satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical University10.21122/2227-1031-2016-15-3-209-215sat-921Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGВЛИЯНИЕ ФОРМЫ КОЛЬЦЕВОГО КОНЦЕНТРАТОРА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СИСТЕМЫ НА КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ АМПЛИТУДЫ КОЛЕБАНИЙSHAPE EFFECT OF ANNULAR CONCENTRATOR IN ULTRASONIC SYSTEM ON AMPLIFICATION FACTOR OF VIBRATIONS AMPLITUDEСтепаненкоД. А.StepanenkoD. A.

Кандидат технических наук, доцент 

Адрес для переписки: Степаненко Дмитрий Александрович — Белорусский национальный технический университет ул. Я. Коласа, 22, 220013, г. Минск, Республика Беларусь Тел.: +375 17 292-40-81 kipp@bntu.by

Associate Professor, PhD in Engineering 

Address for correspondence: Stepanenko Dmitr А. — Belаrusian National Technical University 22 Ya. Kolasa str., 220013, Minsk, Republic of Belarus Tel.: +375 17 292-40-81 kipp@bntu.by

kipp@bntu.byЛуговойИ. В.LugovoyI. V.

Аспирант

Graduate student

kipp@bntu.byЛуговойВ. П.LugovoyV. P.

Кандидат технических наук, доцент

Associate Professor, PhD in Engineering

kipp@bntu.byБелорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus201625052016153209215Copyright © Степаненко Д.А., Луговой И.В., Луговой В.П., 20162016Степаненко Д.А., Луговой И.В., Луговой В.П.Stepanenko D.A., Lugovoy I.V., Lugovoy V.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sat.bntu.by/jour/article/view/921

В статье дано теоретическое обоснование создания концентраторов ультразвуковых колебаний на основе кольцевых упругих элементов с некруглым (эллипсообразным) эксцентричным профилем внутреннего контура. Форма внутреннего контура в полярных координатах описывается рядом Фурье по угловой координате, состоящим из постоянного члена и первой и второй гармоник. С помощью метода конечных элементов исследовано влияние геометрических параметров концентратора на коэффициент усиления и собственные частоты колебаний. Показана возможность управления коэффициентом усиления кольцевых концентраторов путем изменения эксцентриситета внутреннего контура и среднего значения толщины поперечного сечения. Коэффициент усиления удовлетворяет условию K < N, где N – отношение толщин входного и выходного сечений концентратора, и снижается с увеличением порядка моды колебаний. Аналогичное условие выполняется для стержневого конического концентратора, с той разницей, что в случае стержневых концентраторов усиление обеспечивается за счет изменения диаметра, а N представляет собой отношение диаметров. Показано, что изменение формы внутреннего контура позволяет регулировать собственные частоты колебаний концентратора в широком диапазоне без изменения габаритных размеров и существенного изменения коэффициента усиления, что важно для частотного согласования концентратора с ультразвуковой колебательной системой. Преимуществами предложенных концентраторов являются простота конструкции и изготовления, малые габаритные размеры, возможность регулировки собственной частоты колебаний путем изменения статической нагрузки. Разработанные концентраторы могут найти применение в ультразвуковых установках и приборах технологического и медицинского назначения.

The paper contains a theoretical underpinning on creation of ultrasonic vibration concentrators based on annular elastic elements with non-circular (ellipse-like) eccentric shape of internal contour. Shape of internal contour in polar coordinates is described by Fourier series relative to angular coordinate that consists of a constant term and first and second harmonics. An effect of geometric parameters of the concentrator on amplification factor and natural vibration frequencies has been investigated with the help of a finite element method. The paper reveals the possibility to control an amplification factor of annular concentrators while varying eccentricity of internal contour and mean value of cross-section thickness. The amplification factor satisfies a condition K < N, where N is thickness ratio of amplifier input and output sections, and it is decreasing with increase of vibration mode order. The similar condition has been satisfied for conical bar concentrator with the difference that in the case of bar concentrators an amplification is ensured due to variation of diameter and N will represent ratio of diameters. It has been proved that modification of internal contour shape makes it possible to carry out a wide-band tuning of natural frequencies of concentrator vibrations without alteration of its overall dimensions and substantial change of amplification factor, which is important for frequency matching of the concentrator and ultrasonic vibratory system. Advantages of the proposed concentrators include simplicity of design and manufacturing, small overall dimensions, possibility for natural frequency tuning by means of static load variation. The developed concentrators can find their application in ultrasonic devices and instruments for technological and medical purposes.

