Ультразвуковые излучатели и генераторы, применение УЗ

ksv

Сам излучатель Ланжевена мне посчитать нормально так и не удалось - почему-то результаты расчетов сильно расходились с результатами измерений. Так что с Ланжевеном я ограничился чистой эмпирикой.

Остальные элементы в совокупности моделировал методом конечных элементов в пакете FreeFem++. Это - неплохой бесплатный пакет. Решалась осесимметричная задача на собственные значения и собственные вектора при заданной геометрии. Получилось достаточно правдоподобно. Для меня УЗ - дело новое. Поэтому было интересно "почувствовать" как меняются моды собственных колебаний при варьировании геометрии железяк. Очень увлекательное и полезное занятие! смех

После этого многие вещи становятся простыми и понятными. Пример одного варианта - во вложении.

Но а вообще-то, ступенчатый концентратор - вещь довольно известная - обе ступени должны быть по четверти длины волны. Гантельный излучатель после концентратора - полуволновой. Поэтому если известна марка материала (точнее - продольная скорость звука), то размеры прикинуть легко и на бумажке. Лучше сделать с небольшим запасом - потом подогнать размеры уже конкретно под резонанс. Подгоняя ступенчатый концентратор, нужно с двух сторон отрезать одинаково. Чтобы плечики были точно посередине.

Stkr писал(а):
...можно ли увидеть ее чертеж?
Ну если для хорошего дела, то не жалко. Берите. Во вложении - фотография набора деталей перед сборкой (Ланжевен уже собран) и чертеж концентратора и излучающей накладки. Наконечник на чертеже другой, титановый. Но наконечник - самая простая деталь. Цилиндр подходящего диаметра (26 мм) с отверстием М5 под шпильку. Концентратор крепится к излучающей накладке шпилькой М10, наконечник гантельки крепится к концентратору при помощи шпильки М5.

Добавлено: Tue Apr 03, 2012 11:39 am

скруглением ступени.png (10.87 Кб)
Результат моделирования гантельного излучателя. Поле смещений.

01 Набор деталей для сборки УЗ-излучателя.jpg (652.69 Кб)
Набор деталей для сборки УЗКС

.png (257.52 Кб)
Чертеж ступенчатого концентратора и излучающей накладки для пьезокерамических шайб 38х13х6.5

Stkr

Большое спасибо! drink

Да пока, в общем никакого особого дела, но, думаю, чуть позже заняться этим вопросом. И шайба даже где-то в закромах лежит! Smile

Добавлено: Tue Apr 03, 2012 11:54 am

ksv

С одной шайбой будет неудобно делать электрическую развязку. Обычно в излучателях Ланжевена используется четное количество пьезокерамических шайб, включенных попарно встречно (по направлению поляризации). Ну на всякий случай (как бы уже совсем для окончательной ясности Smile

), вот на рисунке устройство излучателя Ланжевена с двумя пьезиками.

Удачи!

Добавлено: Tue Apr 03, 2012 6:55 pm

.png (258.14 Кб)

Seriyvolk
Бездельник

А какого порядка напряжение к пьезикам прикладывается?

Добавлено: Tue Apr 03, 2012 7:17 pm

Stkr

ksv писал(а):
С одной шайбой будет неудобно делать электрическую развязку. Обычно в излучателях Ланжевена используется четное количество пьезокерамических шайб, включенных попарно встречно (по направлению поляризации). Ну на всякий случай (как бы уже совсем для окончательной ясности Smile), вот на рисунке устройство излучателя Ланжевена с двумя пьезиками.

Удачи!
О, спасибо за пояснение! Но, боюсь вторую такую же шайбу мне уже не достать - опытный образец. Ничего, слюдяные прокладки сделаю! подмигивает

А, вот еще забыл, такой вопрос - система автоколебательная(в смысле ОС есть?) или кормится фиксированной частотой генератора?

Добавлено: Tue Apr 03, 2012 10:19 pm

neon
ПИЗДАБОЛ

[Stkr] обратной связи скорее всего нет, т.к. для УЗ это отдельная песня, а инвертор там универсальный.

