Электродинамический вибропреобразователь для виброакустической терапевтической системы с обратной связью
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
южный федеральный университет
Факультет |
электроники и приборостроения |
Кафедра |
электрогидроакустической и медицинской техники |
ИНДИВДУАЛЬНАЯ РАБОТА
по курсу:
«Акустические методы и приборы в медицине»
на тему: |
Электродинамический вибропреобразователь для виброакустической терапевтической системы с обратной связью | |
Выполнил |
Еловикова Т.Ю., группа Э-128 | |
(фамилия, имя, отчество, группа) | ||
Проверил |
Чернов Н. Н. . « _________» _________________ 2012 г. | |
Таганрог 2012 г.
СОДЕРЖАНИЕ
1 НАЗНАЧЕНИЕ
ИЗДЕЛИЯ И ЕГО ОСНОВНЫЕ
1.1 Назначение изделия 2
1.2 Область применения изделия 3
1.3 Основные характеристики 3
2 НАЗНАЧЕНИЕ
ДАТЧИКА И ЕГО ОСНОВНЫЕ
2.1 Физиологические механизмы лечебного действия микровибраций звуковых частот на организм человека 5
2.2 основные
характеристики
3 РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ 7
3.1 Расчет звуковой катушки 7
3.2 Расчет
конструктивных параметров
3.3 Расчет
параметров подвижной системы 1
3.4 Расчет магнитной цепи 14
4 РАЗРАБОТКА
КОНСТРУКЦИИ
4.1 Выбор типа преобразователя 17
5 ПОВЕРКА виброакустического ТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО АППАРАТА 22
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 29
1 НАЗНАЧЕНИЕ ИЗДЕЛИЯ И ЕГО ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
1.1 Назначение изделия
Виброакустический
терапевтический аппарат с
Кроме того аппарат может использовать для:
- Восстановления и усиления кровообращения.
- Улучшения функции органа и направленного изменения параметров гомеостаза.
- Улучшения качества крови.
- Восстановления управления и саморегуляции.
- Усиления действия лекарственных препаратов.
- Осуществления индивидуального подбора метода виброакустической терапии с последующим контролем ее эффективности.
1.2 Область применения изделия
Аппарат виброакустической терапии с обратной связью предназначен для применения в лечебно-профилактических и санаторных учреждениях, в лабораториях и диагностических кабинетах, поликлиниках, больницах, а также в домашних условиях.
1.3 Основные характеристики
Ниже, в таблице 1, описаны основные характеристики для виброакустического терапевтического аппарата с обратной связью.
Таблица 1 - Основные характеристики
Напряжение питания |
220±22 |
В | |||
Частота питающей сети |
50 |
Гц | |||
Потребляемая мощность, не более |
8 |
ВА | |||
Время непрерывной работы аппарата, не менее |
8 |
ч | |||
Средний срок службы аппарата, не менее |
5 |
лет | |||
Масса аппарата, нетто, не более |
0,7 |
кг | |||
Габаритные размеры, не более |
120x90x60 |
мм | |||
Количество частотных поддиапазонов микровибрации |
2 |
шт | |||
Нижняя частота 1 поддиапазона, в пределах |
20-60 |
Гц | |||
Верхняя частота 1 поддиапазона, в пределах |
1200-4500 |
Гц | |||
Нижняя частота 2 поддиапазона, в пределах |
200-1000 |
Гц | |||
Верхняя частота 2 поддиапазона, в пределах |
9000-18000 |
Гц | |||
Длительность одного цикла
изменения частоты |
80-160 |
с | |||
Период импульсной модуляции, в пределах |
0,5-1,2 |
с | |||
Амплитуда микровибрации на самой низкой частоте, в пределах |
|||||
на режимах 1 и 3 |
2,8-5,4 |
мкм | |||
на режимах 2 и 4 |
6-12,3 |
мкм | |||
2 НАЗНАЧЕНИЕ
ДАТЧИКА И ЕГО ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
2.1 Физиологические механизмы лечебного действия микровибраций звуковых частот на организм человека
Для лечения любого заболевания необходимы как минимум хорошее кровоснабжение, качественная кровь и хорошее управление работой организма. Более того, часто наличие этих трех составляющих оказывается достаточным для полного выздоровления, тогда как отсутствие хотя бы одного из них, делает излечение от недуга либо очень длительным, либо вовсе невозможным. Виброакустическая терапия позволяет оказывать заметное влияние на все три фактора, влияющие на результативность лечения: увеличить местное кровоснабжение, повысить функцию органа и улучшить качество крови, восстановить управление, нарушенное в связи с недостаточностью кровоснабжения нервных волокон, тканей, нервных центров.
