УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С РАДИАЛЬНО РАСПОЛОЖЕННЫМИ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИМИ ПАКЕТАМИ

Андрей Викторович Шалунов; Владимир Николаевич Хмелев; Виктор Александрович Нестеров; Александр Сергеевич Боченков

doi:10.25712/ASTU.2072-8921.2022.4.2.009

Авторы

Андрей Викторович Шалунов Бийский технологический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»
Владимир Николаевич Хмелев Бийский технологический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»
Виктор Александрович Нестеров Бийский технологический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»
Александр Сергеевич Боченков Бийский технологический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

DOI:

https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2022.4.2.009

Ключевые слова:

преобразователь Ланжевена, ультразвуковой излучатель, высокочастотные колебания

Аннотация

В настоящей статье описывается конструкция ультразвукового ппьезоэлектрического преобразователя увеличенной акустической мощности. Повышение мощности достигается за счет суммирования акустической мощности нескольких преобразователей Ланжевена, установленных на единой излучающей накладке.

Проведенные исследования позволили установить, что основной недостаток этого пьезопреобразователя заключается в разрушении пьезокерамических колец в следствии высокой неравномерности распределения амплитуд колебаний в местах их установки.

Теоретические и экспериментальные исследования позволили провести оптимизацию и устранить выявленный недостаток пьезоэлектрического преобразователя. При этом в качестве критерия оптимизации был выбран максимум равномерности распределения амплитуд колебаний в области присоединения пьезокерамических колец. В результате проведенных исследований разработана оптимизированная конструкция высокочастотных преобразователей. Определено, что установка 9-11 радиально расположенных пьезокерамических пакетов обеспечивает минимальную неравномерность колебаний в области присоединения пьезоколец при этом преобразователь рассчитанный на 30 кГц обеспечивает акустическую мощность не менее 1450 Вт с КПД 78%.

Библиографические ссылки

Riera, E., Golás, Y., Blanco, A., Gallego-Juárez, J.A., Blasco, M. & Mulet, A. (2004). Mass transfer enhancement in supercritical fluids extraction by means of power ultrasound. Ultrasonics Sonochemistry, (11), 241-244. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2004.01.019.

Khmelev, V.N., Shalunov, A.V., Dorovskikh, R.S., Nesterov, V.A., Golykh, R.N. & Kozhevnikov, I.S. Ultrasonic coagulation to improve the efficiency of the gas cleaning systems. 18th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM). NSTU: Novosibirsk, Russia. DOI: 10.1109/EDM.2017.7981759.

Khmelev, V.N., Kuzovnikov, Y.M., Tsyganok, S.N., Levin, S.V., & Khmelev, S.S. Evaluation of the area of intensive coagulation of dispersed-phase particles in emulsion and suspension due to high-intensive ultrasonic treatment. International Conference and Seminar of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices, Erlagol, Altai, 2012. NSTU: Novosibirsk, Russia. DOI: 10.1109/EDM.2012.6310205.

Kuzovnikov, Y.M., Khmelev, S.S., Tsyganok, S.N. & Khmelev, V.N. Studying of coagulation and sedimentation of small hard particles in liquid medium during ultrasonic treatment. 11th International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM). NSTU: Novosibirsk, Russia. DOI: 10.1109/EDM.2010.5568805.

Avvaru, B., Patil, M.N., Gogate, P.R. & Pandit, A.B. (2006). Ultrasonic atomization: Effect of liquid phase properties. Ultrasonics. (44), 146-158. DOI: 10.1016/j.ultras.2005.09.003.

Khmelev, V.N., Galakhov, A.N., Shalunov A.V., Nesterov, A.V., Golykh, R.N. & Shalunova A.V. Study of the process of liquid atomization from the ultrasonic disk radiator. 14th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM). NSTU: Novosibirsk, Russia. DOI: 10.1109/EDM.2013.6641956.

Transducer, B.L., Takahashi, T. & Adachi, K. (1998). Influence of static prestress on the characteristics of bolt-clamped Langevin-type transducers. Jpn. J. Appl. Phys. (37), 2982-2987. DOI: 10.1143/JJAP.37.2982.

