Однодзеркальний ультразвуковий концентратор
Представлено конструкцію однодзеркального параболоїдного концентратора акустичних хвиль ультразвукових частот, у якій простір предметів відокремлений від простору зображень, а фокус параболоїда розташований за межами концентратора. Досліджені акустичні характеристики концентраторів даного типу....
Збережено в:
| Дата: | 2006 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут гідромеханіки НАН України
2006
|
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/967 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Однодзеркальний ультразвуковий концентратор / В. Ф. Флора // Акуст. вісн. — 2006. — Т. 9, N 1. — С. 55-58. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-967 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-9672008-10-20T18:10:15Z Однодзеркальний ультразвуковий концентратор Флора, В. Ф. Представлено конструкцію однодзеркального параболоїдного концентратора акустичних хвиль ультразвукових частот, у якій простір предметів відокремлений від простору зображень, а фокус параболоїда розташований за межами концентратора. Досліджені акустичні характеристики концентраторів даного типу. Представлена конструкция однозеркального параболоидного концентратора акустических волн ультразвуковых частот, в которой пространство предметов отделено от пространства изображений, а фокус параболоида расположен за пределами концентратора. Исследованы акустические характеристики концентраторов данного типа. A design of a one-mirror paraboloidal concentrator of acoustic waves of ultrasonic frequencies is presented, in which the space of subjects is separated from the space of images and paraboloid's focus is located outside the concentrator. The acoustic characteristics peculiar to concentrators of the given type are studied. 2006 Article Однодзеркальний ультразвуковий концентратор / В. Ф. Флора // Акуст. вісн. — 2006. — Т. 9, N 1. — С. 55-58. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 1028-7507 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/967 534.232 ru Інститут гідромеханіки НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Представлено конструкцію однодзеркального параболоїдного концентратора акустичних хвиль ультразвукових частот, у якій простір предметів відокремлений від простору зображень, а фокус параболоїда розташований за межами концентратора. Досліджені акустичні характеристики концентраторів даного типу. |
| format |
Article |
| author |
Флора, В. Ф. |
| spellingShingle |
Флора, В. Ф. Однодзеркальний ультразвуковий концентратор |
| author_facet |
Флора, В. Ф. |
| author_sort |
Флора, В. Ф. |
| title |
Однодзеркальний ультразвуковий концентратор |
| title_short |
Однодзеркальний ультразвуковий концентратор |
| title_full |
Однодзеркальний ультразвуковий концентратор |
| title_fullStr |
Однодзеркальний ультразвуковий концентратор |
| title_full_unstemmed |
Однодзеркальний ультразвуковий концентратор |
| title_sort |
однодзеркальний ультразвуковий концентратор |
| publisher |
Інститут гідромеханіки НАН України |
| publishDate |
2006 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/967 |
| citation_txt |
Однодзеркальний ультразвуковий концентратор / В. Ф. Флора // Акуст. вісн. — 2006. — Т. 9, N 1. — С. 55-58. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT floravf odnodzerkalʹnijulʹtrazvukovijkoncentrator |
| first_indexed |
2025-07-02T05:12:26Z |
| last_indexed |
2025-07-02T05:12:26Z |
| _version_ |
1836510762996072448 |
| fulltext |
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2006. Том 9, N 1. С. 55 – 58
УДК 534.232
ОДНОДЗЕРКАЛЬНИЙ
УЛЬТРАЗВУКОВИЙ КОНЦЕНТРАТОР
В. Ф. ФЛ О РА
Одеський нацiональний полiтехнiчний унiверситет
Одержано 09.02.2006
Представлено конструкцiю однодзеркального параболоїдного концентратора акустичних хвиль ультразвукових ча-
стот, у якiй простiр предметiв вiдокремлений вiд простору зображень, а фокус параболоїда розташований за межами
концентратора. Дослiдженi акустичнi характеристики концентраторiв даного типу.