Добавлено: Tue Apr 03, 2012 10:46 pm

ksv

Seriyvolk писал(а):
А какого порядка напряжение к пьезикам прикладывается?
Еэх! Что-то я даже не удосужился померить напряжение на самих-то пьезиках! не знаю

Хороший вопрос. Спасибо! Померю - напишу.

В данной системе используется компенсирующий дроссель, включенный последовательно с пьезиками. Они подключены ко вторичке согласующего трансформатора. Коэффициент трансформации - почти единичка. Напряжение питания инвертора регулируется при помощи ЛАТРа от 0 до 240 В (действующих). У нас в институте слегка повышенное напряжение питания сети.
Так что напряжение на цепочке "дроссель-пьезик" может изменяться от 0 до примерно 340 В. В данных экспериментах по левитации все начинает летать уже приблизительно с сотни вольт (на выходе инвертора).

Stkr писал(а):
А, вот еще забыл, такой вопрос - система автоколебательная(в смысле ОС есть?) или кормится фиксированной частотой генератора?
В экспериментах с левитацией резонансные частоты практически не гуляют, поэтому здесь модуль АПЧ не использовался. Т.е. - внешний генератор с регулируемой "ручками" частотой. В порядке эксперимента оставлял висеть шарики на примерно пол-часа. Частота сильно не уходила. Продолжали спокойно висеть. Так что здесь АПЧ не нужна.

=======================
PS

Немного про АПЧ. Для разнообразия... Smile

В ультразвуке, действительно, как уже отметил neon, есть нюансы при организации АПЧ. Во-первых, электромеханические нагрузки имеют довольно сложный спектр собственных (резонансных) мод. Причем, эти моды могут быть достаточно близки по частоте. В этом смысле УЗ-нагрузки гора-а-аздо сложнее, чем, например, индуктор с конденсаторной батарее в индукционном нагреве. Во-вторых, резонансные частоты склонны заметно "плавать" при нагреве УЗКС и изменении режимов ее работы. В третьих, - в целом достаточно высокая добротность УЗ-нагрузок. Ну и, наконец, - электромеханическая сущность пьезиков - наличие как бы двух "колебательных подсистем", которые называются "электрической" и "механической" ветвями.

Поэтому, при организации АПЧ, приходится применять некоторые специальные меры. Неплохо работает вариант с явным выделением механической ветви при помощи дифференциального трансформатора тока в цепи нагрузки. В частности, одна из ведущих УЗ-команд в России из Бийска часто использует такой вариант в своих промышленных разработках. Кажется они этот метод и придумали.

На других своих УЗ-задачах я тоже использую такой (бийский) подход к организации АПЧ. Неплохо работает! Для ясности - блок-схема - во вложении. Используются те же самые электронные модули (инвертор и компенсатор задержек) что и для ИН. Отличается только нагрузка и метод выделения сигнала ОС.

Добавлено: Wed Apr 04, 2012 3:55 am

АПЧ.GIF (7.62 Кб)
Блок-схема организации АПЧ при работе с пьезоэлектрическими УЗ-нагрузками.

Stkr

ksv, спасибо за пояснение и "бийский метод"! drink

Добавлено: Wed Apr 04, 2012 6:28 am

ksv

Seriyvolk, сегодня днем померил обещанное напряжение непосредственно на пьезике. Немножко еще "причесал" схему согласования пьезика (см. вложение). В результате такого "причесывания" стабильная левитация шариков на 60 мм зазоре (10 шариков) начинается вообще при напряжении питания инвертора от 20 В!!! Это амплитуда меандра на выходе инвертора. При этом амплитуда напряжения непосредственно на пьезике (там после НЧ-фильтра LfCf уже синус) - около 350 В. Вот что такое добротность пьезика (порядка 500) при работе на воздухе! Совсем "бесплатная" левитация получилась. Потребляемая мощность всей системы - около 5 ВА!!! Можно вообще запитать инвертор от батареек! восторг

Добавлено: Wed Apr 04, 2012 6:04 pm

.GIF (2.98 Кб)
Схема согласования пьезика с инвертором.