Основное и прямое физическое свойство виброакустического воздействия, с помощью электродинамического вибропреобразователя, - его способность увеличивать сквозной кровоток и лимфоток. В основе этого явления лежат два надежных физических эффекта.
Первый - это снижение сосудистого
сопротивления движению крови при
воздействии микровибрации
Второй физический эффект - эффект гидродинамического насоса в венах (рисунок 1 ). Он возникает благодаря наличию клапанов, которые при воздействии микровибрации обеспечивают не хаотическое, а направленное движение крови.
Этот эффект был открыт
профессором А. И. Аринчиным. Исследуя
механизмы периферического
Рисунок - Иллюстрация эффекта гидродинамического насоса
2.2 основные характеристики вибропреобразователя
В таблице 2 представленны основные характеристики вибропреобразователя.
Таблица 2 – Основные характеристики вибропреобразователя
Параметр |
Значение |
Номинальная мощность Ре |
0.5Вт |
Полное сопротивление Zем |
100Ом |
Номинальный диапазон частот fн – fв |
40-18000Гц |
Неравномерность частотной характеристики N |
10дБ |
Среднее номинальное звуковое давление pн |
2Н/м2 |
|
Коэффициент гармонических нелинейных искажений на нижней граничной частоте Kf |
20% |
Рабочая температур |
40°С |
3 РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Исходные параметры электродинамического вибропреобразователя возьмем из таблицы 2:
1) номинальная мощность Ре=0.5 Вт.
2) полное сопротивление Zем = 100 Ом.
3) номинальный диапазон частот fн – fв = 40 – 18000 Гц.
4) неравномерность частотной характеристики N=10 дБ.
5) среднее номинальное звуковое давление pн =2 Н/м2.
6) коэффициент гармонических
нелинейных искажений на
7) преобразователь должен работать при температуре до 40°С.
Расчет преобразователя ведется в следующем порядке.
3.1 Расчет звуковой катушки
1. Исходя из заданного
коэффициента гармонических
Рисунок 2 - Зависимость коэффициента нелинейных искажений от амплитуды колебаний подвижной системы громкоговорителя
2. По кривой рисунка 4 определяем необходимую величину свободного воздушного зазора при полученной амплитуде колебании подвижной системы
l'3 = 0.25×10-3 м.
3. По кривой рисунка 3 определяем удельную тепловую нагрузку звуковой катушки Pt = 1×104 Вт/м2.
Рисунок 3 - Зависимость удельной тепловой нагрузки звуковой катушки от толщины свободного воздушного зазора при различной температуре окружающей среды: 1–20° С ; 2– 40°С |
Рисунок 4 - Зависимость величины свободного воздушного зазора от амплитуды колебаний подвижной системы |
4. Вычисляем площадь боковой поверхности звуковой катушки:
(1)
5. Задаваясь отношением диаметра звуковой катушки к ее высоте Кк=4, вычисляем диаметр звуковой катушки:
(2)
6. Вычисляем диаметр керна магнитной цепи
(3)
Ближайший номинальный диаметр керна по ГОСТ 9010-59 составляет 8,5×10–3 м. Пересчитанный в соответствии с этим диаметр звуковой катушки:
dк = 8,50×10-3 + 2×0,25 10-3 = 8,55×10-3 м. (4)
Поскольку разница между первоначально вычисленным и пересчитанным диаметрами звуковой катушки незначительна, боковую поверхность катушки не пересчитываем (так как это не при ведет к заметному изменению ее теплового режима).
