RU203369U1 - Ultrasonic cleaning device - Google Patents
Ultrasonic cleaning device Download PDFInfo
- Publication number
- RU203369U1 RU203369U1 RU2020119041U RU2020119041U RU203369U1 RU 203369 U1 RU203369 U1 RU 203369U1 RU 2020119041 U RU2020119041 U RU 2020119041U RU 2020119041 U RU2020119041 U RU 2020119041U RU 203369 U1 RU203369 U1 RU 203369U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- acoustic
- sound
- focusing
- particle
- ultrasonic
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B08—CLEANING
- B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
- B08B3/00—Cleaning by methods involving the use or presence of liquid or steam
- B08B3/04—Cleaning involving contact with liquid
- B08B3/10—Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity or by vibration
- B08B3/12—Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity or by vibration by sonic or ultrasonic vibrations
Abstract
Полезная модель относится к устройствам для ультразвуковой очистки загрязненных изделий. Устройство содержит ультразвуковой преобразователь, рабочую камеру и акустический волновод, на излучающем конце которого расположена акустическая линза. Приемный торец волновода акустически жестко соединен с излучающей поверхностью ультразвукового преобразователя. Линза выполнена в виде звукопроводящей частицы, с возможностью фокусировки излучения непосредственно за теневой границей частицы, с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел и с характерным размером не менее максимальной длины волны излучения ультразвукового преобразователя λ, а именно (1÷1,5)⋅λ. Звукопроводящая частица может быть выполнена в форме кубоида или шара. Технический результат: расширение арсенала технических средств, используемых в конструкции ультразвуковых устройств очистки с одновременным уменьшением габаритов устройства и повышением интенсивности акустического излучения в области фокуса фокусирующего устройства. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.The utility model relates to devices for ultrasonic cleaning of contaminated products. The device contains an ultrasonic transducer, a working chamber and an acoustic waveguide, at the emitting end of which an acoustic lens is located. The receiving end of the waveguide is acoustically rigidly connected to the emitting surface of the ultrasonic transducer. The lens is made in the form of a sound-conducting particle, with the possibility of focusing radiation directly behind the shadow boundary of the particle, with a spatial resolution exceeding the diffraction limit and with a characteristic size not less than the maximum radiation wavelength of the ultrasonic transducer λ, namely (1 ÷ 1.5) ⋅λ. The sound-conducting particle can be made in the form of a cuboid or a sphere. EFFECT: expansion of the arsenal of technical means used in the design of ultrasonic cleaning devices with a simultaneous reduction in the dimensions of the device and an increase in the intensity of acoustic radiation in the focus area of the focusing device. 2 c.p. f-ly, 2 dwg.
Description
Полезная модель относится к устройствам для ультразвуковой очистки загрязненных изделий.The utility model relates to devices for ultrasonic cleaning of contaminated products.
Для проведения ультразвуковой очистки акустическое излучение соответствующей частоты подводится к поверхности очищаемого изделия, погруженного в растворитель или воду. При достаточной величине удельной мощности этих колебаний интенсивность очистки загрязнений резко возрастает.For ultrasonic cleaning, acoustic radiation of the appropriate frequency is applied to the surface of the item to be cleaned immersed in a solvent or water. With a sufficient value of the specific power of these fluctuations, the intensity of pollution cleaning increases sharply.
Из технической литературы, например, [Физические основы ультразвуковой технологии. Под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1970.], известно, что качество ультразвуковой очистки определяется тремя факторами: интенсивностью механического воздействия на объект, интенсивностью химического воздействия на загрязнение и временем воздействия. Эффект от ультразвуковой очистки становится выше при увеличении интенсивности любого из этих показателей.From technical literature, for example, [Physical foundations of ultrasonic technology. Ed. L. D. Rosenberg. M .: Nauka, 1970.], it is known that the quality of ultrasonic cleaning is determined by three factors: the intensity of the mechanical impact on the object, the intensity of the chemical impact on pollution and the time of exposure. The effect of ultrasonic cleaning becomes higher with an increase in the intensity of any of these indicators.
Известны различные конструкции ультразвуковых устройств для очистки [Patent US 2987068, Patent US 2992142, Patent US 2009/0025761], содержащие ванну для обработки деталей, заливаемую жидкостью, и установленные снаружи фокусирующие ультразвуковые излучатели.Known are various designs of ultrasonic cleaning devices [Patent US 2987068, Patent US 2992142, Patent US 2009/0025761], containing a bath for processing parts, filled with liquid, and externally mounted focusing ultrasonic emitters.
Известно устройство ультразвуковой очистки [Patent US 9956595, японская патентная заявка №1-58389] содержащее ультразвуковой генератор, ультразвуковой излучатель, промывочный бак, включающий в себя акустическое параболическое зеркало обращенное к ультразвуковому излучателю, а объект подлежащий очистке размещен в области фокуса излучателя. В устройстве может быть использовано несколько ультразвуковых излучателей с акустическими зеркалами.Known ultrasonic cleaning device [Patent US 9956595, Japanese patent application No. 1-58389] containing an ultrasonic generator, an ultrasonic emitter, a flushing tank, including an acoustic parabolic mirror facing the ultrasonic emitter, and the object to be cleaned is placed in the focus area of the emitter. Several ultrasonic emitters with acoustic mirrors can be used in the device.
