Róg ultradźwiękowy

Konwencjonalny zbieżny róg ultradźwiękowy, wyprodukowany przez Industrial Sonomechanika, LLC

Pełnofalowy ultradźwiękowy róg sztangi, wyprodukowany przez Industrial Sonomechanika, LLC

Róg ultradźwiękowy (znany również jako róg akustyczny , sonotroda , falowód akustyczny , sonda ultradźwiękowa ) to zwężający się metalowy pręt powszechnie używany do zwiększania amplitudy przemieszczenia oscylacji zapewnianej przez przetwornik ultradźwiękowy działający na dolnym końcu widma częstotliwości ultradźwiękowej (zwykle między 15 i 100kHz). Urządzenie jest niezbędne, ponieważ amplitudy dostarczane przez same przetworniki są niewystarczające do większości praktycznych zastosowań mocy ultradźwięków . Inną funkcją tuby ultradźwiękowej jest efektywne przenoszenie energii akustycznej z przetwornika ultradźwiękowego do obrabianego medium, które może być stałe (na przykład w zgrzewaniu ultradźwiękowym , cięciu ultradźwiękowym lub lutowaniu ultradźwiękowym ) lub płynne (na przykład w homogenizacji ultradźwiękowej , sonochemia , mielenie , emulgowanie , opryskiwanie lub rozrywanie komórek ). Ultradźwiękowe przetwarzanie cieczy opiera się na intensywnych siłach ścinających i ekstremalnych warunkach lokalnych (temperatury do 5000 K i ciśnienia do 1000 atm) generowanych przez kawitację akustyczną .

Opis

Róg ultradźwiękowy jest zwykle litym metalowym prętem o okrągłym przekroju poprzecznym i zmiennym przekroju podłużnym - róg prętowy . Kolejna grupa obejmuje blokowy , który ma duży prostokątny przekrój poprzeczny i przekrój podłużny o zmiennym kształcie, oraz bardziej złożone rogi kompozytowe. Urządzenia z tej grupy są używane z mediami stałymi. Długość urządzenia musi być taka, aby przy pożądanej częstotliwości ultradźwiękowej pracy występował rezonans mechaniczny – jedna lub kilka połówek długości fali ultradźwięków w materiale tuby, z uwzględnieniem zależności prędkości dźwięku od przekroju tuby. We wspólnym zespole tuba ultradźwiękowa jest sztywno połączona z ultradźwiękową przetwornika za pomocą kołka gwintowanego.

Rogi ultradźwiękowe można klasyfikować według następujących głównych cech: 1) Kształt przekroju podłużnego – schodkowy, wykładniczy, stożkowy, katenoidalny itp. 2) Kształt przekroju poprzecznego – okrągły, prostokątny itp. 3) Liczba elementów o różnych profil przekroju podłużnego – wspólny i złożony. Kompozytowy róg ultradźwiękowy ma przekrój przejściowy o określonym kształcie przekroju podłużnego (niecylindryczny), umieszczony pomiędzy przekrojami cylindrycznymi.

Przekroje podłużne prostych półfalowych rogów ultradźwiękowych: 1 – stożkowy, 2 – wykładniczy lub katenoidalny, 3 – schodkowy. Na wszystkich rysunkach : V(z) i e(z) - rozkłady amplitudy i deformacji

Przekrój podłużny okrągłego, kompozytowego, zbieżnego półfalowego rogu ultradźwiękowego, gdzie L1,L3 – przekroje cylindryczne, L2 – przekrój przejściowy katenoidalny

Przekrój podłużny okrągłego pełnofalowego rogu sztangi, gdzie L1, L3, L5 – przekroje cylindryczne, L2 – przekrój przejściowy wykładniczy, L4 – przekrój stożkowy przejściowy

Róg w wiertarce ultradźwiękowej z 1955 r. Róg, długi, zwężający się stalowy pręt pośrodku, łączy przetwornik ultradźwiękowy w obudowie u góry z narzędziem, które dociska przedmiot obrabiany na stole roboczym na dole.

