طراحی ترانسدیوسر شستشوی آلتراسونیک 20 کیلوهرتز

فرکانس: 20 کیلوهرتز

طول کلی : 85 میلی متر

بیشترین قطر: 59 میلی متر

کمترین قطر: 38 میلی متر

معرفی پدیده کاویتاسیون

به طور ساده، به فرایند شکل گیری و فروپاشی حباب های بسیار ریز در یک نقطه یا ناحیه از سیال کاویتاسیون گفته می شود. این حباب ها در اثر تغییر فشار یا دما در سیالات بوجود می آیند. عاملی که باعث تغییر دما یا فشار می شود، می تواند تغییر ناگهانی سرعت سیال، پرتو لیزر و یا اعمال نیروی متمرکز توسط امواج آلتراسونیک باشد. ایجاد کاویتاسیون در پمپ ها می تواند باعث خوردگی پره های پمپ شود و به این دلیل پدیده مضری شناخته می شود. ولی از این پدیده می توان بهره برداری مثبت نیز نمود. در اکثر کاربردهای آلتراسونیک مانند شستشوی قطعات در حمام آلتراسونیک، جرم گیری لوله های صنعتی و یا عصاره گیری از گیاهان، مبنای کار ایجاد کاویتاسیون در سیال بوسیله امواج آلتراسونیک می باشد. 

همانطور که در شکل مشاهده می شود، امواج پرقدرت آلتراسونیک در سیال حباب هایی به صورت جوانه ایجاد می کنند و این جوانه ها با قرار گرفتن در نوسان موج و یا به اصطلاح نواحی پرفشار و کم فشار موج، به تدریج رشد می کنند تا به یک اندازه بحرانی برسند و پس از آن منفجر می شوند و در نقطه انفجار دما و فشار بسیار بالایی تولید می کنند. زمانی که تعداد حباب ها زیاد باشد ، این دما و فشار بسیار بالا می تواند نیروی بسیار زیادی به هر ماده ای که در مجاورت محل انفجار است وارد کند.

وقتی که در سیال امکان ایجاد حباب و انفجار آن وجود دارد و یا به بیان دیگر در سیال امکان ایجاد کاویتاسیون وجود دارد اصطلاحاً گفته می شود که سیال در آستانه کاویتاسیون قرار دارد. نواحی پرفشار و کم فشاری که امواج آلتراسونیک در سیال ایجاد می کنند، فشار آکوستیک نام دارد. رابطه مستقیمی بین اندازه فشار آکوستیک و آستانه کاویتاسیون وجود دارد. در شبیه سازی بسیاری از کاربردها که نیاز است عملکرد ابزار آلتراسونیک در ایجاد کاویتاسیون در سیال مورد ارزیابی قرار گیرد، توانایی ابزار برای ایجاد فشار آکوستیک مورد ارزیابی قرار می گیرد. در نرم افزار کامسول این قابلیت وجود دارد که فشار آکوستیک تولید شده در سیال توسط ابزار آلتراسونیک شبیه سازی و تحلیل شود. 

تشریح عملکرد هورن آلتراسونیک

همانطور که قبلاً اشاره شد، هورن قسمتی از یک تجهیز آلتراسونیک است که روی ترانسدیوسر مونتاژ می شود و وظیفه انتقال ارتعاش از ترانسدیوسر به منطقه انجام عملیات جوشکاری، دوخت، همگن سازی و ..... را بر عهده دارد و می تواند ضمن انتقال ارتعاش دامنه نوسان موج را نیز تقویت نماید. همچنین می توان بین ترانسدیوسر و هورنی که مسئول انجام عملیات است یک قطعه با هندسه هورن استفاده کرد که یک مرحله دامنه ارتعاش تقویت شود و بعد دامنه ارتعاش مجدداً توسط هورن تقویت شود که به این قطعه واسط اصطلاحاً بوستر گفته می شود. 

هورن می تواند اشکال مختلفی داشته باشد که هر هندسه انتخابی می تواند به شکل متفاوتی دامنه موج را تقویت نماید.

