Акустические методы

УДК 620.179.16:534.14

МНОГОЧАСТОТНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛАНЖЕВЕНА

¹ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), Россия 197376 Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

E-mail:^*AAVyuginova@etu.ru

Поступила в редакцию 30.10.2018; после доработки 10.01.2019;

принята к публикации 15.02.2019

Классические преобразователи Ланжевена, используемые в различных ультразвуковых системах как источник

интенсивных ультразвуковых колебаний, имеют одну рабочую частоту, соответствующую полуволновому резонансу

конструкции преобразователя. В данной работе предложена и исследована конструкция преобразователя Ланжевена с

четырьмя рабочими частотами в диапазоне 20—70 кГц, которые соответствуют четырем изгибным модам передней

накладки преобразователя. Конструкция преобразователя была разработана и оптимизирована с помощью метода конеч-

ных элементов, затем преобразователь был изготовлен и исследован экспериментально. Результаты исследования пока-

зали, что предлагаемый преобразователь обеспечивает эффективное селективное возбуждение ультразвуковых колеба-

ний на четырех частотах.

Ключевые слова: ультразвуковой преобразователь, пьезоэлектрический преобразователь, преобразователь Ланжеве-

на, резонансная частота, многочастотный преобразователь, резонансный режим.

DOI:10.1134/S0130308219040018

ВВЕДЕНИЕ

Поставленная задача разработки данного преобразователя была связана с необходимостью

увеличения мощности излучения преобразователя для исследования новых возможностей прозву-

чивания грунтов в геофизических исследованиях на основе использования резонансных режимов

излучения. При этом необходимым условием было обеспечение возможности излучения набора

частот в заданном диапазоне.

Ультразвук используется в геофизических исследованиях для определения механических

свойств и анализа напряженного состояния породы. Проведение таких исследований сопряжено со

значительными сложностями, обусловленными очень большими объемами и неоднородностью

исследуемой среды. Традиционные методы ультразвукового прозвучивания (теневой, эхометоды

и т. п.) применять для таких исследований крайне сложно, так как высокочастотные ультразвуко-

вые импульсы в таких условиях быстро затухают и не способны распространяться на необходимые

расстояния [1]. В [1] также было показано, что использование мощных низкочастотных ультра-

звуковых преобразователей (преобразователей Ланжевена) может решить данную проблему, зна-

чительно увеличив расстояния, доступные для исследований. При этом классические преобразо-

ватели Ланжевена, используемые в различных ультразвуковых системах как источник интенсив-

ных ультразвуковых колебаний, имеют одну рабочую частоту, соответствующую полуволновому

резонансу конструкции преобразователя. Задача, на решение которой было направлено данное

исследование — разработка мощного ультразвукового преобразователя, способного эффективно

работать на нескольких резонансных частотах в диапазоне 20—70 кГц (многочастотного преоб-

разователя, работающего на низких резонансных частотах), для обеспечения возможности про-

звучивания среды на разных частотах и увеличения информативности метода. Задача создания

преобразователей, способных работать на нескольких резонансных частотах, является классиче-

ской для акустических методов исследования твердого тела [2], но в данном случае она решается

для мощного преобразователя Ланжевена.

Преобразователи Ланжевена [3] или составные преобразователи используются в различных

ультразвуковых системах как источники мощных ультразвуковых колебаний [1, 4, 5]. Классический

преобразователь представляет собой набор пьезоэлектрических колец, к которому присоединяют-

ся так называемые передняя и задняя накладки, накладки могут быть как простейшей цилиндри-

ческой формы, так и более сложной для решения различных технологических задач, таких как

повышение амплитуды колебаний торца преобразователя и стабильности его работы [6—10].

Разнообразные варианты выполнения составных преобразователей, способы улучшения их харак-

теристик исследованы в [11—14].

В данной работе предложен ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь оригиналь-

ной конструкции, способный работать на 4 частотах в диапазоне 20—70 кГц, излучающий объ-

емные волны. Предлагаемая конструкция преобразователя исследована с помощью метода конеч-

А.А. Вьюгинова

ных элементов, затем изготовлена. Результаты экспериментального исследования подтвердили

работоспособность и эффективность разработанного преобразователя.

Данный преобразователь может быть использован в различных технологических ультразвуко-

вых системах, качество работы которых улучшается при использовании нескольких рабочих

частот, например, в системах ультразвуковой очистки [15], хирургии [16], а также для различных

излучающих систем, которым необходимо использование нескольких рабочих частот, например,

при воздействии на микроорганизмы [17].

КОНСТРУКЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Был разработан ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь оригинальной конструк-

ции, который обеспечивает селективное эффективное возбуждение ультразвуковых колебаний

на 4 дискретных частотах в диапазоне 20—70 кГц. Эскиз и габариты конструкции приведены на

рис. 1. Стандартные ультразвуковые преобразователи не способны обеспечить эффективного воз-

буждения такого количества частот в данном диапазоне и, как правило, работают на одной резо-

нансной частоте — частоте полуволнового резонанса конструкции. В [15] предложена конструк-

ция преобразователя, способного работать на двух резонансных частотах: полуволнового и «вол-

нового» резонансов. При этом речь идет о продольной моде колебаний преобразователя, в пред-

лагаемом преобразователе передняя накладка колеблется в изгибной моде, которая также может

быть использована для эффективного излучения [18—20].