Seriyvolk
Бездельник

ksv писал(а):
около 350 В ужас

Немало совсем, я думал будет гораздо меньше...

Добавлено: Wed Apr 04, 2012 8:33 pm

ksv

Резонанс, однако! смех

---------------------------
Добротность на воздухе порядка 400-500. Если погрузить наконечник в воду на четверть волны, то такие напряжения раскачиваются уже только при мощности около 150 Вт. Так что все зависит от механической нагрузки излучателя и их согласования. Сейчас как раз с этим разбираюсь - пытаюсь научиться моделировать все эти хитрые процессы (взаимодействие УЗКС с внешней средой). приплыли

Добавлено: Thu Apr 05, 2012 2:47 am

DRV

ksv
так вот и пиши где нашел, как делал.

а то тупо потс, вот увас ниче нету, оставлю пару фоточек здесь

Добавлено: Thu Apr 05, 2012 6:51 am

ksv

Ух ты!

Давайте я сам решу что и как писать. Естественно, в рамках правил данного форума.
Ну а если у Вас есть конкретные вопросы, замечания, предложения по теме - с удовольствием отвечу или приму участие в обсуждении, если, конечно, будет что сказать.

Добавлено: Thu Apr 05, 2012 8:31 am

Stkr

Offtopic:

DRV писал(а):
так вот и пиши где нашел, как делал.

а то тупо потс, вот увас ниче нету, оставлю пару фоточек здесь
Даже сказать нечего - йобаный стыд

Добавлено: Thu Apr 05, 2012 1:30 pm

DRV

ksv
ну что вы, конечно вы решаете, что и как и главное зачем писать

чем китай игрухой студентов удивлять, лучшеб удивили ультразвуковым трансмиттером российского производства смех

интересно побежит кто нибудь эти резонаторы точить или нет ??

да ладно чем трепаться, лучше пойду свои косяки разгребать смех

Добавлено: Thu Apr 05, 2012 7:24 pm

ksv

DRV писал(а):
лучше пойду свои косяки разгребатьВот это правильно! отлично

==============================

Ну а мы продолжим разговор об эффектах, возникающих в сильных ультразвуковых полях. О левитации в воздухе мы поговорили, теперь поговорим о некоторых явлениях, связанных с мощным ультразвуком, в жидкостях. То же самое устройство (самодельная УЗКС и самодельный инвертор, о которых шла речь чуть раньше здесь) неплохо работает и с жидкостями.

Как известно, при превышении ультразвуковым полем некоторого порога, в жидкости возникает так называемая "ультразвуковая кавитация". При этом жидкость как бы "разрывается" в зонах отрицательного звукового давления и в ней образуется большое количество пузырьков. Жизнь кавитационных пузырьков сложна и удивительна. Они колеблются, растут, достигают критического размера и затем схлопываются. При схлопывании пузырька внутри его образуется сходящаяся ударная волна. В результате в жидкости образуются локальные участки с очень высокими температурами (до 5-10 тысяч градусов) и давлениями. Именно из-за таких кавитационных пузырьков даже обыкновенная вода становится химически активной. Об этом - как-нибудь позже, если зайдет разговор. А здесь хотелось бы поговорить о более простых (в экспериментальном плане) эффектах, которые сравнительно просто наблюдать даже "на бытовом уровне".

Один из роликов, которые я снимал вчера и хотел бы поделиться с сообществом, посвящен коллективным эффектам, возникающим в облаке кавитационных пузырьков. Дело в том, что если пузырьки колеблются в звуковом поле, то между ними возникает сила притяжения, которая называется "силой Бьеркнеса". Эта сила приводит к довольно интересным эффектам, которые я и попытался заснять в этом ролике.