طراحی هورن فرایند ساده ای نیست. زیرا هورن باید طوری طراحی شود که زمانیکه روی ترانسدیسور مونتاژ می شود، فرکانس رزونانس کل مجموعه با فرکانس رزونانس ترانسدیوسر به تنهایی یکی باشد و از طرفی تنظیم دامنه مورد نیاز با توجه به کاربرد مد نظر ، در انتهای هورن نیز نکات خاص خود را دارد .

در ویدئوی زیر نحوه تقویت دامنه نوسان توسط هورن نمایش داده شده است.

مشخصات ترانسدیوسر و هورن:

طول ترانسدیوسر: 78.5 میلی متر

قطر: 38 میلی متر

جنس پیزوالکتریک: PZT8

جنس جرم جلویی و هورن: آلومینیوم آلیاژی

جنس جرم پشتی: فولاد آلیاژی

فرکانس کاری: 25 کیلوهرتز

طول هورن : 97 میلی متر

نوع هورن : پله ای متقارن

قطر ابتدا: 38 میلی متر

قطر انتها : 20 میلی متر

آنالیز مودال ترانسدیوسر آلتراسونیک 25 کیلوهرتز

مشخصات ترانسدیوسر:

طول کلی : 78.5 میلی متر

قطر: 38 میلی متر

جنس پیزوالکتریک: PZT8

جنس جرم جلویی: آلومینیوم آلیاژی

جنس جرم پشتی: فولاد آلیاژی

فرکانس کاری: 25 کیلوهرتز

آنالیز مودال ترانسدیوسر آلتراسونیک در نرم افزار آباکوس

در پست با عنوان مراحل طراحی و ساخت  ترانسدیوسر آلتراسونیک اشاره شد که پس از طراحی یک ترانسدیوسر و قبل از ورود به مرحله ساخت، باید ترانسدیوسر در یک نرم افزار المان محدود آنالیز مودال و آنالیز هارمونیک شود. در این قسمت نتایج آنالیز مودال یک ترانسدیوسر در نرم افزار آباکوس نشان داده شده است. یک ترانسدیوسر می تواند فرکانس های رزونانس مختلفی داشته باشد و در هر یک از این فرکانس ها با mode shape و یا به صورت ساده با شکل های مختلفی نوسان نماید. هدف از طراحی یک ترانسدیوسر این است که فرکانس طراحی یا کاری مد نظر که بعد از ساخت ترانسدیوسر  قرار است توسط ژنراتور به ترانسدیوسر اعمال شود یکی از فرکانس های رزونانس ترانسدیوسر باشد و ترانسدیوسر در این فرکانس در مد ارتعاشی طولی نوسان نماید. یعنی نحوه نوسان و تغییر شکل ترانسدیوسر در این فرکانس به صورت طولی باشد. در ویدیوی زیر نتایج آنالیز مودال یک ترانسدیوسر با جرم جلویی (front mass) از جنس آلیاژ تیتانیوم و جرم عقبی (back mass) از جنس فولاد و پیزوالکتریک از جنس P8 که برای فرکانس کاری 20 کیلوهرتز طراحی شده نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می شود ترانسدیوسر در فرکانس نزدیک به 20 کیلوهرتز دارای مد ارتعاشی طولی است که نشاندهنده درستی طراحی ترانسدیوسراز نظر ابعاد و مشخصات قسمت های مختلف آن است.

خاصیت پیزوالکتریسیته

اصلی ترین قسمت ترانسدیوسر یا مبدل آلتراسونیک، قطعه ای است که می تواند یک نیروی الکتریکی فرکانس بالا را به ارتعاش مکانیکی فرکانس بالا تبدیل کند. مواد دارای خاصیت پیزوالکتریسته این قابلیت را دارند که نیروی الکتریکی را به نیروی مکانیکی تبدیل کنند و امروزه نقش اساسی در ساخت ابزارهای آلتراسونیک دارند. اثر پیزوالکتریسیته در دهه 1880 میلادی توسط برادران کوری کشف شد. آنها کشف کردند که زمانیکه یک نیروی مکانیکی به بعضی از مواد مانند کریستال های کوارتز وارد می شود، این مواد از خود نیروی الکتریکی تولید می کنند.