7. Вычисляем высоту катушки:
(5)
8. Вычисляем диаметр провода звуковой катушки:
(6)
Находим ближайший номинальный диаметр 3×10–4 м, площадь сечения этого провода sп=7,85×10–10 м2.
9. Проверяем выбранный
провод на допустимую
(7)
По данным графика рисунка 5 такая плотность тока допустима.
Рисунок 5 - Зависимость допустимой плотности тока от температуры окружающего воздуха: 1 – для широкополосных и низкочастотных громкоговорителей, 2 – для высокочастотных громкоговорителей
10. Вычисляем число витков
катушки, принимая число слоев
(8)
Принимаем, что нижний слой содержит 61 витка, а верхний – 60 виток.
Для каркаса катушки выбираем кабельную бумагу толщиной d=0,12×10–3 м.
11. Вычисляем толщину звуковой катушки:
(9)
12. Вычисляем массу звуковой
катушки, для чего
(10)
Находим окончательно массу звуковой катушки
mк = l п·sп·γ = 3,04·7,85·10-10·8,96·103 = 2,14×10-5 кг. (11)
3.2 Расчет конструктивных параметров диффузора
1. Для изготовления диффузора, согласно таблице выбираем следующий состав композиции бумажной массы сульфит целлюлоза – 50%, вата клиническая хирургическая – 50%.
Диффузор пропитывается цапонлаком с содержанием сухого остатка 0,4% Согласно таблице 3 диффузор имеет следующие механические характеристики: Плотность g =0,4 кг/м3, модуль упругости Е=1,5·107 Н/м2, плотность конической части g=0,6.
Таблица 3 - Характеристики диффузоров в зависимости от типа материала
Тип материала |
Модуль упру гости, Н/м2 |
Плотность, кг/м3 |
|
Бумага диффузорная с
канифольнопарафиновой |
3,0×108 |
0,6×103 |
|
Диффузор из бумажной массы,
пропитанной цапон-лаком с |
1,5×107 |
0,4×103 |
|
Текстолит листовой |
3×109 |
0,8×103 |
|
Марля или канва, пропитанные в растворе 15% бакелитового лака |
3,5×108 |
0,22×103 |
|
Шифон или миткаль, пропитанные в растворе 15% бакелитового лака |
1,5×108 |
0,46×103 |
2. Вычисляем номинальное
звуковое давление
(12)
3. Вычисляем площадь
излучающей поверхности
(13)
4. Выбираем круглый диффузор.
Диаметр излучающей
(14)
5. Выбираем диффузор с
криволинейной образующей. Для обеспечения
воспроизведения верхней
Рисунок 6 - Зависимость границы воспроизведения высоких частот
1 - от угла раствора диффузора a, 2 - от радиуса кривизны р.
- Толщина диффузора:
DД=0,3×10-3 м. (15)
7. Статическая масса диффузора равна
(16)
3.3 Расчет параметров подвижной системы
1. Вычисляем соколеблющуюся массу воздуха:
(17)
2. Вычисляем массу подвижной системы:
(18)
3. Рассчитываем гибкость подвижной системы, полагая fн =f0
(19)
Задаваясь m=3, определяем гибкость подвеса диффузора:
(20)
и гибкость центрирующей шайбы:
(21)
4. Выбираем гофрированный
подвес диффузора с
(6.22)
Выбираем число гофров n=2, тогда шаг гофра равен
l = 1,36×10-2/2 = 0,68×10-2 м (23)
и соответственно высота гофра
H = 0,68×10-2 ×0,2 = 0,136 ×10-2м. (24)
5. Изготовляем гофрированную,
центрирующую шайбу с
Тогда коэффициенты a1=2 и a2=2. Вычисляем, ширину воротника центрирующей шайбы
(6.25)
Выбираем число гофров n=4; тогда шаг гофра равен
(26)
И соответственно высота гофра
H = 0,2×10-2×0,2 = 4×10-4м. (27)
Для облегчения изготовления диффузородержателя и сборки вибропреобразователя выбираем центрирующую шайбу с краевым гофром.
