteurs à fiche, à travers lesquels le générateur est connecté au bain à ultrasons et au secteur, une borne pour la mise à la terre du générateur.

Trois transducteurs piézoélectriques en paquets sont montés au fond du bain à ultrasons. Le boîtier d'un transducteur se compose de deux plaques piézoélectriques en matériau TsTS-19 (zirconate-titanate de plomb), de deux revêtements réducteurs de fréquence et d'une tige centrale en acier inoxydable, dont la tête est l'élément rayonnant du transducteur.

Sur le boîtier de la baignoire se trouvent: un raccord, une poignée de robinet avec l'inscription "Drain", une borne pour la mise à la terre de la baignoire et un connecteur pour le raccordement à un générateur.

La figure 1 montre le principe schéma unité à ultrasons UZU-0.25.

Riz. 1. Schéma de principe de l'unité à ultrasons UZU-0.25

Le premier étage est celui qui fonctionne sur un transistor VT1 selon un circuit à induction Rétroaction et circuit oscillant.

Des oscillations électriques de fréquence ultrasonore de 18 kHz, apparaissant dans l'oscillateur maître, sont transmises à l'entrée de l'amplificateur de puissance préliminaire.

L'amplificateur de puissance préliminaire se compose de deux étages, dont l'un est assemblé sur les transistors VT2, VT3, le second - sur les transistors VT4, VT5. Les deux étages de pré-amplification de puissance sont assemblés selon un circuit push-pull série fonctionnant en mode commutation. Le mode de fonctionnement clé des transistors permet d'obtenir un rendement élevé à une puissance suffisamment élevée.

Bases de circuit des transistors VT2, VT3. VT4, VT5 sont connectés à des enroulements séparés des transformateurs TV1 et TV2 connectés dans des directions opposées. Cela garantit un fonctionnement push-pull des transistors, c'est-à-dire une commutation alternée.

La polarisation automatique de ces transistors est assurée par les résistances R3 - R6 et les condensateurs C6, C7 et C10, C11 inclus dans le circuit de base de chaque transistor.

La tension d'excitation alternative est fournie à la base via les condensateurs C6, C7 et C10, C11, et la composante constante du courant de base, traversant les résistances R3 - R6, crée une chute de tension entre elles, ce qui garantit une fermeture et une ouverture fiables de les transistors.

Le quatrième étage est l'amplificateur de puissance. Il se compose de trois cellules push-pull sur les transistors VT6 - VT11 fonctionnant en mode de commutation. La tension de l'amplificateur de puissance préliminaire est fournie à chaque transistor à partir d'un enroulement séparé du transformateur TV3, et dans chaque cellule ces tensions sont en opposition de phase. À partir des cellules du transistor, une tension alternative est fournie aux trois enroulements du transformateur TV4, où la puissance est ajoutée.

A partir du transformateur de sortie, une tension est fournie aux transducteurs piézoélectriques AA1, AA2 et AAZ.

Comme les transistors fonctionnent en mode de commutation, la tension de sortie contenant des harmoniques a une forme rectangulaire. Pour isoler la première harmonique de la tension sur les convertisseurs, une bobine L est connectée en série avec les convertisseurs à l'enroulement de sortie du transformateur TV4, dont l'inductance est calculée de telle sorte que, avec sa propre capacité des convertisseurs , il forme un circuit oscillant accordé au 1er harmonique de tension. Cela permet d'obtenir une tension sinusoïdale sur la charge sans changer le mode énergétiquement favorable des transistors.

L'unité est alimentée par le réseau alternatif avec une tension de 220 V avec une fréquence de 50 Hz à l'aide d'un transformateur de puissance TV5, qui a un enroulement primaire et trois secondaires, dont l'un sert à alimenter l'oscillateur maître, et les deux autres servir à alimenter les étages restants.

L'oscillateur maître est alimenté par un redresseur monté selon (diodes VD1 et VD2).

L'alimentation des étages préliminaires d'amplification est réalisée à partir d'un redresseur monté selon un montage en pont (diodes VD3 - VD6). Le deuxième circuit en pont sur les diodes VD7 - VD10 alimente l'amplificateur de puissance.

En fonction de la nature des salissures et des matériaux, le moyen de nettoyage doit être sélectionné. En l'absence de phosphate trisodique, le carbonate de sodium peut être utilisé pour nettoyer les pièces en acier.

Le temps de nettoyage dans un bain à ultrasons varie de 0,5 à 3 minutes. La température maximale autorisée du milieu de lavage est de 90 ° C.

Avant de changer le liquide de lavage, le générateur doit être éteint, empêchant le fonctionnement des transducteurs sans liquide dans le bain.