1. Первый эффект - взаимное притяжение и коалесценция пузырьков в жидкости. На этом эффекте основана ультразвуковая технология обезгаживания жидкостей. Говорят эпоксидка в УЗ обезгаживается буквально за считанные секунды. Сам не пробовал, но как происходит обезгаживание "газированной" воды из под крана можно посмотреть на первых кадрах ролика.

2. Второй эффект - образование забавных пространственных структур из кавитационных пузырьков (кавитационные "паучки"). Это тоже достаточно хорошо известное явление. Такие паучки можно наблюдать в ультразвуковых ваннах (при достаточной мощности). Паучки - это подвижные сгустки пузырьков из которых вьются "щупальца", напоминающие стримеры электрических разрядов в плотных средах. Хотя природа их, конечно другая. В процессе съемки я слегка варьировал мощность, чтобы "колонии" паучков то появлялись, то исчезали. Мне кажется - очень красивое явление. Прямо как пришельцы из космоса! смех

3. Ну и, наконец, третий эффект, связанный с силами Бьеркнеса - это фокусировка пучка кавитационных пузырьков, образующихся на рабочем торце излучателя. В результате образуется эдакая "метла" из пузырьков, идущая от торца излучателя. Его тоже можно посмотреть в этом ролике, при повышенной мощности излучателя. При еще большей мощности "метла" становится конусом (на этом ролике нет).

Ну а вот и сам ролик ниже. Лучше его смотреть в полноэкранном режиме. Иначе "паучков" можно не разглядеть. смех

Нужно будет на досуге сделать прямоугольный сосуд (типа миниатюрного аквариума) и поработать с подсветкой...

=======================
PS

Да, совсем забыл. Стоимость отечественных УЗКС (ультразвуковые колебательные системы) начального уровня (десятки Ватт) начинается от 20 тыс. руб. (это минимальная цена из того, что я встречал. В Бийске). Московские цены вообще запредельные. Начинаются от полтинника. Даже на простые системы. Поэтому если необходима не одна установка, или установка с несколькими излучателями, то вопрос о самодельных УЗКС приобретает вполне определенный смысл.

Добавлено: Fri Apr 06, 2012 5:20 am

DRV

ksv писал(а):
УЗКС приобретает вполне определенный смысл.

смысл попускать пузыри ?
найми за эти деньги бригаду водолазов с аппаратами открытой системы и шведскими подводными передатчиками на УЗ (упоминая про ультразвук)

они тебе пузырей напускают сколько надо, и тебе весело и людям хорошо будет смех

не, мне старенькие статьи больше нравятся, чем идти и отвалить 2000евро за фигню пускающую пузырики.

во , поигрался и выкинул.
http://the-mostly.narod.ru/misc/experiments_with_ultrasound.html

а если честно куда это можно применить дома?

Добавлено: Sat Apr 07, 2012 2:10 am

Шурик
Злодей

Диман, у тебя чё, климакс? Рановато, вроде. Да и не мужское оно, не ? Чё происходит, ты чё окрысился-то?

Добавлено: Sat Apr 07, 2012 3:48 am

ksv

DRV писал(а):
а если честно куда это можно применить дома?Ну, некоторым дома вообще ничего не нужно. Кроме сортира и телевизора... смех

Разве что, еще GDT... Шучу, шучу... Smile

-----------------------------
Ну а если вернуться к ультразвуку, то можно сказать следующее.

1. Про ферриты. Стрикторы на ферритах, которые считались вполне перспективными в 60-70-х годах, имеют ряд технологических недостатков, которые привели к тому, что в настоящее время они практически не используются. В числе таких недостатков - высокая хрупкость ферритов, ограничивающая удельные мощности стрикторов, и невозможность пайки (для соединения с волноводом). Т.е. сделать серьезный мощный стриктор из феррита, похоже, так и не удалось. Другой вариант стриктора (на металлических магнитострикционных материалах) тоже не проходит. Сделать самому (дома или в непрофильной лаборатории) такой преобразователь на сотни Ватт и выше практически невозможно. Там очень сложная технология отбора, сборки и пайки пластин. А вот из готовых и сравнительно недорогих пьезокерамических шайб - вполне можно сделать серьезный аппарат даже в домашней мастерской. Ничего кроме небольшого токарного станка не нужно.

