Ультразвуковий випромінювач для газових середовищ

Реферат: Ультразвуковий випромінювач для газових середовищ включає корпус, рупор, п'єзоелектричний диск та узгоджуючу структуру. В ультразвуковий випромінювач введено стакан з поглиначем. Корпус ультразвукового випромінювача для газових середовищ та резонатор виконано як єдину деталь. П'єзокерамічний диск наклеєно на нижню сторону резонатора. Узгоджуючу структуру встановлено безпосередньо перед резонатором по всій його площі. Резонатор сперто по контуру без затискання, внаслідок чого на його активній поверхні відсутнє вузлове коло і може збуджуватись лише перша мода коливань. UA 90737 U (54) УЛЬТРАЗВУКОВИЙ ВИПРОМІНЮВАЧ ДЛЯ ГАЗОВИХ СЕРЕДОВИЩ UA 90737 U UA 90737 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі генерування ультразвукових хвиль високої інтенсивності у газах і може бути використана для вузькоспрямованого передавання акустичної інформації, дистанційної обробки газових середовищ, вимірювання відстані та відлякування небажаних тварин. Відомі методи та пристрої, в основу яких покладено принцип згинних коливань п'єзоелектричного дискового біморфного елемента, що передаються у зовнішнє газове середовище через рупор або випромінюючу мембрану конічної форми [1, 2]. Спільним недоліком відомих пристроїв є недостатнє узгодження вихідного імпедансу з імпедансом газового середовища і, як наслідок, невеликий акустичний тиск і коефіцієнт корисної дії. Це призводить до значних енерговитрат, особливо при випромінюванні потужних ультразвукових коливань. У відомому пристрої [1] в деякій мірі підвищується узгодження з газовим середовищем за рахунок використання конічної мембрани, закріпленої вершиною в центрі вузлового кола першої моди біморфного перетворювача, проте наявність вузлового кола на активній поверхні випромінювача, обумовлена його кріпленням як вільного резонатора, також призводить до незворотних втрат енергії. Найбільш близьким до корисної моделі, що заявляється, за технічною суттю є ультразвуковий перетворювач на згинних коливаннях для газових середовищ, який містить корпус, рупор, п'єзоелектричний диск та узгоджуючу структуру з отворами [3]. Недоліком відомого пристрою є умови кріплення згинного резонатора, що відповідають режиму коливань затиснутої по контуру пластини, яка має вузлове коло на активній поверхні (друга мода коливань). Внаслідок цього внутрішня і зовнішня частини резонатора коливаються в протифазі, що призводить до незворотних втрат енергії, що випромінюється його зовнішньою частиною. Незворотні енергетичні втрати виникають також по контуру біморфного елемента, де здійснюється його механічне кріплення. Крім цього відомий пристрій неможливо виконати герметичним та іскробезпечним, оскільки його електричні контакти знаходяться безпосередньо в тому газовому середовищі, куди випромінюються ультразвукові коливання. В основу корисної моделі поставлено задачу підвищити іскробезпеку та коефіцієнт корисної дії ультразвукового випромінювача для газових середовищ шляхом більш повного використання активної поверхні його резонатора та герметичного виконання. Особливістю корисної моделі є спосіб виконання згинного резонатора з корпусом, завдяки якому він не мaє вузлового кола на активній поверхні. Оскільки коливання резонатора в такому разі відбуваються всією площиною в одній фазі, вони є більш ефективними щодо передачі енергії у газове середовище, ніж коливання несинфазне. Поставлена задача вирішується тим, що в ультразвуковому випромінювачі для газових середовищ, що містить корпус, рупор, п'єзоелектричний диск та узгоджуючу структуру, згідно з корисною моделлю, новим є те, що в нього введено стакан з поглиначем, причому корпус ультразвукового випромінювача для газових середовищ, нижня грань якого слугує резонатором, виконано як єдину деталь, п'єзокерамічний диск наклеєно на нижню сторону резонатора, а узгоджуючу структуру встановлено безпосередньо перед резонатором по всій його площі. Новим також є те, що резонатор сперто по контуру без затискання, внаслідок чого він працює на першій моді згинних коливань, а на його активній поверхні відсутнє вузлове коло. Таке функціональне вирішення ультразвукового випромінювача для газових середовищ за рахунок спирання резонатора по контуру дає можливість збуджувати першу моду згинних коливань, яка не має на своїй активній поверхні вузлового кола. Це створює можливість для синфазних коливань усієї площі елемента, підвищуючи його ефективність. Виконання корпуса і резонатора як єдиної деталі зводить до мінімуму кількість клейових з'єднань, що суттєво знижує активні втрати, а, отже, і внутрішній імпеданс, а також забезпечує можливість герметичного виконання ультразвукового випромінювача для газових середовищ, особливо