Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
ОДЕРЖАННЯ УЛЬТРАЗВУКУ ТА ЙОГО ЗАСТОСУВАННЯ В ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСАХ
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2005
Тип роботи:
Лабораторна робота
Предмет:
Інші
Група:
МЕ
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти та науки України
Національний університет “Львівська політехніка”
Лабораторна робота №2
на тему:
„ ОДЕРЖАННЯ УЛЬТРАЗВУКУ ТА ЙОГО ЗАСТОСУВАННЯ В ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСАХ”
Мета роботи – ознайомлення з основами техніки одержання ультразвуку, розрахунком основних конструкційних елементів магнітострикційного перетворювача та його застосуванням у різноманітних технологічних процесах.
Відомості про ультразвук та його одержання.
Ультразвуковими коливаннями або просто ультразвуком називають механічні коливання пружного середовища (повітря, рідини, металу), частота яких лежить за верхнею межею чутності людського вуха, тобто перевищує 20 кГц.
Для одержання ультразвукових коливань використовують два абсолютно різні явища – п’єзоефект і магнітострикцію.
Одержання ультразвуку
Для одержання ультразвукових коливань використовують два абсолютно різні явища – п’єзоефект і магнітострикцію.
Ефект магнітострикції (від грецького слова “магнетик” і латинського “стриктус” – стиснутий, розтягнутий) був відкритий у 1847 році.
Було виявлено, що при перемагнічуванні електричним струмом стержнів зі заліза і нікелю вони змінюють свої розміри. Стержень або зменшується, або збільшується в такт зміні струму в обмотці соленоїда. Зі зміною розмірів стержня виникають коливання оточуючого середовища – звук, а при струмах високої частоти – ультразвук.
Таким чином, принцип дії електромеханічних випромінювачів (магнітострикторів) полягає у перетворенні електричних коливань струму відповідної частоти в обмотці магнітостриктора в механічні коливання його осердя. Для одержання механічних (ультразвукових) коливань необхідний змінний струм ультразвукової частоти.
Розроблені і широко застосовуються електричні генератори необхідної потужності для всього діапазону ультразвукових частот.
Для підсилення амплітуди коливань осердя магнітостриктора, тобто для одержання потужніших ультразвукових коливань, використовується явище резонансу. Осердя магнітостриктора розраховується таким чином, щоб частота змінного струму генератора відповідала резонансній частоті коливань осердя.
Найкращими матеріалами для магнітострикційних перетворювачів (випромінювачів) є нікель, пермендюр (К49Ф2, К-65), альфер (Ю-12, Ю-14).
Для зменшення втрат за рахунок струмів Фуко (вихрових струмів) тіло магнітостриктора складається з тонких пластинок, ізольованих одна від одної.
Інший метод перетворення електричних коливань високої частоти в механічні коливання пов’язаний із використанням п’єзоелектричного ефекту. Цей метод знайшов широке застосування при вивченні ультразвукових коливань; він дозволяє отримати коливання найвищої ультразвукової частоти (5 ( 6 МГц).
У 1880 році братами Кюрі було виявлено, що при розтягу і стиску в певному напрямку на поверхні деяких кристалів виникають електричні заряди. Це явище було назване п’єзоелектричним ефектом. Заряд, що виникає при деформації кристала, пропорційний до стиску або розтягу кристала. Знак заряду залежить від виду деформації. П’єзоелектричний ефект було виявлено на кристалах турмаліну, кварцу, хлорату натрію та ін.
П’єзоелектричний ефект зворотній, тобто такі кристали в електричному полі стискаються і розтягуються з частотою, яка відповідає частоті зміни знаків електричних зарядів на йх площинах.
Таким чином, п’єзокристали стають випромінювачами ультразвуку. За допомогою п’єзокристалів не вдається одержати ультразвукові коливання великої потужності і п’єзокристалічні випромінювачі використовують переважно для дефектоскопії.
Магнітострикційні перетворювачі
За відомою потужністю P ультразвукового генератора (Вт), площу S перерізу стержня перетворювача можна визначити за формулою :
, ( 1 )
де PП – питома потужність матеріала перетворювача.
Ширину вікна с приймають з урахуванням розміщення обмотки залежно від потужності P. Значення с становить :
Потужність, кВт
0.25 – 0.5
0.5 – 1.0
1.0 – 2.2
2.0 – 3.0
с, мм
8 – 10
10 - 14
14 - 16
15 - 18
При квадратному ( найбільш прийнятному ) перерізі пакета ширина H пластини визначається за формулою :
. ( 2 )
Тоді ширина кожного стержня складатиме :
. ( 3 )
Величина накладки b :
. ( 4 )
Довжину вікна пластини визначають за формулою :
, ( 5 )
де ( - коефіцієнт ( ), V- швидкість розповсюдження звуку в матеріалі пакета, f – частота.
Виконуючи ці розрахунки, можна з достатньою для практики точністю визначити довжину пластини l :
( 6 )
На рис.1 наведено графік для визначення довжини пластини магнітострикційного перетворювача в залежності від потужності P пристрою при робочій частоті f = 22 кГц.
Число витків обмотки двохстержневого пакета магнітострикційного перетворювача визначається з виразу :
U = 4,44 . n . f . S . B . 10-8, ( 7 )
де f – частота, n – число витків на двох стержнях, S – площа перерізу одного стержня, B – індукція (Гаусс), яка для пермендюра становить 900 – 1200, а для нікелю – 400 – 500, U - напруга збудження.
Струм підмагнічування визначається за формулою :
, ( 8 )
де H0 – напруженість магнітного поля, l – довжина пакета, n – число витків обмотки на стержнях.