Известно устройство ультразвуковой очистки [Patent US 5383484], которое содержит ванну для обработки деталей, заливаемую жидкостью, и установленные снаружи ультразвуковые излучатели, каждый из которых направляет сфокусированный пучок энергии ультразвуковых колебаний в полость ванны. Излучатели расположены вокруг ванны так, что формируемые ими пучки, охватывают всю наружную поверхность каждой детали.Known ultrasonic cleaning device [Patent US 5383484], which contains a bath for processing parts, filled with liquid, and installed outside the ultrasonic emitters, each of which directs a focused beam of energy of ultrasonic vibrations into the cavity of the bath. The emitters are located around the bath so that the beams they generate cover the entire outer surface of each part.
Известно устройство для ультразвуковой очистки [US Patent Application 20090025761] содержащее пьезоэлектрическое устройство для генерирования ультразвуковых волн для фокусировки первых ультразвуковых волн, имеющих частоту от 1 до 10 МГц, устройство регулировки положения области фокусировки на поверхности объекта, ванну с жидкостью.Known device for ultrasonic cleaning [US Patent Application 20090025761] containing a piezoelectric device for generating ultrasonic waves for focusing the first ultrasonic waves having a frequency of 1 to 10 MHz, a device for adjusting the position of the focusing area on the surface of the object, a bath with liquid.
Пьезоэлектрические преобразователи, генерирующие ультразвук, прикрепляются к внешней поверхности контейнера с жидкостью и фокусируются в определенной целевой точке / области для контролируемого максимального эффекта очистки.Piezoelectric transducers that generate ultrasound are attached to the outer surface of the liquid container and focused at a specific target point / area for a controlled maximum cleaning effect.
Достоинством известных устройств является высокая интенсивность механического воздействия на объект за счет фокусировки акустического излучения.The advantage of the known devices is the high intensity of mechanical action on the object due to the focusing of acoustic radiation.
Недостатком устройств является большие габариты фокусирующего устройства и низкая интенсивность акустического излучения в области фокусировки.The disadvantages of the devices are the large dimensions of the focusing device and the low intensity of acoustic radiation in the focusing area.
Известна ультразвуковая установка [Патент РФ 2286216], принятая за прототип и содержащая ультразвуковой преобразователь, рабочую камеру и акустический волновод, на излучающем конце которого расположена вогнутая акустическая сферическая линза, а приемный торец этого волновода акустически жестко соединен с излучающей поверхностью ультразвукового преобразователя.Known ultrasonic installation [RF Patent 2286216], taken as a prototype and containing an ultrasonic transducer, a working chamber and an acoustic waveguide, at the emitting end of which there is a concave acoustic spherical lens, and the receiving end of this waveguide is acoustically rigidly connected to the emitting surface of the ultrasonic transducer.
В результате фокусировки акустического излучения в рабочей камере установки концентрируется мощная акустическая энергия в малом объеме ["Ультразвук. Маленькая энциклопедия", главный ред. И.П. Голянина, М.: Советская энциклопедия, 1979, с. 367-370]. В области фокусировки акустических энергий интенсивность воздействия акустического поля на обрабатываемую жидкую среду в сотни раз выше, чем в других областях камеры. Создается локальный объем с мощной интенсивностью воздействия полем.As a result of the focusing of acoustic radiation in the working chamber of the installation, powerful acoustic energy is concentrated in a small volume ["Ultrasound. Little Encyclopedia", chief ed. I.P. Golyanina, M .: Soviet encyclopedia, 1979, p. 367-370]. In the area of focusing acoustic energies, the intensity of the effect of the acoustic field on the processed liquid medium is hundreds of times higher than in other areas of the chamber. A local volume is created with a powerful intensity of exposure to the field.
Недостатком устройства является большие габариты фокусирующего устройства и низкая интенсивность акустического излучения в области фокусировки.The disadvantage of the device is the large size of the focusing device and the low intensity of acoustic radiation in the focusing area.
Недостатком известных ультразвуковых устройств очистки с акустическими фокусирующими устройствами являются большие габариты, обусловленные тем, что для фокусировки акустического излучения относительный диаметр линзы либо зеркала, либо фокусирующего преобразователя должен быть не менее D/λ~10-15 и значительный размер области фокусировки, не менее дифракционного предела, что снижает максимальную величину давления на объекте очистки.The disadvantage of the known ultrasonic cleaning devices with acoustic focusing devices is large dimensions due to the fact that for focusing acoustic radiation the relative diameter of the lens or mirror or focusing transducer must be at least D / λ ~ 10-15 and a significant size of the focusing area, not less than diffraction limit, which reduces the maximum pressure value at the cleaning object.