 

به این پدیده واکنش مستقیم مواد پیزوالکتریسته می گویند. از طرفی این مواد واکنش معکوس نیز دارند. یعنی زمانیکه به این مواد نیروی الکتریکی وارد می شود، این مواد دچار تغییر شکل می شوند و می‌توانند نیروی مکانیکی ایجاد کنند.

اثر پیزوالکتریک در کریستال های طبیعی کوارتز مشاهده شده بودند ولی در دهه 1940 میلادی کشف شد که این اثر در سرامیک های قطبی شده باریوم تیتانات نیز می تواند ایجاد شود. به این صورت که با عبور دادن جریان مستقیم قوی از این کریستال ها و قطبی کردن آنها، این مواد تبدیل به مواد پیزوالکتریک می شوند و با توسعه این مواد، امروزه سرامیک های PZT ( سرب- زیرکونات-تیتانات) نقش اساسی را در توسعه تکنولوژی آلتراسونیک دارند.

برای تعریف دقیق خواص مواد پیزوالکتریک نیاز به کوپل کردن خواص مکانیکی با خواص الکتریکی این مواد می باشد. از طرفی این مواد ایزوتروپیک نیستند.  لذا برای مشخص کردن خواص یک ماده پیزو الکتریک در حالت کلی باید 45 پارامتر یا ضریب مشخص باشند که عبارتند از 21 ضریب الاستیک، 6 ضریب دی الکتریک و 18 ضریب پیزوالکتریک. مواد پیزو الکتریکی که در ساخت ابزارهای آلتراسونیک مورد استفاده قرار می گیرند عموماً دارای تقارن هندسی هستند. این تقارن هندسی تعداد ضرایب مورد نیاز برای تعریف خواص این مواد را به 15 ضریب کاهش می دهد که عبارتند از 10 ضریب الاستیک، 2 ضریب دی الکتریک و 3 ضریب پیزوالکتریک.

برای شبیه سازی عملکرد یک ترانسدیوسر آلتراسونیک در یک نرم افزار المان محدود مثل آباکوس، نیاز به تعریف خواص ماده پیزوالکتریک مورد استفاده در ساخت ترانسدیوسر برای نرم افزار می باشد. خواص کلی مواد پیزوالکتریک در کاتالوگ این مواد توسط شرکت های سازنده وجود دارد ولی تبدیل این اعداد به ماتریس های مورد نیاز نرم افزار آباکوس روابط خاص خود را دارد که این موضوع باید در شبیه سازی مد نظر قرار گیرد. 

مراحل طراحی و ساخت ترانسدیوسر آلتراسونیک

طراحی یک ترانسدیوسر آلتراسونیک مراحل مختلفی دارد که به اختصار عبارتند از:

1- تعیین فرکانس طراحی

با توجه به کاربرد و عملیاتی که ترانسدیوسر قرار است مورد استفاده قرار گیرد باید فرکانس کاری ترانسدیوسر و یا به عبارتی فرکانس طراحی ترانسدیوسر تعیین شود. معمولاً در فرایندهایی که از امواج آلتراسونیک برای ایجاد تأثیر فیزیکی یا شیمیایی بر محیط استفاده می شود این فرکانس می تواند بین 20 تا 100 کیلوهرتز باشد و در سایر کاربردها این فرکانس بیش از 100 کیلوهرتز است.

2- انتخاب جنس و ابعاد پیزوالکتریک

 متناسب با فرکانس طراحی و متناسب با توان کاری مورد نیاز انجام می شود و همچنین انتخاب الکترودهای مسی با ابعاد هندسی مناسب نیز در این مرحله انجام می شود.

3- انتخاب جنس مناسب برای قطعات جلویی و عقبی ترانسدیوسر

 این جنس باید به گونه ای انتخاب شود که امپدانس مکانیکی قطعات فلزی جلویی و عقبی ترانسدیوسر با امپدانس مکانیکی پیزوالکتریک انتخاب شده همخوانی داشته باشد.