Les pièces sont nettoyées dans le bain à ultrasons dans l'ordre suivant : l'interrupteur d'alimentation est réglé sur la position "Arrêt", la vanne de vidange du bain est réglée sur la position "Fermé", le liquide de lavage est versé dans le bain à ultrasons jusqu'à un niveau de 120 - 130 mm, la fiche du câble d'alimentation est branchée sur un réseau de prises électriques avec une tension de 220 V.

L'installation est testée: allumez l'interrupteur à bascule en position «On», tandis que le voyant doit s'allumer et que le bruit de fonctionnement du liquide de cavitation doit apparaître. L'apparition de la cavitation peut également être jugée par la formation de minuscules bulles mobiles sur les transducteurs du bain.

Après avoir testé l'installation, celle-ci doit être déconnectée du secteur, chargée dans le bain des pièces contaminées et commencer le traitement.

Installations à ultrasons conçues pour le traitement de pièces diverses avec un puissant champ acoustique ultrasonore en milieu liquide. Les unités UZU4-1.6/0 et UZU4M-1.6/0 permettent de résoudre les problèmes de nettoyage fin des filtres des systèmes de carburant et d'huile hydraulique des dépôts de carbone, des substances goudronneuses, des produits de cokéfaction d'huile, etc. Les filtres nettoyés acquièrent en fait une seconde vie. De plus, ils peuvent être soumis à un traitement ultrasonique à plusieurs reprises. Des montages sont également disponibles batterie faible Série UZSU pour le nettoyage et le traitement de surface par ultrasons de diverses pièces. Les processus de nettoyage par ultrasons sont nécessaires dans les industries de l'électronique, de l'instrumentation, de l'aviation, de l'espace et des fusées et partout où des technologies de pointe technologiquement propres sont requises.

Unités UZU 4-1.6-0 et UZU 4M-1.6-0

Nettoyage par ultrasons de divers filtres d'avions à partir de substances résineuses et de produits de cokéfaction.

La base de cette méthode de traitement est l'effet mécanique sur le matériau. Elle est dite ultrasonore car la fréquence de battement correspond à la gamme des sons inaudibles (f = 6-10 5 kHz).

Les ondes sonores sont des vibrations élastiques mécaniques qui ne peuvent se propager que dans un milieu élastique.

Lorsqu'une onde sonore se propage dans un milieu élastique, les particules de matériau effectuent des vibrations élastiques autour de leurs positions à une vitesse dite vibrationnelle.

La condensation et la raréfaction du milieu dans une onde longitudinale se caractérisent par un excès, ce que l'on appelle la pression acoustique.

La vitesse de propagation d'une onde sonore dépend de la densité du milieu dans lequel elle se déplace. En se propageant dans un milieu matériel, une onde sonore transporte de l'énergie qui peut être utilisée dans des processus technologiques.

Avantages du traitement par ultrasons :

La possibilité d'obtenir de l'énergie acoustique par diverses méthodes techniques ;

Large gamme d'applications des ultrasons (du traitement dimensionnel au soudage, brasage, etc.);

Facilité d'automatisation et d'exploitation ;

Désavantages:

Coût accru de l'énergie acoustique par rapport aux autres formes d'énergie ;

La nécessité de fabriquer des générateurs de vibrations ultrasonores ;

La nécessité de fabriquer des outils spéciaux avec des propriétés et une forme spéciales.

Les vibrations ultrasonores s'accompagnent d'un certain nombre d'effets qui peuvent être utilisés comme base pour le développement de divers procédés :

Cavitation, c'est-à-dire la formation de bulles dans le liquide et leur éclatement.

Dans ce cas, de fortes pressions instantanées locales apparaissent, atteignant 10 8 N/m2 ;

L'absorption des vibrations ultrasonores par une substance, dans laquelle une partie de l'énergie est convertie en chaleur et une partie est dépensée pour modifier la structure de la substance.

Ces effets sont utilisés pour :

Séparation de molécules et de particules de différentes masses dans des suspensions inhomogènes ;

Coagulation (grossissement) des particules ;

Disperser (écraser) une substance et la mélanger avec d'autres;

Dégazage de liquides ou de matières fondues dû à la formation de grosses bulles pop-up.

1.1. Éléments d'installations à ultrasons

Toute installation à ultrasons (US) comprend trois éléments principaux :

Source de vibrations ultrasonores ;

Transformateur de vitesse acoustique (hub);

Détails de la pièce jointe.

Les sources de vibrations ultrasonores (US) peuvent être de deux types - mécaniques et électriques.

Mécanique convertir l'énergie mécanique, par exemple, la vitesse d'un liquide ou d'un gaz. Il s'agit notamment de sirènes à ultrasons ou de sifflets.