Известны различные акустические линзы для фокусировки упругих волн, материалом которых могут быть жидкие, твердые и газообразные вещества, при этом линзы могут иметь плоско-выпуклую, плоско-вогнутую, двояковыпуклую, двояковогнутую и выпукло-вогнутую поверхности [Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. М.: Наука, 1977, с. 3-36].There are various acoustic lenses for focusing elastic waves, the material of which can be liquid, solid and gaseous substances, while the lenses can have plano-convex, plano-concave, biconvex, biconcave and convex-concave surfaces [Kanevsky IN. Focusing sound and ultrasonic waves. Moscow: Nauka, 1977, p. 3-36].
Известны акустические линзы, выполненные из искусственных материалов (акустических метаматериалов) [Zhang, S., Yin, L. & Fang, N. Focusing ultrasound with an acoustic metamaterial network. Phys. Rev. Lett. 102, 194301 (2009); Zhu, J. et al. A holey-structured metamaterial for acoustic deep-subwavelength imaging. Nat. Phys. 7, 52-55 (2010); Li, J., Fok, L., Yin, X., Bartal, G. & Zhang, X. Experimental demonstration of an acoustic magnifying hyperlens. Nat. Mater. 8, 931-934 (2009); Martin, T.P. et al. Sonic gradient index lens for aqueous applications. Appl. Phys. Lett. 97, 113503 (2010)].Known acoustic lenses made of artificial materials (acoustic metamaterials) [Zhang, S., Yin, L. & Fang, N. Focusing ultrasound with an acoustic metamaterial network. Phys. Rev. Lett. 102, 194301 (2009); Zhu, J. et al. A holey-structured metamaterial for acoustic deep-subwavelength imaging. Nat. Phys. 7, 52-55 (2010); Li, J., Fok, L., Yin, X., Bartal, G. & Zhang, X. Experimental demonstration of an acoustic magnifying hyperlens. Nat. Mater. 8,931-934 (2009); Martin, T.P. et al. Sonic gradient index lens for aqueous applications. Appl. Phys. Lett. 97, 113503 (2010)].
Ни в одной из упомянутых конструкций не решается проблема повышения уровня давления на объекте в устройстве ультразвуковой очистки за счет сверхфокусировки падающего на объект излучения.None of the above-mentioned designs solve the problem of increasing the pressure level on the object in the ultrasonic cleaning device due to over-focusing of the radiation incident on the object.
Диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) акустического поля с помощью линзовых систем [Борн М., Вольф Э., Основы оптики - М.: Наука, 1970]The diameter of the Airy spot h is determined by the so-called Rayleigh criterion, which establishes the concentration (focusing) limit of the acoustic field using lens systems [M. Born, E. Wolf, Fundamentals of Optics - Moscow: Nauka, 1970]
h=1,22λF/D,h = 1.22λF / D,
где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы, F -фокусное расстояние фокусирующего устройства.where λ is the radiation wavelength, D is the diameter of the primary mirror or lens, F is the focal length of the focusing device.
Поперечный размер области фокусировки излучения возрастает с увеличением фокусного расстояния, длины волны используемого излучения и уменьшением характерного размера фокусирующего устройства.The transverse size of the focusing region of radiation increases with an increase in the focal length, the wavelength of the radiation used, and a decrease in the characteristic size of the focusing device.
Диаметр пятна Эйри h является важным параметром фокусирующей системы, который определяет ее собственную разрешающую способность в фокальной плоскости, определяет поперечные размеры области фокусировки и область концентрации акустической энергии для идеального фокусирующего устройства: линзы или зеркальной антенны. Минимальный поперечный размер области фокусировки для идеальной фокусирующей системы не может быть менее длины волны используемого излучения.Airy spot diameter h is an important parameter of the focusing system, which determines its own resolution in the focal plane, determines the transverse dimensions of the focusing area and the area of acoustic energy concentration for an ideal focusing device: lens or reflector antenna. The minimum transverse size of the focusing area for an ideal focusing system cannot be less than the wavelength of the radiation used.
Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].By overcoming the diffraction limit is meant focusing radiation into a spot with dimensions smaller than that of the Airy spot [M. Born, E. Wolf. Fundamentals of optics. - M .: Mir, 1978].
Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например, с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006)). Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией, и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки. Было показано, что при падении плоской волны на сфероидальную частицу достижимо пространственное разрешение до трети длины волны, что ниже классического дифракционного предела.The diffraction limit in optics can be overcome in various ways, for example, using the "photonic nanojet" effect (for example, see A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006)). A photon jet arises in the area of the shadow surface of dielectric microspherical particles - in the so-called. near diffraction zone - and is characterized by strong spatial localization, and high intensity of the optical field in the focusing area. It was shown that when a plane wave is incident on a spheroidal particle, a spatial resolution of up to a third of the wavelength is attainable, which is below the classical diffraction limit.