Представлена конструкция однозеркального параболоидного концентратора акустических волн ультразвуковых ча-
стот, в которой пространство предметов отделено от пространства изображений, а фокус параболоида расположен
за пределами концентратора. Исследованы акустические характеристики концентраторов данного типа.
A design of a one-mirror paraboloidal concentrator of acoustic waves of ultrasonic frequencies is presented, in which the
space of subjects is separated from the space of images and paraboloid’s focus is located outside the concentrator. The
acoustic characteristics peculiar to concentrators of the given type are studied.
ВСТУП
Ерозiйне руйнування поверхневого шару пере-
шкоди пiд впливом кавiтацiї у потужних акусти-
чних полях широко застосовується для iнтенсифi-
кацiї рiзних технологiчних процесiв: диспергуван-
ня твердих присадок у мiнеральних олiях, емуль-
гування нерозчинних одна в iнший рiдин, очище-
ння поверхонь деталей вiд рiзних забруднень (на-
гару, окалини, iржi, абразивних частинок прити-
ральних паст) i т. п. [1 – 5]. Окрiм того, помiтне пiд-
вищення зацiкавленостi у цьому напрямку дослiд-
жень, яке спостерiгається останнiм часом, обумов-
лене можливiстю одержання термоядерних ней-
тронiв при колапсi кавiтацiйних каверн, заповне-
них газоподiбним дейтерiєм або сумiшшю дейте-
рiю i тритiю. Спочатку гiпотетично обговорюва-
лися деякi можливостi збiльшення виходу нейтро-
нiв i одержання позитивного енергетичного ефек-
ту [6 – 8]. Практичний же iнтерес до можливостi
використання явища кавiтацiї в проблемi керова-
ного термоядерного синтезу виник пiсля опублi-
кування роботи [9], у якiй представленi результа-
ти експериментального видiлення нейтронiв тер-
моядерного походження при колапсi кавiтацiйних
каверн у рiдинi, яка мiстить дейтерiй. Цiкавi iдеї
по використанню кавiтацiї у рiдкому металi (рту-
тi) з продувкою газоподiбного дейтерiю мiстяться
в статтi [10].
Застосування ультразвукових полiв високої iн-
тенсивностi неминуче пов’язано з використанням
фокусуючих систем. Їх умовно можна роздiлити
на два типи. Перший з них – це системи з увiгну-
тим активним випромiнюючим елементом. Вони є
найбiльш ефективними, але мають той суттєвий
недолiк, що у цих концентраторiв простiр предме-
тiв спiвпадає з простором зображень. Тому будь-
якi манiпуляцiї в областi фокуса пов’язанi з ри-
зиком ураження напругою, яка збуджує активний
елемент випромiнювача – кварцову пластину з ре-
зонансною частотою 1 МГц. Зауважимо, що робо-
ча напруга збудження становить близько 5 кВ.
До другого типу належать системи з пристроя-
ми, якi фокусують здебiльшого плоскi ультразву-
ковi хвилi. Серед рiзних конструкцiй таких при-
строїв найбiльше розповсюдження одержали ре-
флекторнi концентратори. На жаль, вони також
не вiдокремлюють простiр предметiв вiд простору
зображень [2,11,12]. Було запропоновано декiлька
конструкцiй рефлекторних концентраторiв, якi не
мають вказаних недолiкiв – багатодзеркальнi фо-
кусуючi пристрої [13]. Однак вони досить складнi
у виготовленнi, а їх робота пов’язана зi значними
втратами ультразвукової енергiї [14].