Les sources électriques des tests par ultrasons convertissent l'énergie électrique en vibrations mécaniques élastiques de la fréquence appropriée. Les transducteurs sont électrodynamiques, magnétostrictifs et piézoélectriques.

Les plus répandus sont les transducteurs magnétostrictifs et piézoélectriques.

Le principe de fonctionnement des transducteurs magnétostrictifs est basé sur l'effet magnétostrictif longitudinal, qui se manifeste par une modification de la longueur d'un corps métallique en matériaux ferromagnétiques (sans modification de leur volume) sous l'influence d'un champ magnétique.

L'effet magnétostrictif de différents matériaux est différent. Le nickel et le permendur (alliage fer-cobalt) ont une magnétostriction élevée.

Le boîtier du transducteur magnétostrictif est un noyau constitué de plaques minces, sur lequel un enroulement est placé pour y exciter un champ électromagnétique alternatif à haute fréquence.

Le principe de fonctionnement des transducteurs piézoélectriques repose sur la capacité de certaines substances à modifier leurs dimensions géométriques (épaisseur et volume) sous l'effet d'un champ électrique. L'effet piézoélectrique est réversible. Si une plaque piézoélectrique est soumise à une déformation en compression ou en traction, des charges électriques apparaîtront sur ses faces. Si l'élément piézoélectrique est placé dans une variable champ électrique, alors il sera déformé, excitant dans environnement vibration ultrasonique. Une plaque oscillante en matériau piézoélectrique est un transducteur électromécanique.

Les éléments piézoélectriques à base de titane de baryum, de zirconate de plomb et de titane sont largement utilisés.

Les transformateurs de vitesse acoustiques (concentrateurs de vibrations élastiques longitudinales) peuvent avoir forme différente(Fig. 1.1).

Riz. 1.1. Formes de moyeu

Ils servent à adapter les paramètres du transducteur à la charge, à fixer le système oscillant et à introduire des vibrations ultrasonores dans la zone du matériau traité. Ces dispositifs sont des tiges de différentes sections, constituées de matériaux résistants à la corrosion et à la cavitation, résistants à la chaleur, résistants aux environnements agressifs.

1.2. Utilisation technologique vibration ultrasonique

Dans l'industrie, les ultrasons sont utilisés dans trois domaines principaux : Forcer l'impact sur le matériel, l'intensification et contrôle par ultrasons processus.

force sur le matériau

Il est appliqué pour usinage alliages durs et extra-durs, obtention d'émulsions stables, etc.

Deux types de traitement par ultrasons sont les plus couramment utilisés à des fréquences caractéristiques de 16 à 30 kHz :

Usinage dimensionnel sur machines utilisant des outils;

Nettoyage en bains liquides.

Le principal mécanisme de travail de la machine à ultrasons est l'unité acoustique (Fig. 1.2). Il est conçu pour mettre l'outil de travail en mouvement oscillatoire. Le nœud acoustique est alimenté par un générateur d'oscillations électriques (généralement un générateur à tube), auquel l'enroulement 2 est connecté.

L'élément principal de l'unité acoustique est un convertisseur magnétostrictif (ou piézoélectrique) de l'énergie des vibrations électriques en énergie des vibrations élastiques mécaniques - vibreur 1.

Riz. 1.2. Unité acoustique d'installation à ultrasons

Les vibrations du vibrateur, qui s'allongent et se raccourcissent de manière variable avec une fréquence ultrasonore dans la direction du champ magnétique de l'enroulement, sont amplifiées par le concentrateur 4 fixé à l'extrémité du vibreur.

Un outil en acier 5 est fixé au moyeu de sorte qu'il y ait un espace entre son extrémité et la pièce 6.

Le vibrateur est placé dans un boîtier en ébonite 3, où l'eau courante de refroidissement est fournie.

L'outil doit avoir la forme d'une section donnée du trou. Dans l'espace entre la face frontale de l'outil et la surface de la pièce à traiter, un liquide avec les plus petits grains de poudre abrasive est fourni par la buse 7.

Depuis l'extrémité oscillante de l'outil, les grains abrasifs acquièrent une plus grande vitesse, frappent la surface de la pièce et en éliminent les plus petits copeaux.

Bien que la productivité de chaque impact soit négligeable, les performances de la machine sont relativement élevées, ce qui est dû à la fréquence élevée de l'outil (16-30 kHz) et au grand nombre de grains abrasifs se déplaçant simultanément avec une accélération élevée.

Au fur et à mesure que les couches de matériau sont retirées, l'outil est automatiquement alimenté.

Un liquide abrasif est fourni à la zone de traitement sous pression et lave les déchets de traitement.

Grâce à la technologie ultrasonique, vous pouvez effectuer des opérations telles que le perçage, le ciselage, le perçage, la coupe, le meulage et autres.

