Ультразвуковой рог - Ultrasonic horn

Обычный конвергентный ультразвуковой рупор производства Industrial Sonomechanics, LLC[1]
Полноволновой ультразвуковой рожок для штанги от компании Industrial Sonomechanics, LLC[1]

An ультразвуковой рог (также известен как акустический рог, сонотрод, акустический волновод, ультразвуковой зонд) представляет собой сужающийся металлический стержень, обычно используемый для увеличения амплитуды колебательного смещения, обеспечиваемой ультразвуковым преобразователь работает на нижнем конце ультразвукового частотного спектра (обычно от 15 до 100 кГц). Устройство необходимо, потому что амплитуды, обеспечиваемые самими преобразователями, недостаточны для большинства практических применений мощности. УЗИ.[2] Еще одна функция ультразвукового рупора - эффективная передача акустической энергии от ультразвукового преобразователь в обрабатываемые СМИ,[3] которые могут быть твердыми (например, в ультразвуковая сварка, ультразвуковая резка или ультразвуковая пайка ) или жидкости (например, в ультразвуковой гомогенизация, сонохимия, фрезерование, эмульгирование, распыление или же разрушение клеток ).[1] Ультразвуковая обработка жидкостей зависит от сильных сдвиговых сил и экстремальных местных условий (температуры до 5000 K и давления до 1000 атм), создаваемых акустическими кавитация.[2]

Описание

Ультразвуковой рупор обычно представляет собой твердый металлический стержень с круглым поперечным сечением и продольным сечением переменной формы - стержень Рог. В другую группу входят блокировать рупор, имеющий большое прямоугольное поперечное сечение и продольное сечение переменной формы, и более сложные составные рупоры.[4] Устройства этой группы используются с твердой обработанной средой. Длина устройства должна быть такой, чтобы возник механический резонанс на желаемой ультразвуковой частоте работы - одна или несколько полуволн ультразвука в материале рупора, с учетом зависимости скорости звука от поперечного сечения рупора. В обычном узле ультразвуковой рог жестко соединен с ультразвуковым преобразователь с помощью шпильки с резьбой.

Ультразвуковые рупоры можно классифицировать по следующим основным признакам: 1) Форма продольного сечения - ступенчатая, экспоненциальная, коническая, катеноидная и т. Д. 2) Форма поперечного сечения - круглая, прямоугольная и т. Д. 3) Количество элементов с различными профиль продольного сечения - общий и составной.[3][5] Композитный ультразвуковой рупор имеет переходную секцию определенной формы продольного поперечного сечения (нецилиндрическую), расположенную между цилиндрическими секциями.

Продольные сечения простых полуволновых ультразвуковых рупоров: 1 - конический, 2 - экспоненциальный или катеноидальный, 3 - ступенчатый. Во всех цифрах: V (z) и е (г) - распределения амплитуды и деформации
Продольное сечение круглого композитного сходящегося полуволнового ультразвукового рупора, где L1, L3 - цилиндрические участки, L2 - катеноидальный переходный участок
Продольный разрез круглого полноволнового рожка Штанги, где L1, L3, L5 - цилиндрические участки, L2 - экспоненциальное переходное сечение, L4 - коническое переходное сечение
Рупор в ультразвуковой дрели 1955 года. Рупор, длинный сужающийся стальной стержень в центре, соединяет ультразвуковой преобразователь в корпусе вверху с инструментом, который прижимается к заготовке на рабочем столе внизу.