ультразвуковой концентраторметод конечных элементовизгибные колебаниякоэффициент колебаниясобственные частотыultrasonic concentratorfinite element methodflexural vibrationsamplification factornatural frequenciesReferencesАндреева, Л. Е. Упругие элементы приборов / Л. Е. Андреева. М.: Машиностроение, 1981. 392 с.Andreeva L. E. (1981) Elastic elements of devices.?oscow, Mashinostroenie. 392 (in Russian).Попов, Э. А. Упругие накопители энергии в текстильных машинах / Э. А. Попов, Ф. Б. Караев, Л. М. Квартин. М.: МТИ, 1984. 25 с.Popov E. A., Karaev F. B., Kvartin L. M. (1984) Eleastic energy storage in textile machinery. Moscow: Moscow Technological Institute. 25 (in Russian).Излучатель изгибных колебаний: а. с. 657868 СССР, МКИ В 06 В1/00 / Ю. С. Андреев, В. Н. Бокановский; дата публ. 25.04.1979.Andreev Yu. S., Bokanovsky V. N. (1979) Emitter of bending vibrations. Author’s certificate USSR no 657868. (in Russian).Ультразвуковой инструмент: а. с. 382439 СССР, МКИ В 06 В3/00 / А. А. Горбунов [и др.]; дата публ. 23.05.1973.Gorbunov A. A., Saltanov V. M., Moiseev V. G. , Savenkov N. V., Kalinin E. P. (1973) Ultrasound tool. Author’s certificate USSR no 382439. (in Russian).Устройство для ультразвукового полирования: а. с. 854685 СССР, МКИ В 24 В1/04 / В. Ф Зимовец [и др.]; дата публ. 15.08.1981.Zimovets V. F., Gerasimchuk P. M., Struchkov S. N. (1981) Device for ultrasound polishing. Author’s certificate USSR no 854685. (in Russian).Ультразвуковая колебательная система с промежуточным резонатором: пат. 2106205 Рос. Федерации, МКИ В 06 В3/00 / В. Н. Аленичев, Л. О. Макаров, А. А. Рухман; дата публ. 10.03.1998.Alenichev V. N., Makarov L. O., Rukhman A. A. (1998) Ultrasound vibration system with intermediate resonator. Patent Russian Federation no 2106205. (in Russian).Луговой, И. В. Применение упругих концентраторов-волноводов при ультразвуковой обработке отверстий / И. В. Луговой, В. Т. Минченя // Влияние внешних энергетических воздействий на структуру, фазовый состав и свойства материалов : материалы междунар. конф. «Электрон-фононные и спиновые взаимодействия, инициированные быстрыми заряженными частицами, электромагнитными полями, электрическими токами и СВЧ-излучением в макроскопических проявлениях на обычных и наноматериалах». Новокузнецк : Изд-во Сиб. гос. индустр. ун-та, 2012 . С. 150-153 .Lugovoy I. V., Minchenya V. T. (2012) Application of elastic wave-guide concentrators during ultrasonic treatment of openings. The influence of external energy effects on the structure, phase composition and properties of materials: Materials Intern. Conf. "The electron-phonon interaction and spin initiated by fast charged particles, electromagnetic fields, electrical currents and microwave radiation in the macroscopic manifestations in the ordinary and nanomaterials". Novokuznetsk, Publishing House of the Siberian State Industrial University, 150–153. (in Russian).Луговой, И. В. Упругие характеристики кольцевых концентраторов ультразвуковых систем / И. В. Луговой, В. П. Луговой // Наука и техника. 2014. № 3. С. 24–27.Lugovoy I. V., Lugovoy V. P. (2014) Elastic characteristics of ring concentrators in ultrasound systems. Nauka i tekhnika [Science and Technique], (3), 24–27 (in Russian).Разработка и исследование нового типа концентраторов ультразвуковых колебаний на основе кольцевых упругих элементов / Д. А. Степаненко [и др.] // Материалы. Технологии. Инструменты. 2013. Т. 18, № 2. С. 90–94.Stepanenko D. A., Minchenia V. T., Lugovoi V. P., Lugovoi I. V. (2013) Development and investigation of ultrasound vibration concentrators of new type on the basis of ring elastic elements. Materialy. Tekhnologii. Instrumenty [Materials. Technologies. Tools.], 18 (2), 90–94 (in Russian).Ультразвуковой инструмент для обработки или измерения детали: пат. 19219 Респ. Беларусь: МПК В 06В 1/00 / И. В. Луговой, В. Т. Минченя, В. П. Луговой; дата публ. 30.06.2015.Lugovoy I. V., Minchenya V. T., Lugovoy V. P. (2015) Ultrasound tool for treatment and measurement of workpiece. Patent Republic of Belarus no 19219. (in Russian)Бржозовский, Б. М. Гармонический анализ в исследовании процессов формообразования и измерения прецизионных деталей / Б. М. Бржозовский // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2004. № 1 (2). С. 46–53.Brzhozovsky B. M. (2004) Harmonic analysis while executing investigations on shaping processes and measurement of precision parts. Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of Saratov State Technical University], 1 (1), 46–53 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.