Les bains à ultrasons (Fig. 1.3) sont utilisés pour nettoyer les surfaces pieces en metal des produits de corrosion, des films d'oxydes, des huiles minérales, etc.

Le fonctionnement d'un bain à ultrasons repose sur l'utilisation de l'effet des chocs hydrauliques locaux qui se produisent dans un liquide sous l'action des ultrasons.

Le principe de fonctionnement d'un tel bain est le suivant : la pièce (1) est immergée dans une cuve (4) remplie d'un liquide de lavage (2). L'émetteur de vibrations ultrasonores est un diaphragme (5) relié à un vibrateur magnétostrictif (6) avec un adhésif (8). Le bain est installé sur un support (7). Des ondes de vibrations ultrasonores (3) se propagent dans zone de travail où le traitement a lieu.

Riz. 1.3. bain à ultrasons

Le nettoyage par ultrasons est le plus efficace pour éliminer les contaminants des cavités, des recoins et des petits canaux difficiles d'accès. De plus, ce procédé permet d'obtenir des émulsions stables de tels liquides non miscibles par les voies habituelles, tels que l'eau et l'huile, le mercure et l'eau, le benzène, et autres.

L'équipement à ultrasons est relativement coûteux, il est donc économiquement faisable d'utiliser le nettoyage par ultrasons de petites pièces uniquement dans la production de masse.

Intensification des procédés technologiques

Les vibrations ultrasonores modifient considérablement le cours de certains processus chimiques. Par exemple, la polymérisation à une certaine intensité sonore est plus intense. Avec une diminution de l'intensité sonore, le processus inverse est possible - la dépolymérisation. Par conséquent, cette propriété est utilisée pour contrôler la réaction de polymérisation. En modifiant la fréquence et l'intensité des vibrations ultrasonores, il est possible de fournir la vitesse de réaction requise.

En métallurgie, l'introduction de vibrations élastiques de fréquence ultrasonore dans les masses fondues entraîne un broyage important des cristaux et une accélération de la formation de dépôts lors de la cristallisation, une diminution de la porosité, une augmentation des propriétés mécaniques des masses fondues solidifiées, et une diminution de la teneur en gaz des métaux.

Contrôle de processus par ultrasons

À l'aide de vibrations ultrasonores, il est possible de surveiller en permanence l'avancement du processus technologique sans effectuer tests de laboratoireéchantillons A cet effet, la dépendance des paramètres des ondes sonores à propriétés physiques environnement, puis en changeant ces paramètres après l'action sur l'environnement, son état est jugé avec une précision suffisante. En règle générale, des vibrations ultrasonores de faible intensité sont utilisées.

En modifiant l'énergie d'une onde sonore, il est possible de contrôler la composition de divers mélanges qui ne sont pas des composés chimiques. La vitesse du son dans de tels milieux ne change pas et la présence d'impuretés en suspension affecte le coefficient d'absorption de l'énergie sonore. Cela permet de déterminer le pourcentage d'impuretés dans la substance d'origine.

Par la réflexion des ondes sonores à l'interface entre milieux ("transmission" par un faisceau ultrasonore), il est possible de déterminer la présence d'impuretés dans le monolithe et de créer des dispositifs de diagnostic ultrasonores.

Conclusions : ultrasons - ondes élastiques avec une fréquence d'oscillation de 20 kHz à 1 GHz, inaudibles oreille humaine. Les installations à ultrasons sont largement utilisées pour le traitement des matériaux en raison des vibrations acoustiques à haute fréquence.

Les 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 pour la dissolution, l'émulsification, la dispersion, ainsi que les dispositifs de réception et de transmission de vibrations mécaniques utilisant l'effet de magnétostriction. L'installation contient un transducteur magnétostrictif à bâtonnet ultrasonique, une chambre de travail réalisée sous la forme d'un tuyau cylindrique métallique et un guide d'ondes acoustiques dont l'extrémité rayonnante est fixée hermétiquement à la partie inférieure du tuyau cylindrique au moyen d'une bague d'étanchéité élastique , et l' extrémité réceptrice de ce guide d' ondes est acoustiquement reliée rigidement à la surface rayonnante du transducteur à ultrasons à tige . On introduit en outre dans l'installation un émetteur annulaire magnétostrictif dont le circuit magnétique est plaqué acoustiquement rigidement sur le tube de la chambre de travail. L'unité à ultrasons génère un champ acoustique à deux fréquences dans le milieu liquide traité, ce qui garantit une augmentation de l'intensification du processus technologique sans compromettre la qualité du produit final. 3 sem. f-ly, 1 malade.

L'invention concerne les dispositifs de nettoyage et de traitement par ultrasons de suspensions dans des champs acoustiques puissants, notamment pour la dissolution, l'émulsification, la dispersion, ainsi que les dispositifs de réception et de transmission de vibrations mécaniques utilisant l'effet de magnétostriction.

