Ультразвуковое устройство для очистки водоемов
Ультразвуковое устройство для очистки водоемов может быть использовано для очистки бассейнов и других замкнутых водоемов от микробиологических загрязнений (в т.ч. водорослей) с помощью ультразвука. Оно содержит генератор электрического сигнала, частота которого меняется блоком управления за счет изменения управляющего напряжения. Сигнал генератора поступает на ультразвуковой излучатель, который выполнен в виде пьезоэлектрического преобразователя, снабженного согласующей и отражающей накладками, причем внешняя сторона отражающей накладки имеет осесимметричную ступенчатую форму, а толщина увеличивается к краям. Устройство имеет столько резонансных частот, сколько колец сформировано на отражающей накладке.
Полезная модель относится к устройствам для очистки водоемов, например бассейнов, от микробиологических загрязнений (в т.ч. водорослей) с помощью ультразвука.
Проведенные исследования позволили установить, что стерилизующее действие ультразвука проявляется на частотах 20 кГц и выше, при интенсивности более 0,5 Вт/см2, что в несколько раз меньше интенсивности ультразвуковых колебаний вблизи рабочего инструмента ультразвуковой колебательной системы любого маломощного ультразвукового аппарата. Механизм стерилизующего действия ультразвука весьма сложен, но доказано, что основным стерилизующим фактором является кавитация.
Известно, что при распространении в жидкости ультразвуковых колебаний возникает явление кавитации - возникновение в жидкости пузырьков с парогазовой смесью. Разрыв пузырьков сопровождается разрушением близлежащих клеток водорослей.
Известен способ очистки воды от водорослей и взвешенных веществ (патент RU 
2381181, МПК C02F 1/36, C02F 1/74, «Способ очистки воды от водорослей и взвешенных веществ»). Очистка воды проводится путем обработки ее акустическими волнами звукового и ультразвукового диапазона частот. Обработки воды проводится в несколько этапов в разных резервуарах с использованием системы из набора гидроакустических преобразователей. Недостатком способа является необходимость использования для очистки воды нескольких резервуаров и системы преобразователей, что делает устройство для очистки громоздким и требует дополнительных затрат.
Известно устройство для ультразвуковой обработки жидкости (RU, патент 2132820), которое содержит корпус, излучатель ультразвука, расположенный в нижней части корпуса, трубы подвода загрязненной жидкости и трубы отвода обработанной в озвучиваемом пространстве жидкости. Труба подвода жидкости расположена в центре днища корпуса, а излучатель, выполненный в виде диска, расположен параллельно днищу с зазором в 1-10 мм. Благодаря тому, что в кольцевом зазоре непрерывно находится некоторое количество загрязненной жидкости, ее частицы различной физической природы подвергаются воздействию направленного потока ультразвука, под действием которого происходит ее диспергирование. При этом подавляется жизнедеятельность некоторых микроорганизмов.
Недостатком рассмотренного выше устройства является недостаточно полное подавление жизнедеятельности некоторых видов микроорганизмов. Это объясняется тем, что, как показывают эксперименты, на подавление жизнедеятельности разных микроорганизмов, разные частоты ультразвуковых колебаний действуют по-разному. Т.е. чем уже спектр колебаний, тем меньше количество видов загрязнений, на который он воздействует. В рассмотренном устройстве ультразвуковой излучатель эффективно работает на своей одной резонансной частоте.
Наиболее близким решением по совокупности существенных признаков к предлагаемому является устройство для очистки воды от химических и микробиологических загрязнений с помощью ультразвука (патент 2464233, МПК C02F 1/36, «Ультразвуковая установка для очистки и обеззараживания воды»). Установка содержит автогенератор сигнала ультразвуковой частоты, вырабатывающий на выходе частоты в диапазоне 25-55 кГц, усилитель и пьезоэлектрический преобразователь. Диапазон рабочих частот выбран экспериментально на основе исследований процесса дезинфекции с применением ультразвука.
Недостатком известного устройства является то, что, несмотря на возможность генерации автогенератором сигнала в широком диапазоне частот, излучение ультразвуковых колебаний будет происходить лишь в узком диапазоне - на собственной частоте пьезоэлектрического преобразователя, а на прочих частотах излучения практически не будет. Следствием этого является узкий диапазон видов микроорганизмов, жизнедеятельность которых будет подавляться.
Технической задачей, решаемой полезной моделью, является создание ультразвукового устройства для очистки воды от водорослей, работающего в широком диапазоне частот.
