Николаев Г.А., Лощилов В.И. - Ультразвуковая технология в хирургии, страница 9

Преобразователям из ЦТС пе требуется специального охлаждения, они обладают большей механической прочностью, имеют точку Кюри около 300'С и могут работать в непрерывном режиме в течение нескольких часов без охлаждения. я изг лслизтилеи Лластмасса м изс 15а 0,75 0 О 75 /50 7г5 7С 750 лслистирсл Типы ультразвуковых генераторов Ультразвуковые генераторы предназначены для получения тока высокой частоты, необходимого для питания пьезоэлектрических и магнитострикционных преобразователей.

В промышленности применяются ультразвуковые генераторы мощностью от 0,0!2 до 10 кВт. В СССР, согласно ГОСТ 9865-61 «Установки ультразвуковые»„ выпускаются 18 типов генераторов ультразвукового диапазона. К ним предъявляются требования: надежность в работе и высокий КПД, устойчивость синусоида,пьного характера выходного напряжения, возможность плавной регулировки частоты в заданном диапазоне (обы но до 7%). Рабочая частота ультразвуковых генераторов определяется их назначением.

Ультразвуковые генераторы рассчитаны для работы в диапазоне частот 18 кГц— 3 МГц. Для промышленного применения выделены опреленные диапазоны частот. Блок-схема ультразвуковых генераторов изображена на рис. 15. Работа генератора заключается в том, что выходной сигнал маломощного задающего генератора управляег частотой напряжения оконечных каскадов усиления (2,3), выход которых через блок согласования (4) подключен к нагрузке (6) (рис. 15). Задающий генератор б2 7С гяз Рас. 1б. Схема ультразвуковой сварки металлов.

уэг — ультразвуковое генератор. о 5 >а м го гг оремя, с Рис. 17, Выпккеиие свободных рапекалов пок влиянием ультразву- ковых колебаний в функпни времени. в жв ое ~ мо' 1 в ггг Ваа 075 а О 75 750 475 :определяет диапазон генерируемых частот, стабильность работы ультразвукового генератора в целом. Обычно в качестве задающих генераторов используются генераторы с самовозбуждением, имсющие цепь положителыюй обратной связи. Частота генерации может варьироваться путем изменения емкости или ипдуктивности контура обратной связи. Число каскадов усиления мощности н их принципяалызая электрическая схема выбираются пз условий эксплуатации генераторов, величины выходной мощности, наличия элементной базы.

Для согласования генератора с нагрузкой необходимо, чтобы выходное сопротивлсние генератора, питающего преобразователь, было согласовано с приведенным входным сопротивлением преобразователя. Для этого в схему вводится блок согласования (4), включающий компенсирующие емкость и индуктивность. В ультразвуковых генераторах с нагрузкой на магнитострикционный преобразователь для увеличения амплитуды колебаний преобразователя дополнительно вводится блок подмагничивация (6) (см. рис. 15), питающий постоянным током обмотку магнитострикционного преобразователя. Одним из основных недостатков ультразвуковых генераторов является необходимость присутствия оператора для согласования частоты генератора с частотой преобразователя и для регулировки выходной мощности.

Для устранения нестабильности эксплуатационных параметров схема ультразвукового генератора дополняется системами автоматической подстройки генератора по частоте и по мощности. Наиболее существенным при разработке таких систем является выбор типа обратной связи, например, гю току или по акустическому сигналу, снимаемому с датчика колебаний. Система автоматической подстройки по частоте должна обеспечивать работу генератора на той частоте, которая соответствует частоте колебаний преобразователя, обеспечивая максимально возможную амплитуду колебаний рабочего торца преобразователя.

Для автоматической регулировки выходной мощности и стабилизации амплитуды колебаний можно считать перспективным направление работ, связанное с регулировкой мощности с помощью управляемого выпрямителя, включенного в цепь питания ультразвукового генера- тора, а также с регулировкой мощности в оконечных каскадах в случае работы этих каскадов в линейных.

режимах прн небольшой выходной мощности (8, 9) (см. рис. 15). В целом, ультразвуковые генераторы должны удовлетворять следующим требованиям: 1) иметь стабильные выходные параметры, независимые от изменения режимов технологических процессов; 2) должны быть, по возможности, малогабаригнымн, удобными в эксплуатации .и ремонте; 3) иметь систему защиты от перегрузок; 4) обеспечивать достаточно высокий коэффициент полезного действия всей установки в целом.

Свойства ультразвуковых полей Ультразвуковому полю свойственны эффекты, которые не проявляются в звуковом диапазоне при обычных интенсивностях. Причиной возникновения этих эффектов. является возможность достижения предельных значений амплитуд смещения в ультразвуковом диапазоне. Смещение перестает быть весьма малой величиной, и уравнение, описывающее колебательный процесс в ультразвуковом диапазоне, принимает нелинейный характер.