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

le plus proche solution techniqueà la proposition est une installation à ultrasons de type UZVD-6 (A.V. Donskoy, O.K. Keller, 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 tube métallique cylindrique, et un guide d'onde acoustique dont l'extrémité rayonnante est fixée hermétiquement à la partie inférieure du tube cylindrique au moyen d'une bague d'étanchéité élastique, et l'extrémité de réception de ce guide d'onde est reliée acoustiquement rigidement à la surface rayonnante du transducteur à ultrasons à tige.

L'inconvénient des installations à ultrasons connues identifiées est que la chambre de travail possède une source unique de vibrations ultrasonores, qui lui sont transmises depuis un transducteur magnétostrictif à travers l'extrémité du guide d'onde, dont les propriétés mécaniques et les paramètres acoustiques déterminent le rayonnement maximal admissible intensité. Souvent, l'intensité de rayonnement résultant des vibrations ultrasonores ne peut pas répondre aux exigences du processus technologique en termes de qualité du produit final, ce qui nécessite de prolonger le temps de traitement ultrasonore du milieu liquide et conduit à une diminution de l'intensité du processus technologique.

Ainsi, les installations à ultrasons identifiées lors de la recherche de brevet, l'analogue et le prototype de l'invention revendiquée, lorsqu'ils sont mis en œuvre, ne permettent pas d'atteindre le résultat technique, qui consiste à augmenter l'intensification du processus technologique sans réduire la qualité de la produit final.

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

L'essentiel de l'invention réside dans le fait que dans une 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'onde acoustique dont l'extrémité rayonnante est fixée hermétiquement à la partie inférieure du tube cylindrique au moyen d'une bague d'étanchéité élastique, et l'extrémité réceptrice de ce guide d'ondes reliée acoustiquement rigidement à la surface rayonnante du transducteur ultrasonore à tige, on introduit en outre un émetteur magnétostrictif annulaire, dont le circuit magnétique est pressé acoustiquement rigidement sur le tube de la chambre de travail. De plus, une bague d'étanchéité élastique est fixée sur l'extrémité rayonnante du guide d'onde dans la zone de l'unité 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. Par ailleurs, 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 du radiateur magnétostrictif annulaire.

Le résultat technique est obtenu comme suit. Le transducteur ultrasonique à tige est une source de vibrations ultrasonores fournissant paramètres requis champ acoustique dans la chambre de travail de l'installation pour la mise en œuvre du processus technologique, qui assure l'intensification et la qualité du produit final. Un guide d'onde acoustique, dont l'extrémité rayonnante est hermétiquement fixée à la partie inférieure du conduit cylindrique, et l'extrémité de réception de ce guide d'onde est reliée acoustiquement rigidement à la surface rayonnante du transducteur ultrasonore à tige, assure la transmission des vibrations ultrasonores au milieu liquide traité de la chambre de travail. En même temps, l'étanchéité et la mobilité de la connexion sont assurées du fait que l'extrémité rayonnante du guide d'ondes est fixée 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 transmettre des vibrations mécaniques du transducteur à travers le guide d'ondes dans la chambre de travail, dans le milieu liquide en cours de traitement, 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 sur l'extrémité rayonnante du guide d'onde dans la zone du noeud de déplacement, contrairement au prototype où elle est installée dans la zone du ventre de déplacement. En conséquence, dans l'installation selon le prototype, la bague d'étanchéité amortit les vibrations et réduit le facteur de qualité du système oscillant, et donc réduit l'intensité du processus. Dans l'installation revendiquée, la bague d'étanchéité est installée dans la zone de l'unité de déplacement, de sorte qu'elle n'affecte pas le système oscillatoire. Cela 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 processus technologique sans compromettre la qualité du produit final. De plus, puisque dans l'installation revendiquée, la bague d'étanchéité est installée dans la zone du nœud, 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'ondes avec bas tuyaux de la chambre de travail, ce qui vous permet d'économiser 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, l'anneau est progressivement détruit par les vibrations, ce qui réduit progressivement l'intensité du rayonnement, puis viole l'étanchéité de la connexion et perturbe le fonctionnement de l'installation.

L'utilisation d'un émetteur magnétostrictif annulaire permet de réaliser un grand pouvoir de conversion et une zone de rayonnement importante (A.V. Donskoy, O.K. Keller, G.S. Kratysh "Ultrasonic electrotechnological installations", Leningrad : Energoizdat, 1982, p. 34), et permet donc fournir une intensification du processus technologique sans réduire la qualité du produit final.