У данiй статтi представлено конструкцiю одно-
дзеркального концентратора, яка не має вказаних
недолiкiв. Пристрiй виготовлено у виглядi поро-
жнистого параболоїда, фокус якого лежить поза
межами концентратора. Проведено дослiдження
акустичних характеристик запропонованого фоку-
суючого елемента.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧI ТА ОСНОВНI МА-
ТЕМАТИЧНI СПIВВIДНОШЕННЯ
Концентратор має вигляд порожнистого пара-
болоїда, внутрiшня поверхня якого являє собою
дзеркало. Параметр твiрної параболи обирається
c© В. Ф. Флора, 2006 55
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2006. Том 9, N 1. С. 55 – 58
а
б
Рис. 1. Параболоїдний
однодзеркальний концентратор:
а – схема; б – фото
малим, порядку вiд 1 до 2 мм. Якщо вершину
параболоїда вiдрiзати, його фокус виявиться поза
межами пристрою (рис. 1, а). Плоска ультразвуко-
ва хвиля входить в отвiр радiуса R, вiдбивається
вiд дзеркала i, трансформуючись у сферичну хви-
лю, збирається у фокусi f . Винос фокуса можна
визначити за формулою
F =
r2 − p2
2p
, (1)
де r – радiус вихiдного отвору; p – параметр твiр-
ної параболи. Таким чином, розташування фоку-
са за межами концентратора, а також за межами
простору мiж випромiнювачем i концентратором
полегшує доступ до нього i створює безпечнi умо-
ви для манiпуляцiй у фокальнiй зонi.
Надалi вважатимемо, що коефiцiєнт вiдбиття
ультразвукових хвиль вiд дзеркала дорiвнює оди-
ницi незалежно вiд кута падiння. Для того, щоб
уникнути сильного нелiнiйного поглинання за ве-
ликої iнтенсивностi й високої частоти, виготовля-
ють концентратори невеликої довжини – близько
200 мм (рис. 1, б). Як випливає з формули (1),
щоб одержати бажаний винос фокуса F , необхiд-
но вибирати вiдповiдний малий параметр парабо-
ли p � 1. Якщо виходити з загальної довжини кон-
центратора i параметра дзеркала p, радiус вхiдно-
го отвору R не повинен перевищувати 20÷30 мм.
Такий концентратор легко виготовити на звичай-
ному токарному верстатi з доводкою вiдбиваючої
поверхнi дзеркала параболiчною розгорткою. Вiд-
хилення рiжучої кромки розгортки вiд геометрiї
має не перевищувати 0.1 довжини ультразвукової
хвилi.
Основними величинами, якi характеризують
фокусуючi властивостi концентратора, є коефiцi-
єнт пiдсилення за звуковим тиском Kp та коли-
вальною швидкiстю Kv [15]. Для зрiзаного пара-
болоїдного концентратора вони мають вигляд
Kp = kf
α2
∫
α1
Φ(α) sin αdα, (2)
Kv = kf
α2
∫
α1
Φ(α) sin α cos αdα, (3)
де k – хвильове число; f – фокусна вiдстань; Φ(α) –
функцiя, яка характеризує закон розподiлу амплi-
туди коливань вздовж поверхнi сферичного хви-
льового фронту, коли його радiус дорiвнює f ; α –
кут, пiд яким з фокуса спостерiгається точка на
хвильовому фронтi (його вiдлiк ведеться вiд осi
симетрiї параболоїда).
Функцiя розподiлу для дзеркального параболої-
дного концентратора може бути записана як [16]
Φ(α) =
2
1 + cosα
. (4)
З урахуванням формули (4) вирази для коефiцi-
єнтiв пiдсилення набувають вигляду
Kp = 2kf ln
1 + cosα1
1 + cosα2
, (5)
Kv = 2kf(cos α1 − cosα2) − Kp. (6)
56 В. Ф. Флора
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2006. Том 9, N 1. С. 55 – 58
Виразивши cos α1 та cos α2 через параметри кон-
центратора i врахувавши, що 2f = p, одержимо
такi формули для коефiцiєнтiв пiдсилення за зву-
ковим тиском i коливальною швидкiстю:
Kp = kp ln
R2 + p2
r2 + p2
, (7)
Kv = kp
(
R2 − p2
R2 + p2
− r2 − p2
r2 + p2
)
− Kp. (8)
Фокусуючi властивостi концентратора визнача-
ються також факторами фокусування, виведени-
ми в роботi [17]:
κp =
Kp
Kp max
, κv =
Kv
Kv max
. (9)
Пiсля очевидних перетворень з урахуванням (5)
i (6) одержуємо вирази для факторiв фокусуван-
ня:
κp =
p
R
√
1 − ε2
ln
(
R2 + p2
ε2R2 + p2
)
, (10)
κv =
2Rp3
√
1 − ε2
(R2 + p2)(ε2R2 + p2)
− κp. (11)
Тут ε=r/R – вiдношення радiусiв вихiдного i вхiд-
ного отворiв концентратора.