4- محاسبه ابعاد هندسی قطعات فلزی جلویی و عقبی ترانسدیوسر

جنس های انتخاب شده در مراحل قبل برای قطعات فلزی جلویی و عقبی و پیزوالکتریک و همچنین فرکانس طراحی انتخاب شده، در محاسبه ابعاد هندسی نقش اساسی دارند.

5- انتخاب  بولت مناسب برای مونتاژ اجزای مختلف ترانسدیوسر با یکدیگر

6- محاسبه تورک مورد نیاز برای سفت کردن بولت

این تورک تأثیر بسیار زیادی بر عملکرد ترانسدیوسر دارد.

تا این مرحله یک ترانسدیوسر آلتراسونیک با استفاده از روابط تئوری طراحی می گردد. 

قبل از ورود به مرحله ساخت  بهتر است که ترانسدیوسر طراحی شده در یکی از نرم افزارهای المان محدود مورد تحلیل قرار گیرد و عملکرد آن با انجام آنالیز مودال و آنالیز هارمونیک  مورد بررسی قرار گیرد. اینکار ضمن ایجاد اطمینان از طراحی انجام شده موجب جلوگیری از اتلاف هزینه در ساخت ترانسدیوسر با ابعاد و مشخصات نامناسب می شود. ضمن اینکه در طراحی ترانسدیوسر های خاص که استفاده از روابط تئوری موجود محدودیت پیدا می کند، انجام این مرحله اجتناب ناپذیر می باشد.

پس از طی کردن مراحل قبل و رسیدن به اطمینان خاطر می توان نسبت به ساخت ترانسدیوسر اقدام نمود و عملکرد ترانسدیوسر را در عمل مورد ارزیابی قرارداد.

پس از ساخت ترانسدیوسر توسط امپدانس آنالایزر فرکانس رزونانس ترانسدیوسر اندازه گیری می شود و در صورت نیاز اصلاحات لازم بر روی ترانسدیوسر انجام می شود.

هورن آلتراسونیک چیست؟

هورن آلتراسونیک یا سونوترود آلتراسونیک یکی از المان‌های اصلی سیستم‌های آلتراسونیک است که وظیفه انتقال و هدایت ارتعاشات آلتراسونیک را از انتهای بوستر (یا ترنسدیوسر) به محل اجرای فرآیند (جوشکاری، برشکاری، پینینگ، ماشینکاری، دوخت، همگن‌سازی و…) بر عهده دارد. در حین انتقال ارتعاشات، هورن یا همان سونوترود می‌تواند دامنه ارتعاشات آلتراسونیک را نیز تقویت نماید.هورن یا سونوترود آلتراسونیک قطعه ای است که وظیفه هدایت انرژی صوتی (آکوستیکی) به قطعه را به عهده دارد.ارتعاشات جلوی سونوترود به محیط گاز، مایع یا جامد منتقل می‌شود و در هر محیط اثر مخصوص به خود را دارد. 

براساس معیارهای مختلف مانند کاربرد، قیمت تمام شده و ... از جنس‌های متنوعی برای ساخت هورن آلتراسونیک استفاده می‌شود. برای کاربردهای معمولی از آلیاژ آلومینیوم و برای کاربردهای با فشار و سایش زیاد از آلیاژهای تیتانیوم استفاده می‌شود. در برخی از کاربردها که نیاز به استحکام زیاد وجود دارد اما قیمت پایین است از جنس انواع فولاد آلیاژی استفاده می‌شود. سونوترود آلتراسونیک باید از مقاومت خوبی دربرابر سایش برخوردار باشند همچنین باید دارای مقاومت خستگی بالا به دلیل وجود ارتعاشات در سیستم و خواص آکوستیک مناسب باشد.طراحی یک هورن اولتراسونیک فرآیند ساده‌ای نیست، انتخاب درست جنس، بالانس بودن هورن، طراحی برای دامنه مورد نظر و تنظیم آن بر روی یک فرکانس خاص از مواردی است که باید هنگام طراحی در نظر گرفته شود. طراحی نادرست سونوترود آلتراسونیک می‌تواند باعث آسیب به ژنراتور و ترنسدیوسر آلتراسونیک شود.