La conduite étant réalisée cylindrique et l'émetteur magnétostrictif introduit dans l'installation étant réalisé annulaire, il est possible d'appuyer le circuit magnétique sur la surface extérieure de la conduite. Lorsque la tension d'alimentation est appliquée à l'enroulement du circuit magnétique, un effet magnétostrictif se produit dans les armatures, ce qui conduit à une déformation des armatures annulaires du circuit magnétique dans le sens radial. En même temps, du fait que le tuyau est en métal et que le circuit magnétique est pressé 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 du radiateur 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 du tuyau au milieu liquide en cours de traitement. 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. Il en résulte qu'un champ acoustique avec une seconde fréquence de résonance se forme dans le milieu liquide en cours de traitement dans l'installation revendiquée. Parallèlement, l'introduction d'un émetteur magnétostrictif annulaire dans l'installation revendiquée augmente la surface de la surface rayonnante par rapport au prototype : la surface rayonnante du guide d'onde et une partie de la paroi interne de la chambre de travail, à l'extérieur surface sur laquelle est appuyé un émetteur magnétostrictif annulaire. Une augmentation de la surface de la surface rayonnante 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, car le placer sous l'extrémité rayonnante du guide d'onde 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 de l'émetteur annulaire au-dessus de l'extrémité rayonnante du guide d'onde 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.

La surface rayonnante d'un radiateur magnétostrictif annulaire étant 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 circuit magnétique de l'émetteur est appuyé. Étant donné que la surface rayonnante d'un transducteur à ultrasons à tige est réalisée sous la forme d'une sphère concave, cette surface rayonnante concentre également l'énergie sonore, mais près d'un point situé sur l'axe central du tuyau. Ainsi, à différentes focales, les foyers des deux surfaces rayonnantes coïncident, concentrant une puissante énergie acoustique dans un petit volume de la chambre de travail. L'extrémité inférieure du circuit magnétique du radiateur annulaire étant située dans le même plan que l'extrémité rayonnante du guide d'onde acoustique, dans lequel la sphère concave a un rayon égal à la moitié de la longueur du circuit magnétique du radiateur magnétostrictif annulaire, le point de focalisation de l'énergie acoustique se situe au milieu de la ligne axiale du tube, 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. Golyanina, M.: Encyclopédie soviétique, 1979, p. 367-370). Dans la zone de focalisation des énergies acoustiques des deux surfaces rayonnantes, l'intensité de l'impact 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 forte intensité d'exposition au champ. En raison de la puissante intensité locale de l'impact, même les matériaux difficiles à couper sont détruits. De plus, dans ce cas, des ultrasons puissants sont retirés des parois, ce qui protège les parois de la chambre de la destruction et de la contamination du matériau traité par le produit de destruction des parois. Ainsi, l'exécution de la surface de l'extrémité rayonnante du guide d'onde acoustique est 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'impact du champ acoustique sur le milieu liquide traité, et assure ainsi l'intensification du processus technologique sans réduire la qualité du produit final.

Comme indiqué ci-dessus, dans l'installation revendiquée, un champ acoustique à deux fréquences de résonance se forme 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 annulaire pressé sur le tube de la chambre de travail. La fréquence de résonance d'un radiateur magnétostrictif annulaire est déterminée à partir de l'expression lcp=λ=c/fres, où lcp est la longueur de l'axe du circuit magnétique du radiateur, λ est la longueur d'onde dans le matériau du circuit magnétique, c est la vitesse des oscillations élastiques dans le matériau du circuit magnétique, fres est la fréquence de résonance du radiateur (A.V. Donskoy, O.K. Keller, 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 l'axe du circuit magnétique annulaire, qui à son tour est déterminé par le diamètre extérieur du tube de la chambre de travail : plus l'axe du circuit magnétique, plus la deuxième fréquence de résonance de l'installation est basse.

