Ultrazvukový roh - Ultrasonic horn

Konvenční konvergující ultrazvukový klakson, vyráběný společností Industrial Sonomechanics, LLC[1]
Ultrazvukový klakson s plnou vlnou, vyrobený společností Industrial Sonomechanics, LLC[1]

An ultrazvukový roh (také známý jako akustický roh, sonotroda, akustický vlnovod, ultrazvuková sonda) je zužující se kovová tyč, která se běžně používá pro zvětšení amplitudy posunutí oscilace poskytované ultrazvukem převodník pracující na dolním konci ultrazvukového frekvenčního spektra (obvykle mezi 15 a 100 kHz). Zařízení je nezbytné, protože amplitudy poskytované samotnými měniči jsou pro většinu praktických aplikací energie nedostatečné ultrazvuk.[2] Další funkcí ultrazvukového klaksonu je efektivní přenos akustické energie z ultrazvuku převodník do ošetřeného média,[3] které mohou být pevné (například v ultrazvukové svařování, ultrazvukové řezání nebo ultrazvukové pájení ) nebo kapalina (například v ultrazvuku) homogenizace, sonochemie, frézování, emulgace, stříkání nebo narušení buněk ).[1] Ultrazvukové zpracování kapalin závisí na intenzivních smykových silách a extrémních místních podmínkách (teploty až 5000 K a tlaky až 1000 atm) generované akustickými kavitace.[2]

Popis

Ultrazvukový roh je obvykle pevná kovová tyč s kulatým příčným průřezem a podélným průřezem proměnlivého tvaru - tyč roh. Další skupina zahrnuje blok roh, který má velký obdélníkový příčný průřez a podélný průřez proměnlivého tvaru, a složitější kompozitní rohy.[4] Zařízení z této skupiny se používají s pevně ošetřenými médii. Délka zařízení musí být taková, aby při požadované provozní frekvenci ultrazvuku došlo k mechanické rezonanci - jedné nebo více polovičních vlnových délek ultrazvuku v materiálu trychtýře, přičemž se zohlední závislost rychlosti zvuku na průřezu trysky. Ve společné sestavě je ultrazvukový roh pevně spojen s ultrazvukem převodník pomocí závitového čepu.

Ultrazvukové rohy lze klasifikovat podle následujících hlavních rysů: 1) Podélný tvar průřezu - stupňovitý, exponenciální, kónický, katenoidní atd. 2) Tvar příčného průřezu - kulatý, obdélníkový atd. 3) Počet prvků s různými profil podélného průřezu - běžný a kompozitní.[3][5] Kompozitní ultrazvukový roh má přechodový řez s určitým tvarem podélného průřezu (neválcový), umístěný mezi válcovými úseky.

Podélné průřezy jednoduchých ultrazvukových rohů s poloviční vlnovou délkou: 1 - kuželovitý, 2 - exponenciální nebo katenoidní, 3 - stupňovitý. Na všech obrázcích: V (z) a e (z) - rozdělení amplitudy a deformace
Podélný průřez kruhového kompozitního sbíhajícího se půlvlnného ultrazvukového klaksonu, kde L1, L3 - válcové profily, L2 - katenoidální přechodový profil
Podélný průřez kruhového plného vlnového rohu, kde L1, L3, L5 - válcové úseky, L2 - exponenciální přechodový průřez, L4 - kónický přechodový průřez
Houkačka v ultrazvukovém vrtáku z roku 1955. Houkačka, dlouhá zužující se ocelová tyč ve středu, spojuje ultrazvukový měnič v pouzdru nahoře s nástrojem, který tlačí na obrobek na pracovní desce dole.