Сферическая микрочастица, таким образом, выполняет роль рефракционной сферической микролинзы, фокусирующей световое излучение в пределах субволнового объема [Ю. Гейнц, А. Землянов, Е. Панина. Микрочастица в интенсивном световом поле. - Palmarium Academic Publishing (2012), ISBN-13: 978-3-8473-9641-3. - 252 с.; Daniel S. Benincasa, Peter W. Barber, Jian-Zhi Zhang, Wen-Feng Hsieh, and Richard K. Chang Spatial distribution of the internal and near-field intensities of large cylindrical and spherical scatterers // Applied Optics, Vol. 26, No. 7, 1987, pp. 1348-1356].A spherical microparticle, thus, plays the role of a refractive spherical microlens, focusing light radiation within the subwavelength volume [Yu. Heinz, A. Zemlyanov, E. Panina. Microparticle in an intense light field. - Palmarium Academic Publishing (2012) ISBN-13: 978-3-8473-9641-3. - 252 p .; Daniel S. Benincasa, Peter W. Barber, Jian-Zhi Zhang, Wen-Feng Hsieh, and Richard K. Chang Spatial distribution of the internal and near-field intensities of large cylindrical and spherical scatterers // Applied Optics, Vol. 26, No. 7, 1987, pp. 1348-1356].
Позднее возможности получения фотонных наноструй были изучены для диэлектрических осесимметричных тел, например эллиптических наночастиц [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; Т. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014)], многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления, а также полусфер [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.], дисков [C-Y. Liu and C-C. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127, 267-273 (2016).], цилиндра-сферы [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].Later, the possibility of obtaining photonic nanojets were studied for dielectric axisymmetric bodies, for example, elliptical nanoparticles [IV Minin, OV Minin. Quasi-optics: modern development trends - Novosibirsk: SGUGiT, 2015. - 163 p .; T. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014)], multilayer layered inhomogeneous microspherical particles with a radial gradient of refractive index, as well as hemispheres [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.], Discs [C-Y. Liu and C-C. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127, 267-273 (2016).], Cylinder-sphere [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].
Также было обнаружено, что фотонные струи могут быть сформированы несимметричными мезоразмерными диэлектрическими частицами, например куб, усеченный шар, пирамида, усеченная пирамида, призма, объемный шестигранник и т.д. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin and O.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin, O.V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132; Yu.E. Geintz, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910(2015); Yu.E. Geints, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); И.В. Минин, O.B. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, с. 4-10].It was also found that photonic jets can be formed by asymmetric mesoscale dielectric particles, for example, a cube, a truncated sphere, a pyramid, a truncated pyramid, a prism, a three-dimensional hexagon, etc. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin and O.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin, O.V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002 / andp.201500132; Yu.E. Geintz, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910 (2015); Yu.E. Geints, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119,849-854 (2015); I.V. Minin, O.B. Minin. Photonics of isolated dielectric particles of arbitrary three-dimensional shape - a new direction of optical information technologies // Vestnik NSU. Series: Information technologies. 2014, no. 4, p. 4-10].
Из технической литературы известно, что методы субволновой фокусировки на основе эффекта фотонной струи могут быть успешно применены в акустическом диапазоне. Формально, это можно утверждать на основе аналогии между уравнениями, описывающими акустические и электромагнитные волновые процессы [Т. Miyashita and С. Inoue, Numerical investigations of transmission and waveguide properties of sonic crystals by nite-difference time-domain method // Japan. J. Appl. Phys. 40, 3488, (2001); Минин И.В., Минин O.B. Квазиоптика: современные теденции развития. - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.]. Понятие акустоструи (acoustojets) как аналога фотонной струи в оптике, был впервые введено в работах [I.V. Minin and O.V. Minin, Acoustojet: acoustic analogue of photonic jet phenomenon, arXiv: 1604.08146 (2016); O.V. Minin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle // Opt. Quant. Electron. 49, 54 (2017); J.H. Lopes, J.P. Leo-Neto, I.V. Minin, O.V. Minin, a & G.T. Silva, A theoretical analysis of acoustic jets // ICA2016, 0943, (2016)].It is known from the technical literature that subwavelength focusing methods based on the photonic jet effect can be successfully applied in the acoustic range. Formally, this can be stated on the basis of the analogy between the equations describing acoustic and electromagnetic wave processes [T. Miyashita and C. Inoue, Numerical investigations of transmission and waveguide properties of sonic crystals by nite-difference time-domain method // Japan. J. Appl. Phys. 40, 3488, (2001); Minin I.V., Minin O.B. Quasi-optics: modern development trends. - Novosibirsk: SGUGiT, 2015. - 163 p.]. The concept of acoustojets as an analogue of a photonic jet in optics was first introduced in [I.V. Minin and O.V. Minin, Acoustojet: acoustic analogue of photonic jet phenomenon, arXiv: 1604.08146 (2016); O.V. Minin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle // Opt. Quant. Electron. 49, 54 (2017); J.H. Lopes, J.P. Leo-Neto, I.V. Minin, O.V. Minin, a & G.T. Silva, A theoretical analysis of acoustic jets // ICA2016, 0943, (2016)].