в іскронебезпечних газових середовищах. На кресленні зображено ультразвуковий випромінювач для газових середовищ. Суть корисної моделі пояснюється кресленням. Пристрій складається з корпусу 1, на нижню грань якого, що слугує резонатором, наклеєно п'єзокерамічний диск 2, зверху на корпус 1 нагвинчено рупор 3, знизу на корпусі 1 встановлено стакан 4, на дно якого наклеєно поглинач 5. Зверху на деякій відстані від резонатора закріплено узгоджуючу структуру 6 з отворами. Пристрій, що пропонується, працює наступним чином. На корпус 1 і п'єзокерамічний диск 2 через дроти 7 подається електричний сигнал ультразвукової частоти. За рахунок п'єзоефекту п'єзокерамічний диск 2 разом з нижньою гранню корпусу 1, яка слугує резонатором, зазнають згинних коливань. Вони фактично являють собою напівпасивний біморфний елемент. Ці коливання спричиняють рух газового середовища, 1 UA 90737 U що безпосередньо контактує з резонатором, яке через отвори в узгоджуючій структурі 6 і рупор 3 передається назовні. Коефіцієнт трансформації узгоджуючої структури по коливальній швидкості визначається за формулою w S kw  2  1 w1 S 2 , 5 10 15 20 25 30 35 40 де w1 , w 2 - коливальні швидкості до і після узгоджуючої структури, S1 - площа п'єзокерамічного диска, S 2 - сумарна площа отворів узгоджуючої структури. За допомогою рупора 3 за рахунок збільшення площі відбувається підвищення коефіцієнта осьової концентрації випромінювача. Поглинач 5 при цьому гасить внутрішнє акустичне поле у стакані 4, що створюється згинними коливаннями п'єзокерамічного диска, яке могло б негативно впливати на згинні коливання резонатора. Підвищення електроакустичного коефіцієнта корисної дії ультразвукового випромінювача для газових середовищ при використанні пропонованої корисної моделі відбувається за рахунок виконання згинного резонатора як єдиної деталі з корпусом, за якого він не має вузлового кола на активній поверхні. Оскільки коливання резонатора за такого способу відбуваються всією площиною в одній фазі, вони є більш ефективними щодо передачі енергії у газове середовище, ніж коливання несинфазне. Виконання корпуса і резонатора як єдиної деталі зводить до мінімуму кількість клейових з'єднань, що суттєво знижує активні втрати. Крім цього спирання резонатора по контуру дає можливість збуджувати першу моду згинних коливань, яка не має на своїй активній поверхні вузлового кола. Це суттєво покращує умови узгодження ультразвукового випромінювача з газовим середовищем. Крім цього така конструкція корпуса 1 та резонатора дала можливість ефективно вирішити питання іскробезпеки. Іскробезпека ультразвукового випромінювача для газових середовищ досягається герметичним виконанням його електричної частини з п'єзоелементом 2 та електричними дротами 7, що досягається встановленням з нижньої частини корпуса 1 герметичного стакана 4. В корисній моделі, що пропонується, за рахунок збільшення коефіцієнта корисної дії одночасно підвищується акустичний тиск, що створюється ультразвуковим випромінювачем у газовому середовищі, а також заявляється можливість застосовування його у вибухонебезпечних середовищах, що особливо важливо для створення сучасних економічних ультразвукових приладів і систем, які широко використовуються у промисловості. Таким чипом, заявлена корисна модель дозволяє створити нові ультразвукові прилади з підвищеною потужністю, дальністю дії та розширеною сферою використання. Зокрема це вимірювання та облік витрат енергомістких рідин у технологічних резервуарах, автомобільних баках та інших ємностях. Ультразвуковий випромінювач для газових середовищ було успішно випробувано в акустичній лабораторії ОКБ "Шторм" при НТУУ "КПІ" а також використано у науково-дослідних роботах з ультразвукової обробки газових середовищ. Джерела інформації: 1. Патент США № US4368400 А, МПК G10K 9/00, H04R 17/00, В06В 1/06, G10K 9/122, від 11.10.1983. 2. Авторское свидетельство СССР № 496051, кл. В06В 1/06, 04.01.1974. 3. Патент Росії № 2123180, С1 МПК G01N 29/04, В06В 1/06, 10.12.1998. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 Ультразвуковий випромінювач для газових середовищ, що включає корпус, рупор, п'єзоелектричний диск та узгоджуючу структуру, який відрізняється тим, що в нього введено стакан з поглиначем, причому корпус ультразвукового випромінювача для газових середовищ та резонатор виконано як єдину деталь, п'єзокерамічний диск наклеєно на нижню сторону резонатора, а узгоджуючу структуру встановлено безпосередньо перед резонатором по всій його площі, причому резонатор сперто по контуру без затискання, внаслідок чого на його активній поверхні відсутнє вузлове коло і збуджується лише перша мода коливань. 2 UA 90737 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3