Часто ультразвуковой рупор имеет переходную секцию с продольным профилем поперечного сечения, которая сходится к выходному концу. Таким образом, амплитуда продольных колебаний рупора к выходному концу увеличивается, а площадь его поперечного сечения уменьшается.[6] Ультразвуковые рожки этого типа используются, прежде всего, в составе различных ультразвуковых инструментов для ультразвуковая сварка, ультразвуковая пайка, резка, изготовление хирургических инструментов, обработка расплавленного металла и т. д. Сходящиеся ультразвуковые рожки также обычно используются в лабораторных жидкостных процессорах, используемых для различных технологических исследований, в том числе сонохимический, эмульгирование, разгон и многие другие.[7]

В мощных промышленных ультразвуковых жидкостных процессорах,[8] например коммерческий сонохимический реакторы, ультразвуковые гомогенизаторы и ультразвуковые измельчающие системы, предназначенные для обработки больших объемов жидкостей при высоких ультразвуковых амплитудах (ультразвуковое перемешивание, производство наноэмульсий, диспергирование твердых частиц, ультразвуковая нанокристаллизация и т. д.), предпочтительным типом ультразвукового рупора является рупор Барбелла.[7] Рупоры со штангой способны усиливать ультразвуковые амплитуды, сохраняя при этом большой выходной диаметр и излучающие площади. Следовательно, можно напрямую воспроизвести лабораторные исследования оптимизации в коммерческой производственной среде, переключившись с конвергенции на рожки со штангой, сохраняя при этом высокие амплитуды ультразвука. При правильном масштабировании процессы дают такие же воспроизводимые результаты на заводе, как и в лаборатории.[7]

Максимально достижимая амплитуда ультразвука зависит, прежде всего, от свойств материала, из которого изготовлен ультразвуковой рупор, а также от формы его продольного сечения. Обычно рога делают из титановые сплавы, например Ti6Al4V, нержавеющая сталь, например 440C, а иногда алюминиевые сплавы или порошковые металлы. Наиболее распространенные и простые в изготовлении формы переходных сечений: конический и катеноидный.

Приложения

Пластмассы

Потребительские товары, автомобильные компоненты, медицинские приборы и большинство отраслей промышленности используют ультразвуковое оборудование. Металлические вставки могут быть закреплены в пластике, а разнородные материалы часто могут быть соединены с помощью надлежащей конструкции инструментов. Ультразвуковые рупоры бывают разных форм и конструкций, но все они должны быть настроены на определенную рабочую частоту; наиболее распространенными являются 15 кГц, 20 кГц и 40 кГц.

Ультразвуковая сварка использует высокочастотное вертикальное движение для получения тепла и потока термопластического материала на границе сопрягаемых деталей. Давление поддерживается после прекращения подачи энергии, чтобы обеспечить повторное затвердевание переплетенного пластика в месте соединения, скрепляя детали однородным или механическим соединением. Этот процесс предлагает экологически безопасные средства сборки в отличие от обычных клеев или механических креплений.[9]

Рекомендации

  1. ^ а б c Веб-сайт Industrial Sonomechanics, 2011 г.
  2. ^ а б Пешковский, С. , Пешковский А.С. Ударно-волновая модель акустической кавитации // Ультразвук. Сонохим., 2008. 15: с. 618–628.
  3. ^ а б Пешковский, С. и Пешковский, А.С., "Согласование преобразователя с водой при кавитации: принципы проектирования акустического рупора", Ультразвук. Сонохим., 2007. 14: с. 314–322.
  4. ^ Веб-сайт Sonic Power
  5. ^ Абрамов О.В. "Ультразвук высокой интенсивности: теория и промышленное применение", 1999: CRC Press. 692.
  6. ^ «Конструкции и свойства ультразвукового рупора», веб-сайт Industrial Sonomechanics, 2011 г.
  7. ^ а б c "Ультразвуковая технология рога штанги", веб-сайт Industrial Sonomechanics, 2011 г.
  8. ^ «Ультразвуковые жидкостные процессорные системы», веб-сайт Industrial Sonomechanics, 2011 г.
  9. ^ «Ультразвук», ToolTex.com, 2013 г.

дальнейшее чтение

  • Т. Дж. Мейсон; Дж. Филлип Лоример (2002). Прикладная сонохимия: использование мощного ультразвука в химии и обработке. Wiley-VCH. ISBN  3-527-30205-0.
  • Ятиш Т. Шах; А. Б. Пандит; В. С. Мохолкар (1999). Разработка кавитационных реакций. Springer. ISBN  0-306-46141-2.