Акустоструя это область повышенной концентрации акустической энергии и с высоким пространственным разрешением, возникающая непосредственно на теневой стороне мезоразмерной звукопроводящей частицы.Acoustically this is an area of increased concentration of acoustic energy and with a high spatial resolution, arising directly on the shadow side of a mesoscale sound-conducting particle.
Акустическая струя возникает только для определенных значений относительной скорости звука в материале звукопроводящей частицы и окружающей среды [J.Н. Lopes, М. А. В. Andrade, 
Первое упоминание фокусирующих акустических устройств, формирующих акустострую, как аналога фотонной струи в оптике, было в патенте РФ 167049, акустическая линза для формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью. Акустическая линза выполнена с возможностью формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью. Линза выполнена в виде трехмерной частицы, например, в виде сферы, цилиндра, кубоида, пирамиды с характерными размерами порядка длины волны акустического излучения в среде, с относительной скоростью звука в материале частицы не менее 1,1 и относительным волновым сопротивлением не более 25. Акустическая линза формирует область фокусировки непосредственно за теневой поверхностью с размерами в поперечном (относительно направления распространения излучения) направлении на уровне половинной мощности менее классического дифракционного предела - до четверти длины волны акустического излучения в среде λ, и с протяженностью области фокусировки (1-5)λ, чем достигается повышение локализации сфокусированного акустического поля до субволнового значения и повышенная плотность интенсивности акустического излучения в области фокусировки.The first mention of focusing acoustic devices that form acousto-sharpness, as an analogue of a photonic jet in optics, was in RF patent 167049, an acoustic lens for forming a focusing area directly behind the shadow surface. The acoustic lens is designed to form a focusing area directly behind the shadow surface. The lens is made in the form of a three-dimensional particle, for example, in the form of a sphere, cylinder, cuboid, pyramid with characteristic dimensions of the order of the wavelength of acoustic radiation in the medium, with a relative speed of sound in the material of the particle not less than 1.1 and a relative wave impedance of not more than 25. Acoustic the lens forms a focusing area directly behind the shadow surface with dimensions in the transverse (relative to the direction of radiation propagation) direction at a half power level less than the classical diffraction limit - up to a quarter of the wavelength of acoustic radiation in a medium λ, and with the length of the focusing area (1-5) λ, what is achieved by increasing the localization of the focused acoustic field to a subwave value and an increased density of the intensity of acoustic radiation in the focusing area.
В патенте РФ 170911 предложена газонаполненная акустическая линза в форме кубоида или сферы. При этом оболочка выполняется в форме кубика с размером ребра не менее λ/2, а заполняемое вещество оболочки имеет скорость звука относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0,5 до 0,83. При таких параметрах акустическая линза формирует на своей теневой стороне акустострую и может работать в звуковом диапазоне длин волн.In RF patent 170911, a gas-filled acoustic lens in the form of a cuboid or a sphere is proposed. In this case, the shell is made in the form of a cube with an edge size of at least λ / 2, and the shell material to be filled has the speed of sound relative to the speed of sound in the environment, lying in the range from 0.5 to 0.83. With such parameters, an acoustic lens forms an acoustical edge on its shadow side and can operate in the sound wavelength range.
Таким образом, задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно расширение арсенала технических средств, используемых в конструкции ультразвуковых устройств очистки с одновременным уменьшением габаритов устройства и повышением интенсивности акустического излучения в области фокуса фокусирующего устройства.Thus, the objective of the present utility model is to eliminate these disadvantages, namely, to expand the arsenal of technical means used in the design of ultrasonic cleaning devices while reducing the dimensions of the device and increasing the intensity of acoustic radiation in the focus area of the focusing device.
Указанная задача решена благодаря тому, что в устройстве для ультразвуковой очистки содержащем ультразвуковой преобразователь, рабочую камеру и акустический волновод, на излучающем конце которого расположена акустическая линза, а приемный торец этого волновода акустически жестко соединен с излучающей поверхностью ультразвукового преобразователя, новым является то, что линза выполнена в виде звукопроводящей частицы, с возможностью фокусировки излучения непосредственно за теневой границей частицы, с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел и с характерным размером не менее максимальной длины волны излучения ультразвукового преобразователя λ, а именно (1-1.5)λ.This problem is solved due to the fact that in a device for ultrasonic cleaning containing an ultrasonic transducer, a working chamber and an acoustic waveguide, at the emitting end of which an acoustic lens is located, and the receiving end of this waveguide is acoustically rigidly connected to the emitting surface of the ultrasonic transducer, it is new that the lens made in the form of a sound-conducting particle, with the possibility of focusing radiation directly behind the shadow boundary of the particle, with a spatial resolution exceeding the diffraction limit and with a characteristic size not less than the maximum radiation wavelength of the ultrasonic transducer λ, namely (1-1.5) λ.