ترانسدیوسر یا مبدل آلتراسونیک چیست؟

 تارهای صوتی انسان و یا بلندگو یا اسپیکرها و ابزارهایی از این دست توانایی تولید امواج صوتی در محدوده شنوایی انسان را دارند. برای تولید امواج صوتی در محدوده آلتراسونیک نیز نیاز به ابزار مخصوص این کار وجود دارد. درگذشته ابزارهای مختلفی برای تولید امواج آلتراسونیک استفاده شده اند مانند سوت، آژیر و ژنراتورهای الکترودینامیک که اکثر آنها به تاریخ پیوسته اند. امروزه برای تولید امواج آلتراسونیک از ترانسدیوسر یا مبدل استفاده می شود که این مبدل ها توانایی این را دارند که انرژی الکتریکی را به امواج آلتراسونیک تبدیل کنند. ترانسدیوسر های مغناطیسی تا قبل از توسعه سرامیک های پیزوالکتریک نقش اساسی در این حوزه داشتند و امروزه نیز در بعضی از کاربردها مانند تمیزکاری هنوز مورد استفاده قرارمی گیرند. با معرفی سرامیک های باریوم تیتانات (barium titanate ceramics) در اواخر دهه 40 میلادی و متعاقب آن سرامیک های سرب زیرکونات تیتانات  (lead zirconate titanates) و کاربرد وسیع آنها، حوزه عمل آلتراسونیک به شدت به سمت استفاده از ترانسدیوسرهای پیزوالکتریک سوق پیداکرد. 

داستان کشف اثر پیزوالکتریک در کوارتز و سایر مواد توسط برادران کوری در سال 1880 و استفاده از این اثر توسط لانگوین و چیلووسکی در سال 1918 برای تولید پرتو موج صوتی در زیر آب با استفاده از ترانسدیوسرهای ساندویچی مشهور می باشد. استفاده از ژنراتورهای کوارتزی بوسیله وود و لومی در 1927 و دستاوردهای حیرت آورآنها در تحقیق در مورد امواج مافوق صوت نیز معروف می باشد. با وجود این آزمایشات پایه ای که منجر به گسترش سایر کاربردهای آلتراسونیک شد، استفاده از سیستم های بر پایه کوارتز در آن سال ها همواره با دو محدودیت شکنندگی و سایز سرامیک ها مواجه بود.

درپی ساخت اولین سری سرامیک های تیتانات باریوم در سال 1947 و بخصوص پس از معرفی سرامیک های سرب زیرکونات تیتانیوم در دهه 50 ، سرامیک های پیزوالکتریک در بسیاری از کاربردهای آلتراسونیک مورد استفاده قرارگرفتند . اگر چه در حال حاضر سرامیکهای جدید پیزو اکتیو در حال توسعه  هستند  و همچنین از متریال بدون سرب در ساخت سرامیک ها استفاده می شود ولی کلیه ترانسدیوسر های آلتراسونیک در کاربردهای مختلف از یکی از فرم های پیزوالکتریک های تیتانیوم زیرکونات استفاده می کنند.

در شکل زیر یک ترانسدیوسر پیزو الکتریک نشان داده شده است. به این نوع ترانسدیوسر، ترانسدیوسر لانگوین یا ساندویچی نیز گفته می شود.

ترانسدیوسر قلب و قطعه اصلی هر تجهیز آلتراسونیک است. هر ترانسدیوسر پیزوالکتریک از اجزای مختلفی تشکیل شده است که در شکل زیر نشان داده شده است.

همانطور که مشاهده می شود انرژی الکتریکی توسط الکترود های مسی با فرکانس مورد نظر به پیزوالکتریک ها وارد می شود و این پیزوالکتریک ها با داشتن خاصیت پیزوالکتریسته این امواج الکتریکی را تبدیل به نوسان های مکانیکی در همان فرکانس اعمال شده می کنند و این نوسان های مکانیکی با کمک قطعات فلزی جلو و عقب ترانسدیوسر تبدیل به یک موج آلتراسونیک می شود. اینکه برای هر کاربرد خاص چه فرکانسی مورد نیاز است و جنس و ابعاد اجزای مختلف ترانسدیوسر چگونه انتخاب شوند که ترانسدیوسر در فرکانس مورد نیاز به درستی عمل کند چالش اصلی طراحی یک ترانسدیوسر می باشد.