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

Lorsqu'il est exposé à un champ acoustique dans le milieu liquide traité, des écoulements acoustiques apparaissent - des écoulements vortex stationnaires du liquide qui se produisent dans un champ sonore inhomogène libre. Dans l'installation revendiquée, deux types d'ondes acoustiques se forment dans le milieu liquide traité, chacune avec sa propre fréquence de résonance : une onde cylindrique se propage radialement depuis 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 flux acoustiques sur le milieu liquide traité, puisque chaque fréquence de résonance produit ses propres flux acoustiques qui mélangent intensément le liquide. Ceci conduit également à une augmentation de la turbulence des flux acoustiques et à un brassage encore plus intense du liquide traité, ce qui augmente l'intensité de l'impact 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 d'un champ acoustique, une cavitation se produit dans le milieu liquide traité - la formation de ruptures de 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 et pulsent dans le champ. Si le champ acoustique est fort, la bulle s'effondre après une période d'onde sonore (cas idéal), lorsqu'elle entre dans la zone de haute pression créée par ce champ. En s'effondrant, les bulles génèrent de fortes perturbations hydrodynamiques dans le milieu liquide, un rayonnement intense d'ondes acoustiques et provoquent la destruction des surfaces de solides adjacentes au liquide en cavitation. Dans l'installation revendiquée, le champ acoustique est plus puissant que le champ acoustique de l'installation selon le prototype, ce qui s'explique par la présence de deux fréquences de résonance dans celle-ci. De ce fait, 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'impact du champ acoustique sur le milieu liquide traité, et assure donc l'intensification du procédé 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 de la basse fréquence est grande et les bulles ont le temps de grossir. La durée de vie d'une bulle pendant la cavitation est d'une période de fréquence. Lorsque la bulle se referme, cela crée une puissante pression. Plus la bulle est grosse, plus haute pression est créé lorsqu'il est fermé. Dans l'installation à ultrasons revendiquée, en raison de la sonication à deux fréquences du liquide traité, 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 sont dues à la haute fréquence. Lors du nettoyage de surfaces ou lors 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-impact, affaiblissant l'intégrité de la particule solide de l'intérieur. Des bulles plus grosses, en s'effondrant, provoquent la formation de nouvelles microfissures dans les particules solides, affaiblissant encore les liaisons mécaniques en elles. 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, raccourcissent les chaînes et forment les conditions de petites bulles pour une destruction supplémentaire des liaisons intermoléculaires. En conséquence, l'intensification du processus technologique est augmentée sans réduire la qualité du produit final.

De plus, dans l'installation revendiquée, à la suite de l'interaction d'ondes acoustiques avec différentes fréquences de résonance dans le milieu liquide traité, des battements se produisent en raison 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 d'une onde acoustique peut dépasser plusieurs fois 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, se formant dans les pores, irrégularités, fissures de surface corps solide, qui est en suspension, forment des flux acoustiques locaux qui mélangent intensivement le liquide dans tous les microvolumes, ce qui permet également d'intensifier le processus technologique sans réduire la qualité du produit final.

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

Le dessin montre l'installation à ultrasons revendiquée. L'installation à ultrasons contient un transducteur magnétostrictif à bâtonnet ultrasonique 1 avec une surface rayonnante 2, un guide d'onde acoustique 3, une chambre de travail 4, un circuit magnétique 5 d'un radiateur magnétostrictif annulaire 6, une bague d'étanchéité élastique 7, une goupille 8. Les trous 9 sont prévu dans le circuit magnétique 5 pour réaliser un bobinage d'excitation (non représenté). La chambre de travail 4 est réalisée sous la forme d'un tuyau cylindrique métallique, tel que de l'acier. Dans l'exemple d'installation, le guide d'ondes 3 est réalisé sous la forme d'un tronc de cône, dans lequel l'extrémité rayonnante 10 est fixée hermétiquement à la partie inférieure du tube de la chambre de travail 4 au moyen d'une bague d'étanchéité élastique 7, et le l'extrémité de réception 11 est reliée axialement par une goupille 8 à la surface rayonnante 2 du convertisseur 1. Circuit magnétique 5 réalisé sous la forme d'un boîtier de plaques magnétostrictives en forme d'anneaux, et pressé rigidement acoustiquement sur le tube de la chambre de travail 4 ; de plus, le circuit magnétique 5 est pourvu d'un bobinage d'excitation (non représenté).

La bague d'étanchéité élastique 7 est fixée sur l'extrémité rayonnante 10 du guide d'onde 3 dans la zone du noeud 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. Par ailleurs, la surface de l'extrémité rayonnante 10 du guide d'onde acoustique 3 est réalisée concave, sphérique, de rayon de sphère égal à la moitié de la longueur du circuit magnétique 5 du radiateur magnétostrictif annulaire 6.

En tant que transducteur à ultrasons à tige, par exemple, un transducteur magnétostrictif à ultrasons du type PMS-15A-18 (BT3.836.001 TU) ou PMS-15-22 (9SuIT.671.119.003 TU) peut être utilisé. Si le processus technologique nécessite des fréquences plus élevées: 44 kHz, 66 kHz, etc., le transducteur à tige est fabriqué à base de piézocéramique.

Le circuit magnétique 5 peut être réalisé dans un matériau à striction négative, tel que le nickel.

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

Sous l'influence du champ acoustique à deux fréquences formé dans le milieu traité 12, des courants acoustiques et une cavitation se produisent. Dans ce cas, comme indiqué ci-dessus, les bulles de cavitation diffèrent par leur taille: les plus grosses sont le résultat d'un impact à basse fréquence sur le milieu liquide, et les petites - à haute fréquence.