2. Про дом. Потенциальный спектр приложений ультразвука (тем более - в быту) гораздо шире, чем например, у такой технологии, как индукционный нагрев. Первое, что приходит в голову - распыление жидкостей (бытовые ультразвуковые увлажнители воздуха или ингаляторы). Вполне интересны в бытовом плане такие направления, как эмульгирование, перемешивание, дегазация. Для особо "злобных" - обратная микроэмульсия воды в бензине. Очень интересны (в том числе и для небольших, "домашних" мастерских) использование ультразвука в размерной обработке твердых, хрупких материалов (стекло, керамика и т.п.), сварка пластмасс, пайка (в частности - алюминия легко). Нужно только "включить" мозг и снять с ручника фантазию.

Ну а себестоимость самодельной ультразвуковой установки (типа такой, которую я показывал) получается такого же порядка, как стоимость хорошей теслы или небольшой индукционной плавилки.

Вот в хламе откопал картинку - список некоторых приложений ультразвуковой технологии. Положил во вложение к посту. Табличка взята из какой-то статьи в Сети, сейчас уже не вспомню из какой. Но на самом деле список гораздо шире.

==============================
А вот пока единственный пример самодельной ультразвуковой установки, который я нашел в Сети. Две статьи одного и тог же автора, которые неплохо иллюстрируют два пункта, о которых я говорил чуть выше:

1. Power ultrasonic driver
2. Ultrasonic drilling

Честно говоря, именно эти статьи и вдохновили меня на изготовление аналогичной (полностью самодельной) установки со стержневым излучателем. Автор использует готовый покупной Ланжевен. У нас купить готовый Ланжевен гораздо сложнее - поэтому в моей работе используется чисто самодельный Ланжевен. Поэтому вся механика (кроме пьезокерамических шайб) стала самодельной.

Добавлено: Sat Apr 07, 2012 6:00 am

ультразвука.png (30.78 Кб)

Aleksandr Worf

Жаль, что этот генератор дает прямоугольник, с магнитостриктором его не применишь. А вот идея использовать 4046 мне понравилась.

Добавлено: Sat Apr 07, 2012 8:19 am

ksv

Да, использовать просто ГУН от 4046 в качестве задающего генератора неплоха. Нет никаких проблем со срывом колебаний, если, например, хреновый переменник.

А согласование стрикторов с ключевыми инверторами при не очень больших мощностях - легко решаемая проблема. НЧ-фильтр, отрезающий все нечетные гармоники меандра кроме основной. А в простейшем случае - обычный дроссель с конденсатором для развязки, чтобы можно было напрямую подключить постоянку для тока подмагничивания.

Вот пример такого согласования.

Добавлено: Sat Apr 07, 2012 10:40 am

neon
ПИЗДАБОЛ

[Aleksandr Worf] на входе согласующего трансформатора стоит схема согласования в виде 2-х LC контуров. Что при этом будет на выходе согласующего трансформатора?

я считаю, что областей применения УЗ даже в быту достаточно много, просто приборы для получения таких колебаний достаточно дорогие.

Добавлено: Sat Apr 07, 2012 11:04 am

sifun

Магнитостриктор включаем тупо в параллельный класс е вместо дросселя. вседила.

Добавлено: Sat Apr 07, 2012 3:47 pm

ksv

И все-таки, не забудьте про необходимость подмагничивания постоянным током.

sifun, а практическую схемку класса Е можете здесь изобразить? Или ткнуть где лежит? Чтобы можно было бы обсудить конкретно. Для высоких частот это может оказаться интересно.

Добавлено: Sat Apr 07, 2012 4:28 pm

sergh

когда дело доходит до резонанса, любая схема начинает в классе Е работать. И ФАПЧ не надо, если это не пром. девайс. Ручкой можно подстраивать. Главное чтобы до настройки в резонанс ничего не сгорело.

Добавлено: Sat Apr 07, 2012 5:50 pm