∅ 118

Рис. 1. Конструкция преобразователя.

Для эффективного возбуждения конструкции на нескольких ее резонансных частотах необхо-

димо, чтобы рабочие собственные частоты находились на некотором удалении по частоте Δf от

соседних нерабочих мод — обычно минимальное значение Δf составляет несколько сотен герц

[20]. Предлагаемая конструкция обеспечивает выполнение этого условия, как показано далее,

имеет АЧХ, позволяющую конструкции эффективно работать на различных изгибных модах.

АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ

Свободные колебания предлагаемого преобразователя были исследованы с помощью метода

конечных элементов (МКЭ) в программном пакете Ansys Multiphysics, механические свойства

используемых материалов приведены в табл. 1. При проектировании использовалась пьезокерами-

ка APC-841, полные свойства которой можно найти на сайте производителя [21].

Таблица

Стальная задняя накладка

Титановая передняя накладка

Пьезокерамика

Плотность, кг/м³

7800

4500

7600

Модуль Юнга, ГПа

200

112

Коэффициент Пуассона

0,3

0,32

0,34

Модель преобразователя приведена на рис. 2. Для моделирования по МКЭ был использован

3D-элемент объемных задач с десятью узлами (тетраэдр), каждый из которых имеет три степени

свободы: перемещения в направлении осей x, y и z узловой системы координат.

Дефектоскопия

№ 4

2019

Многочастотный ультразвуковой преобразователь Ланжевена

Рис. 2. Модель преобразователя.

В результате модального анализа были получены 4

собственные рабочие частоты и соответствующие соб-

ственные формы колебаний, причем каждая из рабочих

частот находится на достаточном удалении от соседних

мод, что позволяет избежать влияния соседних мод [22,

23] и обеспечивает возможность эффективной работы — в

табл. 2 приведены частоты свободных колебаний преоб-

разователя, частоты соседних мод и разница между ними.

Все остальные многочисленные частоты, кроме обозна-

ченных рабочих, в диапазоне 20—70 кГц расположены

очень близко друг к другу.

Результаты численного моделирования данных четырех мод приведены на рис. 3, показана

форма изгибной моды колебаний передней накладки преобразователя.

Таблица

Рабочая мода, Гц

20173

32480

48691

66181

Соседние моды, Гц

19822

21834

31762

34909

48164

51230

64759

66561

Δf, Гц

351

1661

718

2429

527

2539

1422

380

Рис. 3. Собственные частоты и моды колебаний передней накладки преобразователя:

а — мода колебаний на частоте 20 173 Гц; б — мода колебаний на частоте 32 480 Гц; в — мода колебаний на частоте 48 631 Гц;

г — мода колебаний на частоте 66 181 Гц.

РЕЗУЛЬТАТЫ

По результатам проектирования были изготовлены передняя накладка на пьезоэлектриче-

ский преобразователь оригинальной конструкции из титанового сплава, остальные детали пре-

образователя и проведены его испытания. Внешний вид передней накладки снизу (а) и преоб-

разователя (б) приведены на рис. 4.

Дефектоскопия

№ 4

2019

А.А. Вьюгинова

Рис. 4. Передняя накладка преобразователя (а) и преобразователь (б).

Вынужденные колебания преобразователя были исследованы с помощью оборудования

Tektronix TBS 1052B. Было подтверждено, что разработанный ультразвуковой пьезоэлектриче-

ский преобразователь имеет АЧХ, которая позволит реализовать селективное эффективное

возбуждение ультразвуковых колебаний на 4 дискретных частотах в диапазоне 20—70 кГц

(рис. 5).

Рис. 5. АЧХ разработанного преобразователя.

Рис. 6. Преобразователь в корпусе с кабелем.

Измеренные частоты вынужденных колебаний преобразователя приведены в табл. 3. Таким

образом, разработанный многочастотный преобразователь способен эффективно работать в

четырех режимах, каждому из которых соответствует своя изгибная мода передней накладки.

При этом видно, что указанные моды обладают высокой добротностью, и в реальном режиме

вынужденных колебаний соседние моды, которые могут взаимодействовать с основными, отсут-

ствуют для первой, третьей и четвертой мод, а для второй моды соседняя мода расположена

выше по частоте примерно на 3 кГц.

Таблица

f₁

f₂

f₃

f₄

Рабочая мода, Гц

20500

30500

45900

65600

На рис. 6 приведен вид многочастотного преобразователя в корпусе, на рис. 1. показано, что

передняя накладка содержит конструкционные элементы, позволяющие удобно закрепить как

корпус для задней части преобразователя, так и сам преобразователь.

Дефектоскопия

№ 4

2019

Многочастотный ультразвуковой преобразователь Ланжевена

ВЫВОДЫ

Предложена конструкция многочастотного ультразвукового преобразователя Ланжевена, спо-

собного эффективно работать на 4-х частотах. Конструкция была исследована с помощью метода

конечных элементов, изготовлена, затем были изучены характеристики реальной конструкции.