Ultrazvukový trychtýř má často přechodový úsek s profilem podélného průřezu, který konverguje k výstupnímu konci. Amplituda podélné oscilace houkačky se tedy zvyšuje směrem k výstupnímu konci, zatímco plocha jejího příčného průřezu se zmenšuje.[6] Ultrazvukové rohy tohoto typu se používají především jako součást různých ultrazvukových nástrojů pro ultrazvukové svařování, ultrazvukové pájení, řezání, výroba chirurgických nástrojů, úprava roztaveného kovu atd. Konvergující ultrazvukové rohy jsou také běžně součástí laboratorních kapalinových procesorů používaných pro různé procesní studie, včetně sonochemický, emulgace, rozptýlení a mnoho dalších.[7]

Ve vysoce výkonných průmyslových ultrazvukových kapalinových procesorech[8] například komerční sonochemický reaktory, ultrazvukové homogenizátory a ultrazvukové mlecí systémy určené k úpravě velkých objemů kapalin při vysokých ultrazvukových amplitudách (ultrazvukové míchání, výroba nanoemulzí, disperze pevných částic, ultrazvuková nanokrystalizace atd.), preferovaným typem ultrazvukového klaksonu je Barbellův klakson.[7] Rohy s činkami jsou schopné zesilovat ultrazvukové amplitudy při zachování velkých výstupních průměrů a vyzařovacích ploch. Je proto možné přímo reprodukovat laboratorní optimalizační studie v komerčním produkčním prostředí přepnutím z konvergujících na Barbellovy rohy při zachování vysokých ultrazvukových amplitud. Pokud jsou správně zvětšeny, procesy generují stejné reprodukovatelné výsledky na podlaze závodu jako v laboratoři.[7]

Maximální dosažitelná ultrazvuková amplituda závisí především na vlastnostech materiálu, ze kterého je vyroben ultrazvukový trychtýř, a také na tvaru jeho podélného průřezu. Rohy jsou obvykle vyrobeny z slitiny titanu, jako je Ti6Al4V, nerezová ocel, například 440C, a někdy slitiny hliníku nebo práškové kovy. Nejběžnější a nejjednodušší tvary přechodného řezu jsou kuželovitý a katenoidní.

Aplikace

Plasty

Spotřební zboží, automobilové komponenty, lékařské přístroje a většina průmyslových odvětví využívá ultrazvuk. Kovové vložky mohou být zajištěny v plastu a různé materiály mohou být často spojeny vhodným designem nástrojů. Ultrazvukové houkačky přicházejí v různých tvarech a provedeních, ale všechny musí být vyladěny na konkrétní provozní frekvenci; nejběžnější je 15 kHz, 20 kHz a 40 kHz.

Ultrazvukové svařování využívá vysokofrekvenční vertikální pohyb k výrobě tepla a toku termoplastického materiálu na rozhraní spárovaných dílů. Po zastavení přívodu energie se udržuje tlak, aby se umožnilo opětovné tuhnutí propleteného plastu ve spoji, přičemž se části zajistí homogenním nebo mechanickým spojením. Tento proces nabízí na rozdíl od konvenčních lepidel nebo mechanických spojovacích prostředků montážní prostředky šetrné k životnímu prostředí.[9]

Reference

  1. ^ A b C Web Industrial Sonomechanics, 2011
  2. ^ A b Peškovskij, S.L. a Peshkovsky, A.S., „Model rázové vlny akustické kavitace“, Ultrason. Sonochem., 2008. 15: str. 618–628.
  3. ^ A b Peškovskij, S.L. a Peshkovsky, A.S., „Přizpůsobení převodníku vodě při kavitaci: principy návrhu akustického klaksonu“, Ultrason. Sonochem., 2007. 14: str. 314–322.
  4. ^ Web společnosti Sonic Power
  5. ^ Abramov, O.V., „Vysoce intenzivní ultrazvuk: teorie a průmyslové aplikace“, 1999: CRC Press. 692.
  6. ^ „Návrhy a vlastnosti ultrazvukového klaksonu“, web Industrial Sonomechanics, 2011
  7. ^ A b C „Ultrazvuková technologie Barbell Horn“, web Industrial Sonomechanics, 2011
  8. ^ „Ultrasonic Liquid Processor Systems“, web Industrial Sonomechanics, 2011
  9. ^ „Ultrazvuk“, ToolTex.com, 2013

Další čtení

  • T. J. Mason; J. Phillip Lorimer (2002). Aplikovaná sonochemie: Využití výkonového ultrazvuku v chemii a zpracování. Wiley-VCH. ISBN  3-527-30205-0.
  • Yatish T. Shah; A. B. Pandit; V. S. Moholkar (1999). Kavitační reakční inženýrství. Springer. ISBN  0-306-46141-2.