Заявляемое устройство, как и известный аналог, содержит генератор сигнала переменной частоты, на выходе которого включен усилитель, и пьезоэлектрический преобразователь. Но, в отличие от известного, в предлагаемое устройство введен блок управления, соединенный с генератором, в качестве генератора использован генератор с автоматической перестройкой частоты, а ультразвуковой излучатель выполнен в виде пьезоэлектрического преобразователя, снабженного согласующей и отражающей накладками, причем внешняя сторона отражающей накладки имеет осесимметричную ступенчатую форму, а толщина увеличивается к краям.
Достигаемым техническим результатом является расширение диапазона частот ультразвукового излучения и, как следствие, расширение видов микроорганизмов, жизнедеятельность которых будет подавляться.
Полезная модель иллюстрируется фиг.1, на которой приведена схема предлагаемого ультразвукового устройства для очистки водоемов. Оно содержит блок управления 1, подключенный к генератору с автоматической перестройкой частоты 2, соединенному с пьезоэлектрический преобразователем. Пьезоэлектрический преобразователь содержит две круглые пьезоэлектрические пластины 3, поверхности которых находятся в акустическом контакте друг с другом, электроды 4, излучающую накладку 5 и тыльную, отражающую накладку 6, имеющую специальную форму - одна поверхность тыльной осесимметричной накладки плоская и находится в акустическом контакте с пьезоэлектрической пластиной, а вторая, внешняя поверхность, имеет ступенчатую форму, и толщина накладки увеличивается от центра к краю. За счет такого конструктивного решения пьезоэлектрический преобразователь, может излучать ультразвуковые колебания в широком диапазоне частот.
Известно применение накладок в пьезоэлектрических преобразователях в мощных ультразвуковых установках [О.В.Абрамов, И.Г.Хорбенко «Ультразвуковая обработка материалов» //М.: Машиностроение, 1984., стр.51]. Известно, что излучение пьезоэлектрическим пластинами осуществляется на резонансной частоте, а на остальных частотах излучаемые колебания имеют амплитуду много меньшую, чем на резонансной частоте, т.е. излучение оказывается не эффективным. Толщина пьезоэлектрической пластины h связана с ее резонансной частотой 
рез через длину волны 
и скорость звука в веществе пьезопластины cзвука : 
.В рассматриваемом случае излучающая накладка и отражающая накладка на тыльной поверхности пьезоэлектрических пластин вместе с самими пластинами образуют колебательную систему, с разными длинами. Т.о. пьезоэлектрический преобразователь зонами с разной толщины излучает колебания разных частот.
В случае выполнения поверхности тыльной накладки в виде трех ступеней, получаем колебательную систему, содержащую зоны длиной L 1, L2,L3. Каждой из них соответствует резонансная частота излучения резi Толщины Li подобраны таким образом, что резонансные частоты лежат в диапазоне от 22 до 88 кГц. При этом амплитуда колебаний, излучаемых преобразователем последовательно на всех резонансных частотах диапазона, остается практически равномерной. Для получения равномерной АЧХ выбрана форма внешней поверхности накладки, при которой длина волноводной системы уменьшается к центру.
При работе устройства блок управления плавно меняет управляющее напряжение генератора и за счет этого меняется частота генератора. Изменение напряжения обеспечивает изменение частоты от 15 кГц до 90. Главным требованием является попадание резонансных частот пьезопреобразователя в диапазон изменения частот генератора. В конкретном примере выполнения 1 цикл сканирование частот генератором туда-обратно длится 5 минут. Резонансными частотами являются 22, 44, 88 кГц. Благодаря тому, что устройство обеспечивает генерирование широкого диапазона частот ультразвуковых колебаний, оно воздействует на большой спектр микроорганизмов и спор. Время воздействия зависит от видов загрязнений и от объема водоема.
Ультразвуковое устройство для очистки водоемов, содержащее генератор электрического сигнала, на выходе которого включен усилитель, и пьезоэлектрический преобразователь, отличающееся тем, что введен блок управления, соединенный с генератором, в качестве генератора использован генератор с автоматической перестройкой частоты, а ультразвуковой излучатель выполнен в виде пьезоэлектрического преобразователя, снабженного согласующей и отражающей накладками, причем внешняя сторона отражающей накладки имеет осесимметричную ступенчатую форму, а толщина увеличивается к краям.