Рис.1. Графік залежності довжини пластини l від потужності Р:
1 – для пермендюра; 2 – для нікелю.
Концентратори
Використовують в основному концентратори ступінчастої, експоненційної, конусної і катеноїдальної форми (рис.2).
Рис.2. Типи концентраторів :
а – ступінчастий; б – експоненційний; в – конусний; г – катеноїдальний.
У загальному вигляді концентратор – це стержень зі змінною площею поперечного перерізу, завдяки чому здійснюють трансформацію амплітуди. Основною характеристикою концентратора є теоретичний коефіцієнт підсилення К, який показує, у скільки разів амплітуда коливань його вихідного торця є більшою за амплітуду на вхідному торці. Цей коефіцієнт залежить від співвідношення N діаметрів вхідного D1 і вихідного D2 торців концентратора :
( 9 )
На рис.3 зображені залежності коефіцієнта К від N для концентраторів різних типів.
Рис.3. Залежності коефіцієнта підсилення амплітуди від співвідношення діаметрів вхідного і вихідного торців концентраторів: 1 – ступінчастого; 2 – катеноїдального; 3 – експоненційного; 4 – конусного.
Розрахунок ступінчастого концентратора
Резонансна довжина концентратора lP ( див. рис. 3, а ) визначається з виразу :
, ( 10 )
де ( - довжина хвилі в стержні сталого перерізу ;
с – швидкість повздовжніх хвиль (для сталі с = 5.1 105 см/с);
резонансна частота.
Ураховуючи те, що концентратори як правило зі сталі, тобто с = const, при визначені їх резонансної довжини можна скористатися даними таблиці.
Коефіцієнт підсилення амплітуди для ступінчастого концентратора :
. ( 11 )
Вага стального концентратора визначається з виразу :
, ( 12 )
де ( - густина матеріала концентратора ( для сталі ( = 7.8 кГ/см3).
Залежність довжини ступінчастого концентратора
від резонансної частоти.
Резонансна частота, кГц
18
19
20
20.5
21
21.5
22
22.5
Довжина lp, мм
142
132
128
122
119
116
114
111
Вираз для знаходження вузла зміщення, де амплітуда дорівнює нулю :
. ( 13 )
Рисунки конструкцій перетворювача і концентратора.
Одностержневий ( а ) і двохстержневий ( б ) магнітострикційні переторювачі: 1 – стержень; 2 – накладка.
Типи концентраторів :
а – ступінчастий; б – експоненційний; в – конусний; г – катеноїдальний.
Ультразвукові генератори.
Це джерела живлення, за допомогою яких електрична енергія промислової частоти перетворюється в енергію змінного струму ультразвукової частоти.
Найважливішою характеристикою ультразвукового генератора є його вихідна потужність. Найширше використовують генератори з потужністю від 0.2 до 0.4 кВт. В окремих випадках – до 1 кВт. Вихідну потужность генератора регулюють в межах 50 – 100 % від номіналу.
Іншою важливою характеристикою ультразвукового генератора є його коефіцієнт корисної дії (ККД), який залежить від потужності, типу ламп або напівпровідників та інших даних. Встановлено, що повний ККД генератора не повинен бути нижчим таких значень: при вихідній потужності генератора до 0.4 кВт – 30 %, 0.6 – 1.6 кВт – 40 % і 2.5 – 4.0 кВт – 50 %.
До генераторів ставлять такі основні технічні вимоги :
Можливість плавного регулювання частоти в заданому діапазоні (22 кГц ( 7.5%).
Стабільність амплітуди коливань повинна підтримуватись в межах ( ().
Крива вихідної напруги повинна мати синусоїдний характер.
Економічність, тобто високий ККД
Простота конструкції, зручність експлуатації та ремонту, мінімальні габарити і маса.
На практиці використовують лампові генератори, які працюють за схемою з незалежним збудженням. Останнє дозволяє просто і точніше настроювати генератор на потрібну частоту. Такі генератори містять три каскади: задаючий, проміжний і вихідний. Задаючий каскад формує імпульси заданої частоти, а наступні підсилюють їх до необхідної потужності.
Основні технічні характеристики лампового
ультразвукового генератора УЗГ – 0,2 М
Вихідні потужність, кВт ................................................... 0.2
Споживана потужність, кВт ............................................ 0.5
Робоча частота, кГц ........................................................ 20 ( 24
Струм підмагнічування, А................................................. 4
Габаритні розміри, мм :
в плані................................................................ 250 ( 360
висота ....................................................................... 220
Маса, кг............................................................................. 15
На цей час лампові ультразвукові генератори витісняються напівпровідниковими генераторами, які мають кращі характеристики і підвищену надійність. У сучасних генераторах передбачена можливість автоматичної підстройки частоти шляхом акустичного зворотнього зв'язку коливної системи з генератором. Можливість автопідстроювання частоти виключає необхідність підстроювання її під час роботи і підвищує продуктивність процесу ультразвукової обробки.
Принципові схема технологічних процесів ультразвукового різання, паяння та очистки.
Принципова схема ультразвукового різання.
Ультразвукове паяння магнітострикційним перетворювачем :
1 – окисна плівка; 2 – розплавлений припій; 3 – жало паяльника; 4 – обмотка магнітостриктора; 5 – нагрівна обмотка; 6 – очищена поверхня; 7 – метал.
Схема ультразвукової очистки :
1 – ванна; 2 – очисний розчин; 3 – концентратор; 4 – сердечник;
5 – обмотка магнітостриктора.
Висновок.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора