tìm hiểu nguyên lý hệ thống siêu âm với công suất phát p= kw, tần số f= hz dùng biến tử , sử dụng trong

[Type the document title] BÀI TẬP LỚN MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP VÀ Y TẾ Họ Và Tên: Lớp : MSSV: Đề tài: Tìm Hiểu Nguyên Lý Hệ Thống Siêu Âm Với Công Suất Phát P= Kw, Tần Số f= hz Dùng Biến Tử , Sử Dụng Trong Nội Dung Đề Tài Chương 1: Tổng Quan Về Kỹ Thuật Siêu Âm Chương 2: Cơ Sở Vật Lý Của Dao Động Siêu Âm Chương 3: Biến Tử Chương 4: Chọn Máy Phát Chương 5: Giới Thiệu Thiết Bị Công Nghệ Chương 6: Giới Thiệu Công Nghệ Rửa Sạch Page [Type the document title] Chương : Tổng Quan Kỹ Thuật Siêu Âm 1.Khái niệm chung: - Siêu âm dao động đàn hồi có tần số f >16 kHz, cao tần số âm mà người nghe Dao động siêu âm nhận từ nguồn phát khác nhau: -Biến đổi chuyển động dịng thủy khí thành dao động siêu âm -Chuyển đổi dao động điện thành dao động siêu âm nhờ biến tử Hệ thống thiết bị công nghệ siêu âm bao gồm: -Nguồn phát dao động điện tử: dạng máy phát điện tử, bán dẫn, Thiristor… -Biến tử: Là phần tử biến đổi dao động điện thành dao động sở sử dụng hiệu ứng từ giảo hay áp điện -Các phẩn tử truyền dao động đàn hồi từ biến tử đến mối trường sử dụng + Nguồn biến dao động điện thành dao động siêu âm nhờ vật liệu từ giảo Ni, Fe –Co , pherit… Biến tử từ giảo + Nguồn biến dao động điện thành dao động siêu âm nhờ vật liệu áp điện BaTiO3 Biến tử áp điện -Hệ thống thiết bị siêu âm Máy phát ƒ > 16 kHz Biến tử Thiết bị công nghệ (máy gia công,bộ rửa,máy hàn…) Page [Type the document title] Cũng dao động âm, dao động siêu âm lan truyền dạng song đàn hồi mơi trường khí, lỏng, rắn Phần lớn định luật đắc trưng cho dao động âm gần với dao động siêu âm; nhiên tần số dao động siêu âm cao tần số dao động âm nên tính chất dao động đàn hồi có thay đổi tác dụng dao động siêu âm vào vật chất thay đổi 2.Ứng dụng siêu âm - Siêu âm biên độ nhỏ (biến áp điện): dùng để kiểm tra, thăm dò, đo lường, hay ngành Quốc phòng - Siêu âm biên độ lớn ( biến từ giảo): hầu hết sử dụng lĩnh vực công nghiệp : luyện kim, chế tạo phôi (đúc, hàn, gia công áp lực), công nghệ làm sạch, khử trùng, dùng Quốc phòng Chương Cơ Sở Vật Lý Của Dao Động Siêu Âm A Khái niệm * Cơ sở vật lý Cơ sở vật lý phản hồi tia siêu âm từ tổ chức thể , phản hồi phụ thuộc vào: - Tốc độ truyền sóng âm mơi trường - Trở kháng âm môi trường - Sự hấp thụ tổ chức - Thơng số(f,λ) sóng siêu âm cấu trúc hình học tổ chức * Tốc độ truyền sóng âm: Phụ thuộc vào mơi trường Tốc độ trung bình sóng siêu âm tổ chức phần mềm λ≈ 1540m/s Biết vận tốc truyền, đo thời gian sóng siêu âm ta định vị trí rõ bề mặt phản xạ * Trở kháng âm môi trường định luật truyền âm - Trở kháng âm z: Trở kháng âm môi trường gọi nôm na độ vang hay độ dội sóng âm mơi trường Trở kháng mơi trường có vai trị định với biên độ sóng phản xạ mặt phân cách môi trường - Sự phản xạ khúc xạ Âm truyền theo tia gọi âm tia Page [Type the document title] Phản xạ khúc xạ: Khi sóng âm truyền môi trường đồng đẳng hướng truyền theo phương thẳng; gặp mặt phân cách đủ lớn mơi trường có trở kháng âm khác tức có vận tốc truyền âm khác nhau, tia âm tuân theo định luật phản xạ khúc xạ Một phần lượng sóng âm phản xạ ngược trở lại phần lại truyền tiếp vào môi trường thứ Dao Động Siêu Âm dạng sóng điều hịa mang tính chất dao động tự dao động cưỡng B Dao động điều hòa, dao động tự do, dao động cưỡng I.Dao Động Điều Hòa Dao động điều hòa chuyển động dao động mà đại lượng dặc trưng cho lặp lặp lại theo khoảng thời gian nhau(chu kì T) - Tần số dao động f=1/T Quy luật dao động điều hịa dao động hình sin Đặc trưng dao động điều hòa theo : ξ(t)= Asin (ωt+φ) Trong đó: A: Biên độ dao động ωt+φ : pha dao động φ: góc pha ω: Tần số Góc ω = =2πf T : chu kì f:Tần số Tốc độ dao động (υ = ) Page [Type the document title] Gia Tốc dao động điều hòa : a = Nhận xét: Các đại lượng ξ, υ, a dao động điều hòa thay đổi cách chu kỳ theo thời gian t với tần số lệch pha II Dao động tự Định nghĩa: Dao động tự dao động điều hòa vật thể thân thực tác dụng lực đàn hồi lực quán tính (dao động quanh vị trí cân bằng) Phương trình vi phân dao động tự Được thiết lập dựa sở lực đàn hồi lực quán tính • Lực đàn hồi: Fd=xi ξ ξ: dịch chuyển xi: số đàn hồi • Lực qn tính:Fqt=m.a=m m: khối lượng t: thời gian • Phương trình vi phân dao động tự Fd=Fqt => => => ω0 ξ = m xi ξ + m = =0 : tần số riêng hệ dao động Biểu thức dịch chuyển : ξ(t)= Asin (ωt+φ) Thế dao động : Page [Type the document title] Wt = = = Động dao động : Wd = = Năng lượng toàn phần dao động: W = Wt+Wd = = III Dao động tự tắt dần: dao động tự vật thể t/d lực đàn hồi, lực qn tính, lực ma sát làm biên độ dao động tắt dần - Biểu thức lực ma sát Fms = -r.v r hệ số tổn hao ma sát Phương trình vi phân dao động tự tắt dần có dạng : m  +2δ +r + + xi ξ = 0 ξ=0 Page [Type the document title] ω0 δ= : tần số riêng hệ dao động : tần số suy giảm Biểu thức dịch chuyển : ξ = A Nhận xét : hệ dao động có tổn hao ma sát có suy giảm biên độ, gia tốc, dao động tần số IV dao động cưỡng Là dao động gây tác dụng ngoai lực điều hòa Biểu thức ngoại lực điều hòa Fn = F0 sinωt Phương trình vi phân dao động cưỡng : m +r + xi ξ = F0 sinωt biểu thức ξ có dạng: ξ=A sinωt(khơng tổn hao) A= A- Biên độ F- ngoại lực tác dụng ω0,ω tần số góc riêng tần số góc hệ dao động f0,f tần số riêng tần số góc hệ dao động δ= δ: hệ số suy giảm r : hệ số cản V Hiện tượng cộng hưởng Page [Type the document title] tượng tần số ngoai lực tác dụng tần số riêng hệ dao động Khi f = f0 biên độ dao động tăng đột ngột δ1< δ2< δ3< δ4 Amax f = f0 Biên độ cộng hưởng Amax= = Trong đó: r = δ.2m; ω0 = 2πf0 VI Hệ số phẩm chất hệ số tổn hao Hệ số phẩm chất đặc trưng cho tăng biên độ dịch chuyển hệ dao động, tăng tốc độ, tăng lực hệ dao động công hưởng tỷ số công suất phản kháng công suất tổn hao Q= Hệ số tổn hao: = ξ= Nhận xét: Tốn hao mơi trường phu thuộc tính chất lý, cấu trúc môi trường, tần số dao động VII Trở kháng dao động hệ dao động Page [Type the document title] Z = Fo biên độ lực V0 biên độ tốc độ = I0(R+X) I= Nhận xét : hệ dao động coi cứng khí trở kháng học lớn(Z lớn) v nhỏ + hệ dao động coi mềm Z nhỏ v lớn + thời điểm cộng hưởng ω = ω0 (f = f0) Zmin = r C Sóng âm Siêu âm 1.Khái niệm : Là trình lan truyền song đàn hồi tần số âm siêu âm, tạo nên sóng âm siêu âm λ - gọi bước song λ = C.T = C - Tốc độ truyền song T - Chu Kì F - Tần số f < 16000 HZ f ( 16000 – 20000 HZ) âm Siêu âm Page [Type the document title] f > 108 Âm siêu cao Các loại sóng đàn hồi: 1.tùy thuộc vào mơi trường đàn hồi +sóng dọc áp suất (kéo nén) +sóng trượt áp suất τ (sự trượt) +sóng phẳng nguồn phát mặt phẳng +sóng trụ: nguồn phát mặt trụ +sóng cầu: nguồn phát mặt cầu 2.Cơng dụng -sóng dọc truyền: - sóng vừa dọc vừa ngang : - sóng ngang: - sóng uốn: Page 10 [Type the document title] 1.