Кроме того звукопроводящая частица может быть выполнена в форме кубоида.In addition, the sound-conducting particle can be made in the form of a cuboid.
Кроме того звукопроводящая частица может быть выполнена в форме шара.In addition, the sound-conducting particle can be made in the form of a ball.
В результате проведенных исследований было обнаружено, что звукопроводящая частица, например, в форме кубоида или шара, с характерным размером не менее максимальной длины волны акустического излучения в окружающей среде и со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0,5 до 0,83, формирует на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной концентрацией энергии и с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4.As a result of the studies carried out, it was found that a sound-conducting particle, for example, in the form of a cuboid or a sphere, with a characteristic size not less than the maximum wavelength of acoustic radiation in the environment and with the speed of sound in the material of the particle relative to the speed of sound in the environment, lying in the range from 0.5 to 0.83, forms on its outer boundary on the opposite side of the incident radiation areas with increased energy concentration and with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4.
Выбор размера звукопроводящей частицы с характерным размером не менее максимальной длины волны излучения ультразвукового преобразователя обеспечивает фокусировку акустического излучения в акустострую во всем диапазоне частот работы устройства с характерным размером не менее максимальной длины волны излучения ультразвукового преобразователя. На более высоких частотах акустического излучения увеличивается эффективность фокусировки и величина интенсивности акустического излучения в области фокуса.The choice of the size of a sound-conducting particle with a characteristic size not less than the maximum radiation wavelength of the ultrasonic transducer ensures the focusing of acoustic radiation into an acoustics in the entire frequency range of the device with a characteristic size not less than the maximum radiation wavelength of the ultrasonic transducer. At higher frequencies of acoustic radiation, the focusing efficiency and the intensity of acoustic radiation in the focus area increase.
На фиг. 1 приведена схема устройства для ультразвуковой очистки с частицей в форме кубоида (а), в форме шара (б).FIG. 1 shows a diagram of a device for ultrasonic cleaning with a particle in the form of a cuboid (a), in the form of a ball (b).
Ультразвуковая установка содержит ультразвуковой магнитострикционный или пьезокерамический преобразователь 1 с излучающей поверхностью 2, акустический волновод 3, рабочую камеру 4, приемный торец этого волновода 3 акустически жестко соединен с излучающей поверхностью ультразвукового преобразователя 2. Рабочая камера 4 выполнена металлической, например стальной, цилиндрической трубы. На излучающем конце волновода 3 установлена звукопроводящая частица в форме кубоида 5 или шара 6, фокусирующих акустическое излучение в акустострую 7 непосредственно за теневой границей частицы в форме кубоида 5, либо шара 6, либо в форме нескольких звукопроводящих частиц с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел и с характерным размером не менее максимальной длины волны излучения ультразвукового преобразователя. В области акустоструи 7 размещена поверхность очищаемого объекта 8.The ultrasonic installation contains an ultrasonic magnetostrictive or
Заявляемое устройство работает следующим образом.The claimed device operates as follows.
Акустическое излучение, сформированное ультразвуковым преобразователем 1, передается на излучающую поверхность 2, которая акустически жестко соединена с приемным торцом волновода 3 и передается на излучающий конец волновода. На излучающем конце волновода расположена звукопроводящая частица в форме кубоида 5 или шара 6, которая фокусирует это излучение в акустострую 7 с повышенным давлением, которая возникает непосредственно на теневой границе частиц 5, 6, при этом достижимо пространственное разрешение, превышающее дифракционный предел. В случае использования пъезокерамического преобразователя 1, звукопроводящие частицы 5 либо 6 могут размещаться на его излучающей поверхности. В области фокусировки 7 в рабочей камере 4 с жидкостью, например, водой, размещен очищаемый объект 8.Acoustic radiation generated by the
Под воздействием акустического поля в обрабатываемой жидкой среде возникает кавитация. В результате кавитации образуются парогазовые кавитационные пузырьки. Если акустическое поле слабое, пузырьки резонируют, пульсируют в поле. Если акустическое поле сильное, пузырек через период звуковой волны (идеальный случай) захлопывается, так как попадает в область высокого давления, создаваемого этим полем. Захлопываясь, пузырьки порождают сильные гидродинамические возмущения в жидкой среде, интенсивное излучение акустических волн вызывает разрушение поверхностей твердых тел, граничащих с кавитирующей жидкостью.Under the influence of the acoustic field, cavitation occurs in the processed liquid medium. As a result of cavitation, vapor-gas cavitation bubbles are formed. If the acoustic field is weak, the bubbles resonate, pulsate in the field. If the acoustic field is strong, the bubble collapses after the period of the sound wave (ideal case), since it falls into the region of high pressure created by this field. When the bubbles collapse, they generate strong hydrodynamic disturbances in the liquid medium, the intense radiation of acoustic waves causes the destruction of the surfaces of solids bordering on the cavitating liquid.