Często tuba ultradźwiękowa ma sekcję przejściową z podłużnym profilem przekroju poprzecznego, który zbiega się w kierunku końca wyjściowego. W ten sposób amplituda drgań podłużnych tuby wzrasta w kierunku końca wyjściowego, podczas gdy pole jej przekroju poprzecznego maleje. Rogi ultradźwiękowe tego typu są używane przede wszystkim jako części różnych instrumentów ultradźwiękowych do spawania ultradźwiękowego , lutowania ultradźwiękowego , cięcia, wykonywania narzędzi chirurgicznych, obróbki stopionego metalu itp. Zbieżne rogi ultradźwiękowe są również powszechnie stosowane w laboratoryjnych procesorach cieczy używanych do różnych procesów studia m.in sonochemiczne , emulgujące , dyspergujące i wiele innych.

W przemysłowych ultradźwiękowych procesorach cieczy dużej mocy, takich jak komercyjne reaktory sonochemiczne , homogenizatory ultradźwiękowe i systemy mielenia ultradźwiękowego przeznaczone do obróbki dużych objętości cieczy przy wysokich amplitudach ultradźwięków (mieszanie ultradźwiękowe, produkcja nanoemulsji, dyspergowanie cząstek stałych, nanokrystalizacja ultradźwiękowa itp. .), preferowanym typem tuby ultradźwiękowej jest tuba Barbell. Rogi sztangi są w stanie wzmocnić amplitudy ultradźwięków, zachowując jednocześnie duże średnice wyjściowe i obszary promieniujące. Możliwe jest zatem bezpośrednie odtworzenie laboratoryjnych badań optymalizacyjnych w komercyjnym środowisku produkcyjnym poprzez przejście z rogów Converging na Barbell Horn przy zachowaniu wysokich amplitud ultradźwięków. Przy prawidłowym skalowaniu procesy generują takie same powtarzalne wyniki na hali produkcyjnej, jak w laboratorium.

Maksymalna osiągalna amplituda ultradźwięków zależy przede wszystkim od właściwości materiału, z którego wykonany jest tuba ultradźwiękowa oraz od kształtu jej przekroju podłużnego. Zwykle rogi są wykonane ze stopów tytanu , takich jak Ti6Al4V, stali nierdzewnej , takiej jak 440C, a czasami ze stopów aluminium lub sproszkowanych metali. Najbardziej powszechnymi i prostymi do wykonania kształtami przekrojów przejściowych są stożkowe i katenoidalne .

Aplikacje

Tworzywa sztuczne

Produkty konsumenckie, komponenty samochodowe, urządzenia medyczne i większość gałęzi przemysłu wykorzystują ultradźwięki. Metalowe wkładki mogą być mocowane w tworzywach sztucznych, a różne materiały często można łączyć za pomocą odpowiedniego projektu oprzyrządowania. Rogi ultradźwiękowe mają różne kształty i konstrukcje, ale wszystkie muszą być dostrojone do określonej częstotliwości roboczej; najczęstsze to 15 kHz, 20 kHz i 40 kHz.

Spawanie ultradźwiękowe wykorzystuje ruch pionowy o wysokiej częstotliwości do wytwarzania ciepła i przepływu materiału termoplastycznego na styku współpracujących części. Ciśnienie jest utrzymywane po zatrzymaniu dostarczania energii, aby umożliwić ponowne zestalenie przeplatanego tworzywa sztucznego w złączu, zabezpieczając części jednorodnym lub mechanicznym połączeniem. Proces ten oferuje przyjazny dla środowiska sposób montażu w przeciwieństwie do konwencjonalnych klejów lub mechanicznych łączników.

Dalsza lektura

•   TJ Masona; J. Phillip Lorimer (2002). Sonochemia stosowana: zastosowania ultradźwięków mocy w chemii i przetwarzaniu . Wiley-VCH. ISBN 3-527-30205-0 .
•   Yatish T. Shah; AB Pandit; VS Moholkar (1999). Inżynieria reakcji kawitacji . Skoczek. ISBN 0-306-46141-2 .