2. АНАЛIЗ РЕЗУЛЬТАТIВ ДОСЛIДЖЕНЬ
Розрахунковi залежностi κp i κv як функцiї вiд
ε для рiзних значень p показанi на рис. 2 i 3 вiдпо-
вiдно. Як видно з рис. 2, фактор κp рiзко зменшу-
ється зi збiльшенням ε. Максимальним значенням
κp вiдповiдають величини ε≈0. У свою чергу, при
ε = 0 величина κp як функцiя параметра p при-
ймає максимальне значення при p=8 мм. Фактор
κv досягає максимального значення при α = π/2
(див. рис. 3).
Розв’язавши задачу на екстремум, одержимо,
що при цьому r = p, а F = 0. Виходячи з вимоги
найбiльшого пiдсилення, ε i p слiд обирати такими,
щоб вони вiдповiдали максимальним значенням κp
i κv. Тодi оптимальнi ε i p будуть вiдповiдати ма-
ксимальному значенню коефiцiєнта пiдсилення за
iнтенсивнiстю:
KJ = KpKv. (12)
Експериментальнi дослiдження проводились на
декiлькох концентраторах з параметрами дзерка-
ла в околi p=1.28 мм. Радiус вхiдного отвору був
R = 16 мм, а вихiдного – змiнювався в дiапазонi
r=3÷ 10 мм. Результати експериментiв представ-
ленi на рис. 2 i 3 точками.
0 0.3 0.6 0.9
K
p
0
0.3
0.6
0.9
1
2
3
4
5
6
Рис. 2. Залежнiсть коефiцiєнта
пiдсилення за акустичним тиском вiд
спiввiдношення радiусiв отворiв концентратора
для параметрiв твiрної параболи p:
1 – p=0.5 мм; 2 – p=1.28 мм; 3 – p=3.0 мм;
4 – p=6.0 мм; 5 – p=8.0 мм; 6 – p=10.0 мм
0 0.3 0.6 0.9
K
v
-0.4
-0.2
0
0.2
1
2
3
4
5
6
Рис. 3. Залежнiсть коефiцiєнта
пiдсилення за коливальною швидкiстю вiд
спiввiдношення радiусiв отворiв концентратора
для параметрiв твiрної параболи p:
1 – p=0.5 мм; 2 – p=1.28 мм; 3 – p=3.0 мм;
4 – p=6.0 мм; 5 – p=8.0 мм; 6 – p=10.0 мм
Акустичний тиск вимiрювався за допомогою ка-
лiброваного п’єзоелектричного гiдрофону з хвиле-
водом, а Iнтенсивнiсть сигналу – за дилатометри-
чною методикою. Похибка вимiрювання не пере-
вищувала 7 %. Залежнiсть коефiцiєнта пiдсилення
за iнтенсивнiстю вiд параметру параболи показана
на рис. 4. Видно, що для концентратора з вхiдним
отвором R =16 мм максимум KJ досягається при
p = 3.8 мм. Вибiр значень ε i p визначається май-
бутнiм призначенням концентратора. Зазвичай їх
обирають такими, щоб значення коефiцiєнтiв пiд-
В. Ф. Флора 57
ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2006. Том 9, N 1. С. 55 – 58
P, mm
0 5 10 15
K
J
0
100
200
300
Рис. 4. Залежнiсть коефiцiєнту пiдсилення
iнтенсивностi акустичного поля вiд параметру
твiрної параболи концентратору
силення за звуковим тиском i коливальною швид-
кiстю були максимальними. Очевидно, збiльшення
виносу фокуса F пов’язане зi зменшенням коефi-
цiєнтiв Kp i Kv, що спричиняється зменшенням
активної площi вiдбиваючого дзеркала.