Áp lực âm P = P1 - P2 (N/Cm3) P1 = áp lực tĩnh môi trường P2 = áp lực thay đổi sóng âm gây P = P0 cos(ωt P0 = c.v0 = ) c ω A biên độ áp lực âm mật đô C tốc độ âm ω =2πf tần số góc A biên độ dich chuyển 2.Năng lượng âm = = - lượng âm m- kích thước v- thể tích v0 biên độ tốc độ dao động 3.Cường độ âm I= C = C .ω2.A2 Tốc độ âm(eng/ -nghe : ) I < 10-3 ω/cm2 Page 15 [Type the document title] -bình thường 0,1 < I < ω/cm2 I > 104 ω/cm2 -cao 4.Trở kháng sóng âm mơi trường Z= = = Công suất âm W= Bảng ,c, α khí, lỏng Mơi trường Nhiệt độ Hơi nước Khơng khí Nước Biển 134 20 20 17 C(cm/s) 1,29 10-3 0.99 - Trở kháng Z 0,14 105 0,34.105 1,4.105 1,51-1,53 105 (g/cm2) -44,2 1,49.105 Bảng ,E,G,μ rắn Vật Liệu NiKen Thép C (g/cm3) 9,8 7,8 E,G G μ C.10-5 2,05 2,04 0,7 0,28 0,31 0,28 4,78 5,05 V Sự hấp thụ âm, phản xa âm, sóng âm đứng, dịng âm, xâm thực Sự hấp thụ âm: -đặc trưng giảm cường độ âm biên độ dao động Page 16 [Type the document title] I = I0 2.Sự phản xạ khúc xạ Phản xạ : I = I0 k2 k: hệ số phản xạ K= Khúc xạ :θ1,θ2 = Chú ý c2>c1, θ2> θ1 3.Sóng âm đỉnh -sóng tới: ξ1 = A1 sin 2π( - ) -sóng phản xả ξ2 = A2 sin 2π( + ) -sóng đứng: ξ = ξ1 + ξ2 =2A cos sin t 4.Dòng âm Khi truyền chất lỏng sóng siêu âm tạo lượng hạt chuyển động chất lỏng luồng âm Dòng âm tạo luồng âm F= Page 17 [Type the document title] xâm thực - sóng âm truyền mơi trường có vùng bị ép vùng bị giãn -vùng bị giãn có bọt khí -nửa chu kì sau bị ép, bọt khí nổ vỡ tạo lên tượng : áp lực lớn chất lỏng -tạo xung thủy lực bắn phá vật chất gọi thực xâm thực * Hiện tượng xâm thực phụ thuộc vào tần số f , cường độ âm tần số cường độ âm tăng xâm thực tăng Chương Biến Tử Phần tử biến đổi từ dao động điện sang dao động biến tử Vật liệu: Ni, Fe,Co,Ferit Vật liệu từ giản đặt từ trường làm thay đổi kích thước , hình dạng Vật liệu áp điện BaTiO3 Vật liệu thiết kế hệ thống siêu âm cho máy phát sử dụng biến tử co Vật liệu từ giảo vật liệu đặt từ trường thay đổi kích thước Đặc tính: + Hằng số từ giảo λ = = -35.10-6 + Từ cảm bão hòa Bmax = 0,64 Tesla + Độ từ thẩm: μ0 = 400 μma = 2500 + Lực khử từ: Hc = 55,7 A/m + Điện trở suất: ρ = 7.10-6 Ω/m + Môđun đàn hồi: E = 2,1.106 kg/cm2 + Mật độ đρ0 = 8,9g/cm3 Page 18 [Type the document title] + giới hạn bền: σb = 47 kg/cm2 + Tốc độ truyền sóng âm: c = 4,78.105 cm/s I Tính tốn kích thước biến tử 1, Chọn kết cấu : lõi, cửa sổ 2, Tính tốn - Diện tích bề mặt phát - S1 = P1 :công suất điện đưa vào biến tử P0: công suất điện riêng phần vật liệu biến tử, P0Ni = 50÷80W/cm2 Với P1 = 2,5kw = 2500w  S1 = 2500:50= 25 cm2  Kích thước bề mặt phát (chọn b=6,q=5) b q =5.5= 30cm  Chiều dài vai (da) Chọn da ≥ a (chọn a = 2) →theo bảng biến tử từ giảo Co chọn da≈2 h0 = arctg[mcotgda] k0 = ===0.26 λ0 = = = 23.9cm S0 =a.q=2.5=10cm2 S1 = b.q=6.5=30cm2 m =2 (2 lõi) S1tg = mS0cotgk0da →tg= Page 19 [Type the document title] → tg0.13h0 = 5,34.10-3 →h0 = 2,356 (h0 ≠2a) h0 tăng 5% f = 20kHz 1,5 KW,tần số f = 18-22kHz, độ xác 0,01mm; độ bóng Ra = M Kết cấu máy gia cơng siêu âm: -Bàn máy: có chuyển động chiều (x,y,z) máy phay Page 26 [Type the document title] -Đầu siêu âm: gồm biến tử,dụng cụ gia công gắn liền với biến tử, hộp làm nguội Đầu siêu âm có chuyển động trượt theo phương z thẳng đứng Tất treo đối trọng, để tạo lực ép tĩnh lên vật gia công Máy công cụ cắt gọt có ứng dụng siêu âm: -Máy tiện siêu âm : Như máy tiện thường, có đầu siêu âm truền dao động siêu âm vào dao tiện -Máy phay siêu âm: Như máy phay đứng, có đầu siêu âm truyền dao động siêu âm vào dao phay -Máy khoan doa siêu âm: Như máy khoan đứng, có truyền dao động siêu âm vào mũi khoan,doa -Máy mài siêu âm: Truyền dao động siêu âm vào trục đá mài -Máy làm ren siêu âm: Truyền dao động siêu âm vào dụng cụ cắt ren III Thanh truyền song dụng cụ gia cơng: Thanh truyền sóng: Nối biến tử dụng cụ gia công, truyền dao động siêu âm từ biến tử tới dụng cụ gia cơng Phương trình truyền sóng: + + k ξ = ξ (x.t) = ξ (x) Ở đây: k = = -Dịch chuyển,nghiệm phương trình truyền song Các kiểu truyền song: -Kiểu hình trụ, trụ bậc -Kiểu hình Dụng cụ gia công: Page 27 [Type the document title] Bề mặt dụng cụ gia cơng có hình tiết diện lỗ gia công IV Đặc trưng công nghệ gia cơng siêu âm: Năng suất cắt : Tính thể tích vật liệu cắt: V = S.F F: Tiết diện ngang bề mặt cắt dụng cụ S: Lượng chạy dao Nguyên tố ảnh hưởng đến gia công siêu âm: -Biên độ dao động A -Tần số dao động f -Năng suất gia công V Lượng chạy dao S -Lực ép tĩnh dụng cụ cắt vào vật gia công -Độ cứng vật liệu gia công V Q trình Tiện,Khoan doa,Phay,Mài,Cắt ren có tác dụng siêu âm: Tiện: -Truyền dao động siêu âm vào dao tiện -Đặc điểm: Trị số, hướng véc-tơ tốc độ cắt thay đổi ma sát, lực cắt giảm, suất, độ xác, độ bóng tăng Khoan,khoét,doa: -Truyền dao động siêu âm vào mũi khoan, mũi khoét, mũi doa -Đặc điểm: Giảm momen cắt 2-2,5 lần, lực cắt giảm 15-20%, độ bóng tăng từ 5- Phay: -Truyền dao động siêu âm vào dao phay (ngón) Page 28 [Type the document title] -Đặc điểm: Dao phay p18, vật gia công thép không gỉ 1X18H9T, biên độ dao động A = 0,02-0,025 mm,tần số f =20 kHz suất tăng lần,độ xác tăng, độ bong tăng Mài: -Truyền dao động siêu âm vào đá mài, phôi -Đặc điểm: Vật liệu gia công thép dụng cụ, tần số siêu âm f = 10-18 kHz, biên độ A = 0,02mm, suất tăng, độ xác tăng, độ bong tăng, giá thành giảm 3-4 lần Cắt ren: -Truyền siêu âm vào dụng cụ cắt -Đặc điểm: Tần số siêu âm f = 20kHz, biên độ A = 0,02mm momen xoắn giảm lần, độ xác tăng gấp 2, suất tăng 1,5-2 lần Page 29 ... bình : P = 0,3 - 1,5 KW ,tần số f = 1822kHz,độ xác 0,0 1mm;độ bóng Ra= 0,3 M -Nhóm máy công suất lớn : P > 1,5 KW ,tần số f = 18-22kHz, độ xác 0,0 1mm; độ bóng Ra = M Kết cấu máy gia công siêu âm: -Bàn... công, rửa, hàn - xung : kiểm tra II Chọn máy phát siêu âm Với công suất lớn P = 0,5 kw ta sử dụng máy phát siêu âm dùng bán dẫn thyristor Sơ đồ máy phát siêu âm thiristo 200VA Máy phát siêu âm. .. máy phát siêu âm Tần số làm việc - Nhóm I : Máy phát điện tử : f= 18 ± 1,3 5 , 20 ± 1,6 5 , 22 ± 1,6 5 , 44 ± 4,4 , - Nhóm II : Máy bán dẫn f= 18 ± 1,3 5 , 66 ± 6,6 khz - Nhóm III : Cả điện tử bán