Dans un milieu liquide cavitant, par exemple, lors de la dispersion ou du nettoyage de 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-impact, affaiblissant l'intégrité de la particule solide de l'intérieur. Des bulles plus grosses, en s'effondrant, cassent la particule affaiblie de l'intérieur en petites fractions.

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

Pendant l'émulsification et la dissolution, les grosses bulles de cavitation détruisent les liaisons intermoléculaires dans les composants du futur mélange, raccourcissent les chaînes et forment les conditions d'une destruction supplémentaire des liaisons intermoléculaires pour les petites bulles de cavitation. L'onde acoustique de choc et la turbulence accrue des flux acoustiques, qui sont les résultats du 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 en cours est intensifié sans réduire la qualité du produit final. Comme les tests l'ont montré, par rapport au prototype, la densité de puissance du convertisseur revendiqué est deux fois plus élevée.

Pour améliorer 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, O.K. Keller, G.S. Kratysh "Ultrasonic electrotechnological installations", Leningrad: Energoizdat, 1982, p. 169) : un système de canalisations reliées 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. Une 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 rayonnante est fixée hermétiquement à la partie inférieure du tube cylindrique au moyen d'un élastique bague d'étanchéité, et l'extrémité de réception de ce guide d'ondes est reliée acoustiquement rigidement à la surface rayonnante d'un transducteur ultrasonore à barreau, caractérisé en ce qu'un émetteur magnétostrictif annulaire est en outre introduit dans l'installation, dont le circuit magnétique est plaqué acoustiquement rigidement 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 sur l'extrémité rayonnante du guide d'onde dans la zone du noeud 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 que 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 rendue concave, sphérique, de rayon de sphère égal à la moitié de la longueur du circuit magnétique du radiateur magnétostrictif annulaire.

La configuration se compose d'un rack de laboratoire, d'un générateur d'ultrasons, d'un transducteur magnétostrictif de haute qualité très efficace et de trois émetteurs-guides d'ondes (concentrateurs) vers le transducteur. a un réglage par étapes de la puissance de sortie, 50%, 75%, 100% de la puissance de sortie nominale. Le réglage de la puissance et la présence de trois émetteurs-guides d'ondes différents dans l'ensemble (avec un gain de 1: 0,5, 1: 1 et 1: 2) vous permettent d'obtenir différentes amplitudes de vibrations ultrasonores dans les liquides étudiés et les milieux élastiques, environ, de 0 à 80 microns à une fréquence de 22 kHz.

Années d'expérience dans la fabrication et la vente équipement à ultrasons confirme la nécessité consciente d'équiper tous les types de production moderne de haute technologie avec des installations de laboratoire.

L'obtention de nanomatériaux et de nanostructures, l'introduction et le développement de nanotechnologies sont impossibles sans l'utilisation d'équipements à ultrasons.

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

• obtention de nano-poudres de métaux ;
• utiliser lorsque vous travaillez avec des fullerènes;
• étude du déroulement des réactions nucléaires dans des conditions de forts champs ultrasonores (fusion froide);
• excitation de sonoluminescence dans des 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 le métal en fusion pour le dégazage ;
• et bien d'autres.

Disperseurs à ultrasons modernes avec générateurs numériques série I10-840

L'unité à ultrasons (disperseur, homogénéisateur, émulsifiant) ​​I100-840 est conçue pour les études en laboratoire des effets des ultrasons sur des milieux liquides à commande numérique, réglable en continu, avec sélection numérique de la fréquence de fonctionnement, avec une minuterie, avec la possibilité de connectez des systèmes oscillatoires de différentes fréquences et puissances et enregistrez les paramètres de traitement dans une mémoire non volatile.

L'unité peut être équipée de systèmes oscillatoires magnétostrictifs ou piézocermiques à ultrasons avec une fréquence de fonctionnement de 22 et 44 kHz.

Si nécessaire, il est possible de compléter le disperseur avec des systèmes oscillants pour 18, 30, 88 kHz.

Les unités de laboratoire à ultrasons (disperseurs) sont utilisées :

• pour les études d'impact en laboratoire cavitation ultrasonique sur divers liquides et échantillons placés dans un liquide;
• pour dissoudre des substances et liquides difficiles ou légèrement 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 ;
• pour exclure l'agrégation de particules minérales lors de l'hydrotriage (poudres abrasives, géomodificateurs, diamants naturels et artificiels, etc.) ;
• pour le lavage par ultrasons de produits complexes d'équipements de carburant automobile, d'injecteurs et de carburateurs ;
• pour des études sur la résistance à la cavitation des pièces et mécanismes de machines;
• et dans le cas le plus simple - comme bain de nettoyage à ultrasons à haute intensité. Les précipitations et les dépôts sur la verrerie de laboratoire et le verre sont éliminés ou dissous en quelques secondes.