Таким образом, размещение на излучающей поверхности звукопроводящей частицы, формирующей акустострую, повышает интенсивность воздействия акустическим полем на обрабатываемую жидкую среду, а следовательно, обеспечивает интенсификацию технологического процесса без снижения качества конечного продукта.Thus, the placement of a sound-conducting particle on the radiating surface, which forms an acoustic wave, increases the intensity of the effect of the acoustic field on the processed liquid medium, and, consequently, provides an intensification of the technological process without reducing the quality of the final product.
В результате проведенных исследований было установлено, что локализация поля типа акустоструя для характерных размеров кубоида и шара менее λ/2 не формируется. Устойчиво локализация акустического поля типа акустоструя формируется при размерах звукопроницаемой частицы не менее λ.As a result of the studies carried out, it was found that the localization of the field of the acoustic jet type for the characteristic dimensions of the cuboid and the sphere less than λ / 2 is not formed. Stable localization of an acoustic field of the acoustic jet type is formed when the size of a sound-permeable particle is not less than λ.
При относительной скорости звука в материале звукопроводящей частице более 0,83 формируемая акустоструя не обеспечивает эффективной концентрации акустического излучении и менее 0,5 акустоструя формируется внутри звукопроводящей частицы.When the relative speed of sound in the material of a sound-conducting particle is more than 0.83, the formed acoustic jet does not provide an effective concentration of acoustic radiation and less than 0.5 an acoustic jet is formed inside the sound-conducting particle.
При использовании в качестве среды воду, из-за малой разницы акустического импеданса по отношению к воде и с учетом результатов [J.H. Lopes, М.А.В. Andrade, J.P. Leao-Neto, J.C. Adamowski, I.V. Minin & G.T. Silva, Focusing Acoustic Beams with a Ball-Shaped Lens beyond the Diffraction Limit // Phys. Rev. Appl. 8, (2017), 024013], целесообразно в качестве материала для звукопроводящих частиц использовать диэлектрический материал Rexolite. Его можно легко подвергнуть механической обработке. Это экологически чистый материал, так как не содержит вредных для него ингредиентов [С. Cadot, J.-F. Saillant, and В. Dulmet, Method for Acoustic Characterization of Materials in Temperature, in Proceedings of the 19th World Conference on Non-Destructive Testing 2016, Munich, 2016, http://ndt.net/?id=19542.; http://www.rexolite.com/general-qualities/].When using water as a medium, due to the small difference in acoustic impedance with respect to water and taking into account the results [J.H. Lopes, M.A. V. Andrade, J.P. Leao-Neto, J.C. Adamowski, I.V. Minin & G.T. Silva, Focusing Acoustic Beams with a Ball-Shaped Lens beyond the Diffraction Limit // Phys. Rev. Appl. 8, (2017), 024013], it is advisable to use a dielectric material Rexolite as a material for sound-conducting particles. It can be easily machined. This is an environmentally friendly material, since it does not contain ingredients harmful to it [S. Cadot, J.-F. Saillant, and B. Dulmet, Method for Acoustic Characterization of Materials in Temperature, in Proceedings of the 19th World Conference on Non-Destructive Testing 2016, Munich, 2016, http://ndt.net/?id=19542 .; http://www.rexolite.com/general-qualities/].
При моделировании использовались характеристики с типичными значениями скорости звука (C) и плотности (ρ) (Свода=1500 м/с и ρвода=1000 кг/м3). Для Rexolite продольная скорость звука ClRexolite=2337 м/с, поперечная скорость звука CsRexolite=1157 м/с, а плотность ρRexolite=1049 кг/м3 [O.V. Minin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle // Opt. Quant. Electron. 49, (2017), 54; J.H. Lopes,
Сравнение прототипа и предлагаемого устройства производилось на частоте 1 МГц с жидкостной ячейкой из воды при 25°С (скорость звука 1490 м/с) и звукопроводящей частицы из Rexolite (скорость звука 2311 м/с) относительная скорость звука 0,645, формы частиц шар, кубоид с характерным размером 1,5λ. Было установлено, что в предлагаемом устройстве достигнуто повышение интенсивности акустического излучения в области фокусировки в 7-9 раз и одновременного уменьшения габаритов фокусирующего устройства в 6-10 раз.Comparison of the prototype and the proposed device was carried out at a frequency of 1 MHz with a liquid cell made of water at 25 ° C (speed of sound 1490 m / s) and a sound-conducting particle from Rexolite (speed of sound 2311 m / s), relative speed of sound 0.645, particle shape ball, cuboid with a characteristic size of 1.5λ. It was found that the proposed device achieved an increase in the intensity of acoustic radiation in the focusing area by 7-9 times and a simultaneous decrease in the size of the focusing device by 6-10 times.