Было подтверждено, что рабочие частоты расположены на достаточном расстоянии, чтобы избе-

жать влияния соседних мод, также они являются высокодобротными, что позволяет эффективно

излучать ультразвуковые волны на 4-х частотах в диапазоне 20—70 кГц.

Автор выражает благодарность компании ООО «Ультразвуковая техника — ИНЛАБ» за

помощь в разработке системы и проведении экспериментальных исследований.

В дальнейшем планируется проведение экспериментов, связанных с практическим применени-

ем разработанного преобразователя в геофизических исследованиях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Gallego-Juárez J.A., Graff K.F. Power Ultrasonics: Applications of High-intensity Ultrasound. Oxford:

Woodhead Publishing, 2015. 1166 p.

2. Ермолов И.Н. (ред.) Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля.

М.: Машиностроение, 1986. 280 с.

3. Langevin P. Патенты Франции Nr. 502913 (1920), Nr. 505703 (1920), Nr. 575435 (1924).

4. Mason T.J., Lorimer J.P. Applied Sonochemistry: Uses of Power Ultrasound in Chemistry and

Processing. Weinheim: Wiley-VCH Verlag, 2002. 303 p.

5. Хмелев В.Н., Шалунов А.В., Хмелев С.С., Цыганок С.Н. Ультразвук. Аппараты и технологии.

Монография. Бийск: Изд-во Алтайского гос. технич. ун-та, 2015. 688 с.

6. Eisner E. Design of sonic amplitude transformers for high magnification // J. Acoust. Soc. Am. 1963.

V. 35. P. 1367—1377.

7. Adachi K., Ueha S. Modal vibration control of large ultrasonic tools with the use of wave-trapped horns

// J. Acoust. Soc. Am. 1990. V. 87. P. 208—214.

8. Bangviwat A., Ponnekanti H.K., Finch R.D. Optimizing the performance of piezoelectric drivers that

use stepped horns // J. Acoust. Soc. Am. 1991. V. 90. P. 1223—1229.

9. Peshkovsky S.L., Peshkovsky A.S. Matching a tranducer to water at cavitation: acoustic horn design

principles // Ultrasonics sonochemistry. 2007. V. 14. P. 314—322.

10. Lu X., Hu J., Peng H., Wang Y. A new topological structure for the Langevin-type ultrasonic transducer

// Ultrasonics. 2017. V. 75. P. 1—8.

11. Neppiras E. The pre-stressed piezoelectric sandwich transducer / Ultrasonics international Conf.

Proc.1973. P. 295—302.

12. Ranz-Guerra C., Ruiz-Aguirre R.D. Composite sandwich transducers with quarter wavelength radiating

layers // J. Acoust. Soc. Am. 1975. V. 58. P. 494—498.

13. Lin S. Optimization of the performance of the sandwich piezoelectric ultrasonic transducer // J. Acoust.

Soc. Am. 2004. V. 115. P. 182—186.

14. Lin S., Xu L., Hu W. A new type of high power composite ultrasonic transducer // Journal of Sound and

Vibration. 2011. V. 330. P. 1419—1431.

15. Lin S. Study on the multifrequency Langevin ultrasonic transducer // Ultrasonics. 1995. V. 33.

P. 445—448.

16. Feeney A., Lucas M. A comparison of two configurations for a dual-resonance cymbal transducer // IEEE

Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2018. V. 65. No. 3. P. 489—496.

17. Armstrong C.D., Lee C., Matheny A.F. Decreasing microorganisms in fluids using ultrasonic wave

technologies / US patent 2016/0356122A1.

18. Gallego-Juárez J.A., Rodriguez G., Acosta V., Riera E. Power ultrasonic transducers with extensive

radiators for industrial processing // Ultrasonics Sonochemistry. 2010. V. 17. P. 953—964.

19. Cardoni A., Lucas M. Enhanced vibration performance of ultrasonic block horns // Ultrasonics. 2002.

V. 40. P. 365—369.

20. Andres R.R., Acosta V.M., Lucas M., Riera E. Modal analysis and nonlinear characterization of an

airborne power ultrasonic transducer with rectangular plate radiator // Ultrasonics. 2018. V. 82. P. 345—356.

21. Physical and piezoelectric properties of APC materials. [Электронный ресурс] // APC International,

Ltd. URL: https://www.americanpiezo.com/apc-materials/physical-piezoelectric-properties.html (Дата обра-

щения: 20.10.2018).

22. Gallego-Juárez J.A., Riera E., Acosta-Aparicio V.M. Modal interactions in high power ultrasonic

processing transducers // AIP Conf. Proc. 2008. V. 102. No. 1. P. 595—604.

23. Cardoni A., Riera E., Blanco A., Acosta V., Gallego-Juárez J.A., Modal interactions in ultrasonic plate

transducers for industrial applications // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part C:

Journal of Mechanical Engineering Science. 2012. V. 226. P. 2044—2052.

Дефектоскопия

№ 4

2019