Ultraljudshorn

Konventionellt konvergerande ultraljudshorn, tillverkat av Industrial Sonomechanics, LLC

Full-wave Barbell Ultrasonic Horn, producerat av Industrial Sonomechanics, LLC

Ett ultraljudshorn (även känt som akustiskt horn , sonotrode , akustisk vågledare , ultraljudssond ) är en avsmalnande metallstång som vanligtvis används för att öka svängningsförskjutningsamplituden som tillhandahålls av en ultraljudsgivare som arbetar i den nedre delen av ultraljudsfrekvensspektrumet (vanligtvis mellan 15 och 100 kHz). Enheten är nödvändig eftersom amplituderna som tillhandahålls av omvandlarna själva är otillräckliga för de flesta praktiska tillämpningar av kraftultraljud . En annan funktion hos ultraljudshornet är att effektivt överföra den akustiska energin från ultraljudsgivaren till det behandlade mediet, som kan vara fast (till exempel vid ultraljudssvetsning , ultraljudsskärning eller ultraljudslödning ) eller flytande (till exempel vid ultraljudshomogenisering , sonokemi , fräsning , emulgering , sprutning eller cellavbrott ). Ultraljudsbearbetning av vätskor bygger på intensiva skjuvkrafter och extrema lokala förhållanden (temperaturer upp till 5000 K och tryck upp till 1000 atm) som genereras av akustisk kavitation .

Beskrivning

Ultraljudshornet är vanligtvis en solid metallstav med ett runt tvärsnitt och ett längdtvärsnitt i variabel form - stavhornet . En annan grupp inkluderar blockhornet , som har ett stort rektangulärt tvärsnitt och ett längdtvärsnitt med variabel form, och mer komplexa sammansatta horn. Enheterna från denna grupp används med fasta behandlade media. Enhetens längd måste vara sådan att det finns mekanisk resonans vid önskad ultraljudsfrekvens – en eller flera halvvåglängder av ultraljud i hornmaterialet, med hänsyn till ljudhastighetsberoende på hornets tvärsnitt. I en gemensam sammansättning är ultraljudshornet stelt förbundet med ultraljudsgivaren med hjälp av en gängad tapp.

Ultraljudshorn kan klassificeras efter följande huvuddrag: 1) Longitudinell tvärsnittsform – stegvis, exponentiell, konisk, katenoidal, etc. 2) Tvärsnittsform – rund, rektangulär, etc. 3) Antal element med olika längsgående tvärsnittsprofil – gemensam och sammansatt. Ett sammansatt ultraljudshorn har en övergångssektion med en viss längsgående tvärsnittsform (icke-cylindrisk), placerad mellan cylindriska sektioner.

Longitudinella tvärsnitt av enkla ultraljudshorn med halv våglängd: 1 - konisk, 2 - exponentiell eller katenoidal, 3 - steg. I alla figurer : V(z) och e(z) - fördelningar av amplitud och deformation

Longitudinell tvärsektion av ett runt sammansatt konvergerande halvvågs ultraljudshorn, där L1,L3 – cylindriska sektioner, L2 – katenoidal övergångssektion

Longitudinell tvärsektion av ett runt helvågs skivstångshorn, där L1, L3, L5 – cylindriska sektioner, L2 – exponentiell övergångssektion, L4 – konisk övergångssektion

Ett horn i en ultraljudsborr från 1955. Hornet, den långa avsmalnande stålstången i mitten, kopplar ultraljudsgivaren i huset upptill till verktyget som trycker mot arbetsstycket på arbetsbordet i botten.

Ofta har ett ultraljudshorn en övergångssektion med en längsgående tvärsnittsprofil som konvergerar mot utgångsänden. Således ökar hornets longitudinella oscillationsamplitud mot utgångsänden, medan arean av dess tvärgående tvärsnitt minskar. Ultraljudshorn av denna typ används främst som delar av olika ultraljudsinstrument för ultraljudssvetsning , ultraljudslödning , skärning, tillverkning av kirurgiska verktyg, behandling av smält metall, etc. Konvergerande ultraljudshorn ingår också vanligtvis i laboratorievätskeprocessorer som används för en mängd olika processer studier, inklusive sonochemical , emulgering , dispergering och många andra.

I industriella ultraljudsvätskeprocessorer med hög effekt, såsom kommersiella sonokemiska reaktorer, ultraljudshomogenisatorer och ultraljudsmalningssystem avsedda för behandling av stora volymer vätskor med höga ultraljudsamplituder (ultraljudsblandning, produktion av nanoemulsioner, dispergering av fasta partiklar, ultraljuds nanokristallisation, etc. .), den föredragna typen av ultraljudshorn är skivstångshornet. Skivstångshorn kan förstärka ultraljudsamplituder samtidigt som de bibehåller stora utgående diametrar och strålningsområden. Det är därför möjligt att direkt reproducera laboratorieoptimeringsstudier i en kommersiell produktionsmiljö genom att byta från konvergerande till skivstångshorn samtidigt som höga ultraljudsamplituder bibehålls. Om de skalas upp på rätt sätt genererar processerna samma reproducerbara resultat på växtgolvet som de gör i laboratoriet.

Maximal uppnåbar ultraljudsamplitud beror i första hand på egenskaperna hos det material som ett ultraljudshorn är tillverkat av samt på formen på dess längsgående tvärsnitt. Vanligtvis är hornen gjorda av titanlegeringar , såsom Ti6Al4V, rostfritt stål , såsom 440C, och, ibland, aluminiumlegeringar eller pulveriserade metaller. De vanligaste och enklaste övergångssektionsformerna är koniska och katenoidala .

Ansökningar

Plast

Konsumentprodukter, fordonskomponenter, medicinsk utrustning och nästan alla industrier använder ultraljud. Metallinsatser kan fästas i plast och olika material kan ofta limmas med rätt verktygsdesign. Ultraljudshorn finns i en mängd olika former och utföranden, men alla måste vara inställda på en specifik driftsfrekvens; de vanligaste är 15 kHz, 20 kHz och 40 kHz.

Ultraljudssvetsning använder högfrekventa, vertikala rörelser för att producera värme och flödet av termoplastiskt material vid gränsytan mellan sammankopplade delar. Trycket upprätthålls efter att tillförseln av energi har stoppats för att möjliggöra åter stelning av sammanvävd plast vid fogen, vilket säkrar delarna med en homogen eller mekanisk bindning. Denna process erbjuder ett miljövänligt sätt för montering till skillnad från konventionella lim eller mekaniska fästelement.

Vidare läsning

TJ Mason; J. Phillip Lorimer (2002). Applied Sonochemistry: The Uses of Power Ultrasound in Chemistry and Processing . Wiley-VCH. ISBN 3-527-30205-0 .
Yatish T. Shah; AB Pandit; VS Moholkar (1999). Kavitationsreaktionsteknik . Springer. ISBN 0-306-46141-2 .