مفهوم کلمه آلتراسونیک یا فراصوت

 صوت یا صدا پدیده ای است که همه با آن آشنا هستند. صوت به صورت موج در محیط منتشر می شود و امواج صوتی بر خلاف نور برای انتشار حتماً نیاز به یک محیط مادی دارند که این محیط می تواند جامد، مایع و یا گاز باشد. یک موج صوتی در شکل زیر نشان داده شده است.

همانطور که مشاهده می شود صوت به صورت موج در محیط منتشر می شود و به فاصله دو نقطه مشابه بر روی این موج، طول موج می گویند. با توجه به ماهیت نوسانی موج، به تعداد نوسان یک موج در یک ثانیه فرکانس موج گفته می شود و این مشخصه موج با واحد هرتز شناخته می شود. گوش انسان از نظر  مشخصات مکانیکی و عصبی قادر به شنیدن فرکانس های صوتی در محدوده 20 هرتز تا 15 کیلوهرتز است و در بعضی افراد این بازه می تواند تا 20 کیلوهرتز هم برسد. به این محدوده فرکانسی، محدوده شنوایی انسان گفته می شود و اگر صوتی با فرکانس بالای 20 کیلوهرتز داشته باشیم به آن فراصوت یا آلتراسونیک(Ultrasonic) گفته می شود و به امواج صوتی با فرکانس زیر 20 هرتز فرو صوت (infrasonic) گفته می شود. با توجه به خواص فیزیکی هر محیط مانند چگالی و ... ، سرعت صوت در هر محیطی متفاوت می باشد. پس سرعت صوت یک مقدار ثابت نیست و در محیط های مختلف متفاوت می باشد. شایان ذکر است که مفاهیمی مانند سوپر سونیک و یا ساب سونیک به سرعت صوت ارتباط دارند و ارتباطی با فرکانس صوت ندارند.

با پیشرفت علم و پیشرفت روش های تولید و کنترل امواج آلتراسونیک، از این امواج برای کاربردهای مختلفی استفاده شده است و دانشمندان متوجه شده اند که این امواج می توانند بسیار کاربردی باشند. به عنوان مثال از این امواج در پزشکی برای تصویر برداری صوتی یا سونوگرافی  استفاده می شود و یا در صنعت برای انجام تست های غیر مخرب جوش که به اختصار UT گفته می شود استفاده می شوند. دامنه کاربرد این امواج بسیار وسیع می باشد و در شکل زیر بخشی از کاربردهای این امواج نشان داده شده است.

کاربردهای مختلف این امواج در دو دسته کلی قرار می گیرند. دسته اول اصطلاحاً فرکانس بالا و کم توان گفته می شود که فرکانس کاری این کاربردها بالای 100 کیلوهرتز و شدت توان مورد نیاز در این کاربردها  0.1 تا 1 وات بر سانتی متر مربع است. در این دسته از کاربردها مانند سونوگرافی قرار نیست که امواج آلتراسونیک بر محیطی که در آن منتشر می شوند تأثیری بگذارند و تنها از خواصی که انتشار این امواج در آن محیط از خود نشان می دهد استفاده می شود. به دسته دیگر این کاربردها اصطلاحاً فرکانس پایین و پرتوان گفته می شود که فرکانس کاری این دسته از کاربردها در محدوده 20 تا 100 کیلوهرتز و شدت توان در این کاربردها بالای 10 وات بر سانتی متر مربع است. در این دسته از کاربردها هدف از انتشار این امواج در محیط، ایجاد تغییر در محیط و تأثیر گذاری بر محیط است مانند تمیزکاری آلتراسونیک و یا جوشکاری آلتراسونیک. در شکل زیر بازه فرکانسی کاربردهای مختلف امواج آلتراسونیک نشان داده شده است.