ВИСНОВКИ
За результатами проведених дослiджень можна
зробити такi висновки.
1. Розроблено простий у виготовленнi та надiй-
ний в роботi високочастотний параболоїдний
концентратор з винесеним фокусом, у якого
простiр предметiв i простiр зображень роздi-
ленi.
2. Запропонованi простi формули для розрахун-
кiв коефiцiєнтiв пiдсилення концентратора за
акустичним тиском, коливальною швидкiстю
та iнтенсивнiстю.
3. Досягнуте задовiльне узгодження експери-
ментальних результатiв з теоретичними роз-
рахунками.
1. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация.– М.:
Мир, 1974.– 688 с.
2. Сиротюк М. Г. Экспериментальные исследования
ультразвуковой кавитации // Мощные ультразву-
ковые поля / Под ред. Л. Д. Розенберга.– М.: На-
ука, 1968.– С. 167–220.
3. Дежкунов Н. В. Механизмы усиления звуколю-
минесценции при взаимодействии сильно разли-
чающихся по частоте ультразвуковых полей //
Сб. трудов XIII сессии Российского акустическо-
го общ-ва: том 2.– М., 2003.– С. 196–201.
4. Дудзинский Ю. М. О нелинейном затухании экспо-
ненциальных упругих импульсов // Акуст. вiсн.–
2005.– 8, N 1-2.– С. 51–53.
5. Максимов В. Г., Сухарьков О. В., Сухарьков А. О.
Очистка деталей автомобилей с использованием
гидродинамических излучателей // Тр. Одес. по-
литех. ун-та.– 2002.– Вып. 1(17).– С. 65–68.
6. Fisher U., Jager H., Lochte-Holtgreven W. Porc.
VI Eur. Conf. on Controlled Fusion and Plasma
Physics.– Moscow, 30 Jul. – 4 Aug., 1973.
7. Колдамасов А. И. Ядерный синтез в поле электри-
ческого разряда // Холодная трансмутация ядер.–
Докл. РКХЯСТЯ).– М., 1997.– С. 224.
8. Андреев А. П., Баранов Д. С., Молодов А. К.,
Покровский А. К., Суковаткин Н. Н. Экспери-
ментальная установка на базе ячейки Колдома-
сова // Холодная трансмутация ядер.– Докл.
РКХЯСТЯ).– М., 2001.– С. 50–52.
9. Taleyarkhan R. P., West C. D., Cho J. S. Lahey R. T.
(jr), Nigmatulin R. I., Block R. C. Evidence for
nuclear emissions during acoustic cavitation //
Science.– 2002.– 295.– P. 1868–1873.
10. Намиот В. А. Кавитация и термоядерный син-
тез: оценки параметров и предложения по возмо-
жному способу получения положительного энерго-
выхода // Докл. РАН.– 2003.– 388, N 3.– С. 323–
328.
11. Матаушик И. Ультразвуковая техника.– М.: Гос.
науч. тех. изд. литературы по черной и цветной
металлургии, 1962.– 350 с.
12. Barone A. Aspects of the concentration of ultrasonic
energy // Acoustics.– 1952.– 2.– P. 221–225.
13. Розенберг Л. Д. Двухзеркальный концентратор
ультразвука // Докл. АН СССР.– 1953.– 91.–
С. 1091–1095.
14. Розенберг Л. Д. Источники мощного
ультразвука.– М.: Наука, 1967.– 380 с.
15. Буров В. А., Красильников В. А. Непосредствен-
ное наблюдение искажения формы интенсивных
ультразвуковых волн в жидкости // Докл. АН
СССР.– 1958.– 118, N 5.– С. 55–60.
16. Розенберг Л. Д. Звуковые фокусирующие
системы.– М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1949.–
112 с.
17. Розенберг Л. Д. О концентраторах ультразвука //
Труды комиссии по акустике АН СССР.– 1955.–
8.– С. 102.
58 В. Ф. Флора
|