Adachi, K., Konno, Y. & Masaki, S. (1994). Development of bolt-clamped Langevin-type transducer factor for excitation of large torsional vibration with high mechanical quality. Jpn. J. Appl. Phys. (33), 1182-1188. DOI: 10.1143/JJAP.33.1182.

Abdullah, A., Shahini, M. & Pak, A. (2009). An approach to design a high power piezoelectric ultrasonic transducer. J. Electroceram. (22), 369-382.

Shahini, M., Abdullah, A. & Rezaei, M. (2004). Design and Manufacture of an Ultrasonic Transducer with 1 kW Power and 22 kHz Frequency Using Piezoceramics. Extended abstract of master of science thesis. AmirKabir University of Technology.

Lin, S. (2006). Study on the Langevin piezoelectric ceramic ultrasonic transducer of longitudinal–flexural composite vibrational mode. Ultrasonics. (44), 109-114. DOI: 10.1016/j.ultras.2005.09.002.

Lin, S. & Zhang, F. (2000). Measurement of ultrasonic power and electro-acoustic efficiency of high power transducers. Ultrasonics. (37), 549-554. DOI: 10.1016/S0041-624X(99)00076-1.

Lin, S., Xu, L. & Wenxu, H. (2011). A new type of high power composite ultrasonic transducer. J. Sound Vib. (330), 1419-1431. DOI: 10.1016/j.jsv.2010.10.009.

Lais, H., Lowe, P.S., Gan, T.H. & Wrobel, L.C. (2018). Numerical modelling of acoustic pressure fields to optimize the ultrasonic cleaning technique for cylinders. Ultrason. Sonochem. (45), 7-16. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2018.02.045.

Wei, X., Yang, Y., Yao, W. & Zhang, L. (2017). PSpice Modeling of a Sandwich Piezoelectric Ceramic Ultrasonic Transducer in Longitudinal Vibration. Sensors. (17), 2253 (1-18). DOI: 10.3390/s17102253.

Bar-Cohen, Y., Sherrit, S. & Herz, J.L. (2007). ULTRASONIC/ SONICJACKHAMMER. Patent 20070193757A1. US, published on 23.08.2007.

Хмелев В.Н. Высокочастотный электроакустический излучатель с увеличенной мощностью воздействия // Южно-сибирский научный вестник. 2019. № 4(28). С. 270-278. DOI: 0.25699/SSSB.2019.28.46386.

Berlincourt, D.A., Curran, D.R. & Jaffe, H. (1964). Piezoelectric and Piezomagnetic Materials and Their Function in Transducers. Physical Acoustics. 169-270. DOI: 10.1016/B978-1-4832-2857-0.50009-5.

Khmelev, V.N., Barsukov, R.V., Tsyganok, S.N., Steer, V.N., Shalunov, A.V. & Lebedev, A.N. (2003). Adjusting and calibration electronic ultrasonic generators. Siberian Russian Workshop on Electron Devices and Materials. 202-204. DOI: 10.1109/SREDM.2003.1224227.

Khmelev, V.N., Barsukov, R.V., Shalunov, A.V., Abramenko, D.S., Genne, D.V. & Abramov, A.D. Design features of electronic generators for radiators intended for influence on gas media. 11th International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM). NSTU: Novosibirsk, Russia. DOI: 10.1109/EDM.2010.5568802.

Khmelev, V.N., Tsyganok, S.N., Barsukov, R.V. & Lebedev, A.N. A system of a automatic measurement of acoustic power of the ultrasonic equipment. International Siberian Workshop on Electron Devices and Materials 2004. Erlagol, Altai, Russia. DOI: 10.1109/PESC.2004.241344.

Kazancev, I.V., Lebedev, A.N. & Abramenko, D.S. The Method of Oscillations Amplitude Measuring. Siberian Russian Workshop and Tutorial on Electron Devices and Materials 2007. Erlagol, Altai, Russia. DOI: 10.1109/SIBEDM.2007.4292987.