Наряду с другими физическими явлениями этот факт становится причиной возникновения ультразвуковых эффектов. Согласно систематизации, предложенной Брепц)ег 11121, все явления, сопровождающие распространение ультразвукового поля в среде, делятся пз первичпыс и вторичные, являющиеся следствием первичных. Физическая природа первичных эффектов весьма разнообразна. К линейным первичным эффектам относится переменное движение частиц (в жидкостях и газах) и переменный поток в направлении распространения звука, при этом на частицы действует псременпое звуковое давление. К нелинейным эффектам, вызываемым мощными ультразвуковыми полями, относят узьтразвуковую кавнтацию, акустические течения, радиационное давление.

и др. 1271. Под радиационным давлением понимают среднее до времени давление, действующее на препятствие в ультразвуковом поле. Его величина численно равна плотности энергии в среде Е. П =Е=.—, 1 (27) где / — интенсивность звуковых волн, Вт/см«; с — скорость распространения звука в среде, м/с. Величина радиационного давления существенно мала по сравнению с периодически изменяющимся ультразвуковым давлением.

Радиационное давление возникает, когда в пределах ультразвукового поля наблюдается изменение плотности энергии и оно действует в направлении среды с меньшей плотностью знуковой энергии. Радиационное давление является причиной возникновения фонтанчика на границе раздела двух жидких сред или жидкости и газа. В жидкой и газообразной среде при наложении поля ультразвуковой частоты возникает наряду с переменным потоком также и постоянный поток. Такие потоки называют акустическими течениями. Они имеют вихреобразный характер и возникают не только в свободном неоднородном звуковом поле, но и вблизи препятствий и колеблющихся тел,[84).

В настоящее, время изучены три типа акустических течений. Во-первых, это мелкомасштабные течения (( Л), возникающие на поверхности раздела фаз в пограничном слое. Теория этих течений разработана Шлихтингом, который показал, что они имеют вихревой характер. Второй вид акустических потоков — это потоки, возникающие вне пограничного слоя„соизмеримые с длиной волны. Они также, имеют вихревой характер. Такие течения между плоскими пластинками (или в цилиндрической трубе) подробно исследованы Релеем '[82), Третий тип — это течения в свободном неоднородном звуковом поле. Они соизмеримы с величиной объема срсды, в котором действует ультразвуковое поле и могут быть существенно больше ультразвуковой волны.

Этот вид течений всегда направлен от излучателя по его оси. Задачу, описывающую течения в ограниченном объеме, впервые решил Ескаг1 [107). Теория акустических течений в настоящее время разработана только для медленных течений, скорость которых меньше амплитуды колебательной скорости. Постоянный поток соз- дает динамическое давление па предметы, помещенные в ультразвуковом поле. Его действия складываются с действием радиационного давления. Одним из наиболее интересных явлений, имеющих место в ультразвуковых полях большой интенсивности, является кавитация [95). Ультразвуковые волны, распространяющиеся в жидкости, образуют чередующиеся области высоких и низких давлсний, создающих зоны высоких сжатий и зоны разряжений, которые в каждой точке пространства меняются в течение периода колебаний.

Явление кавитации основано на образовании разрывов жидкости в течение фазы растяжения сопровождающихся образованием полостей, которые захлопываются в период, соответствующий фазе сжатия. В ультразвуковом поле кавитация образуется во время фазы растяжения под действием переменного звукового давления.

Для возникновения кавитации необходимо достижение определенного значения интенсивности ультразвука (порогового значения). Величина порогового значения зависит от частоты звука и сил сцепления в жидкости, которые увеличиваются с ростом внешнего статического давления и снижением температуры. Так как для образования полости требуется некоторое время, то при очень высоких частотах (свыше 5 МГц) кавитация до сих пор не получена. При низких частотах она возникает при меньших значениях интенсивности, чем при высоких.

Порог кавитации растет также при увеличении вязкости жидкости и степени ее дегазации. Распространение ультразвуковых волн сопровождается потерями энергии в результате поглощения ее средой [5). Причиной этого являются теплопроводность среды и наличие трения между молекулами, так называемого внутреннего трения. Поглощение энергии ультразвука вызывает повышение температуры среды. Кроме «внутреннего» трения, имеет место также и «внешнее», или поверхностное, трение, проявляющееся на граничной поверхности, разделяющей различные среды. С «внешним» трением связан сильный локальный нагрев„который рассматривается как вторичный тепловой эффект.

Кроме тепловых эффектов, существует еще целый ряд вторичных эффектов [112). К ним можно отнести механические, электрические, оптические, химические, биологические. Многие из этих эффектов используются 57 в целом ряде технологических процессов в различных отраслях техники, а также нашли применение в медицине и биологии. Глава 5 СОЕДИНЕНИЯ КОСТНЫХ ТКАНЕИ УЛЬТРАЗВУКОМ' Ультразвуковая энергия для соединения пластмасс Ультразвуковая сварка пластических масс была разработана в МВТУ им. Н. Э. Баумана А.

В. Мордвинцевой,и Н. А. Ольшанским [69, 611. Пластические массы соединяются разными способами: путем нагрева и расплавления соединяемых частей торячим воздухом, расплавлением коцтактируемых зон горячим лезвием, путем образования на соединяемых плоскостях трущихся пар и т. д. Ультразвук имеет преимущество перед указанными способами сварки. Он вызывает минимальный разогрев, позволяет получить высокую производительность процесса, обеспечивает высокие в достаточной мере стабильные показатели механических свойств соединений.