Техническим результатом является снижение габаритов устройства для ультразвуковой очистки и повышение интенсивности акустического излучения в области фокуса фокусирующего устройства.The technical result is to reduce the size of the device for ultrasonic cleaning and increase the intensity of acoustic radiation in the focus area of the focusing device.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020119041U RU203369U1 (en) | 2020-06-02 | 2020-06-02 | Ultrasonic cleaning device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020119041U RU203369U1 (en) | 2020-06-02 | 2020-06-02 | Ultrasonic cleaning device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU203369U1 true RU203369U1 (en) | 2021-04-01 |
Family
ID=75356224
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020119041U RU203369U1 (en) | 2020-06-02 | 2020-06-02 | Ultrasonic cleaning device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU203369U1 (en) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1442281A1 (en) * | 1987-01-04 | 1988-12-07 | Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт машиностроения для добычи твердых полезных ископаемых Мирового океана | Apparatus for ultrasonic cleaning |
| KR20050102116A (en) * | 2003-02-25 | 2005-10-25 | 마츠시다 덴코 가부시키가이샤 | Ultrasonic washing device |
| JP2006110418A (en) * | 2004-10-12 | 2006-04-27 | Univ Of Tokyo | Ultrasonic cleansing apparatus |
| RU2286216C1 (en) * | 2005-02-16 | 2006-10-27 | Закрытое акционерное общество "РЭЛТЕК" | Ultrasonic plant |
| RU167049U1 (en) * | 2016-05-16 | 2016-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | ACOUSTIC LENS FOR FORMING A FOCUS AREA DIRECTLY FOR THE SHADOW SURFACE |
| RU174536U1 (en) * | 2017-03-30 | 2017-10-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Waveguide emitter |
| RU175684U1 (en) * | 2017-04-27 | 2017-12-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Acoustic sensor |
-
2020
- 2020-06-02 RU RU2020119041U patent/RU203369U1/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1442281A1 (en) * | 1987-01-04 | 1988-12-07 | Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт машиностроения для добычи твердых полезных ископаемых Мирового океана | Apparatus for ultrasonic cleaning |
| KR20050102116A (en) * | 2003-02-25 | 2005-10-25 | 마츠시다 덴코 가부시키가이샤 | Ultrasonic washing device |
| JP2006110418A (en) * | 2004-10-12 | 2006-04-27 | Univ Of Tokyo | Ultrasonic cleansing apparatus |
| RU2286216C1 (en) * | 2005-02-16 | 2006-10-27 | Закрытое акционерное общество "РЭЛТЕК" | Ultrasonic plant |
| RU167049U1 (en) * | 2016-05-16 | 2016-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | ACOUSTIC LENS FOR FORMING A FOCUS AREA DIRECTLY FOR THE SHADOW SURFACE |
| RU174536U1 (en) * | 2017-03-30 | 2017-10-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Waveguide emitter |
| RU175684U1 (en) * | 2017-04-27 | 2017-12-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Acoustic sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lopes et al. | Focusing acoustic beams with a ball-shaped lens beyond the diffraction limit | |
| RU167049U1 (en) | ACOUSTIC LENS FOR FORMING A FOCUS AREA DIRECTLY FOR THE SHADOW SURFACE | |
| Simon et al. | Ultrasonic atomization of liquids in drop-chain acoustic fountains | |
| CN101140354A (en) | Resonant vibration type supersonic transducer | |
| CN109939913B (en) | Sound tweezers device | |
| Minin et al. | Mesoscale acoustical cylindrical superlens | |
| RU203369U1 (en) | Ultrasonic cleaning device | |
| Bjørnø | Introduction to nonlinear acoustics | |
| RU197437U1 (en) | Acoustic diode | |
| Wells | Physics of ultrasound | |
| Xiong et al. | Quantitative evaluation of the microjet velocity and cavitation erosion on a copper plate produced by a spherical cavity focused transducer at the high hydrostatic pressure | |
| Zhao et al. | A review of acoustic Luneburg lens: Physics and applications | |
| Xu et al. | Manipulating backward propagation of acoustic waves by a periodical structure | |
| RU175684U1 (en) | Acoustic sensor | |
| Hosseini et al. | Implosion of a spherical shock wave reflected from a spherical wall | |
| Mitri | Ultrasonic superlensing jets and acoustic-fork sheets | |
| Rajabi et al. | Acoustic manipulation of a liquid-filled spherical shell activated with an internal spherical oscillator | |
| RU2756411C2 (en) | Scanning acoustic microscope | |
| Minin et al. | Extreme effects in field localization of acoustic wave: super-resonances in dielectric mesoscale sphere immersed in water | |
| Akiyama et al. | Elliptically curved acoustic lens for emitting strongly focused finite-amplitude beams: Application of the spheroidal beam equation model to the theoretical prediction | |
| RU2746823C1 (en) | Ultrasonic device for washing clothes | |
| RU2735916C1 (en) | Scanning acoustic microscope | |
| RU195130U1 (en) | Acoustic lens with low contrast index | |
| RU2654387C1 (en) | Method for forming image objects with subdiffractional resolution in acoustic range of wavelengths | |
| Romanov et al. | Thermomechanical effect of ultrashort laser pulses on single-dimension metallic nanostructures |