3.4 Расчет магнитной цепи
1. Выбираем магнитную
цепь с кольцевым магнитом
из феррит-бария типа 3БА, который
имеет следующие
2 Вычисляем геометрические размеры зазора магнитной цепи. Ширина зазора:
(28)
Принимаем высоту зазора h3=0,8 hк
(29)
3. Вычисляем необходимую
величину индукции в рабочем
зазоре магнитной цепи, исходя
из заданных
(30)
- Вычисляем объем магнита, задаваясь hм=0,4:
(31)
Вычисляем магнитную проводимость рабочего зазора:
(32)
6. Вычисляем длину магнита
(33)
7. Вычисляем сечение магнита:
(34)
8. Вычисляем внутренний и наружный диаметры магнита, задаваясь k3=0,3
Внутренний диаметр:
(35)
Наружный диаметр:
(36)
Периметр сечения магнита:
Рм = 3,14 (2,8×10-2 + 8,7×10-3) = 11,5×10-2 м. (37)
9. Вычисляем магнитные
проводимости для потоков
а) по длине магнита:
(38)
б) между наружной поверхностью верхнего фланца и торцевой поверхностью керна:
(39)
в) между поверхностью керна и внутренней поверхностью верхнего фланца:
(40)
10. Вычисляем полную проводимость магнитной цепи:
(41)
11. Вычисляем отношение B/H:
(42)
12. Магнитная индукция в нейтрали равна 0,2 Вб/м2.
13. Вычисляем индукцию в зазоре магнитной цепи:
(43)
4 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
4.1 Выбор типа преобразователя
Наиболее распространенная
конструкция обычной
Рисунок 7 - Устройство электродинамического преобразователя
Магниты изготавливают из материала с большой магнитной энергией. В настоящее время в основном используют три вида материалов. Это - феррит бария марки 2БА для изготовления прессованных кольцевых магнитов. Материал имеет максимальную удельную магнитную энергию 2 ∙ 106 Гс ∙ Э.
В последнее время начали выпускать, хотя и в незначительном объеме, магниты из материала 3,2БА, в который входит стронций. Его максимальная удельная магнитная энергия составляет 3,2 ∙ 106 Гс ∙ Э, т, е. в 1,6 раза больше, чем у 2БА, что дает возможность при равном объеме магнита получить индукцию в зазоре примерно в раза большую или же иметь магнит в 1,6 раза меньшего объема.
Для литых магнитов применяют сплавы ЮНДК-24 и ЮНДК-25БА. Из первого магнита, имеющего максимальную удельную магнитную энергию 4 ∙ 106 Гс ∙ Э, отливают магниты либо в форме колец (полых цилиндров), либо в форме цилиндров, используемых конструктивно как керны. Иногда эти керны отливают с суженной в форме груши верхней частью для уменьшения утечки магнитного потока. Магниты льют также из сплава ЮНДК-25БА с максимальной магнитной энергией 6,4 ∙ 106 Гс ∙ Э. Магниты из него льют только керновые.
Детали магнитопровода (фланцы,
керн, если но не является магнитом, полюсный
наконечник) желательно делать из магнитомягкого
материала с возможно большой
магнитной проницаемостью для уменьшения
сопротивления магнитному потоку. Несмотря
на то, что такие материалы выпускают
(например, пермендюр), из экономических
и технологических соображений
применяют обычные
Звуковую катушку
Диффузор является важнейшей частью электродинамического преобразователя. Его форма и материал оказывают большое влияние на ее характеристики. В настоящее время наиболее употребительный материал - сульфатная или сульфитная целлюлоза, в некоторых случаях с определенными добавками. Диффузоры изготавливают методом литья (осаждения) водной суспензии размытых волокон целлюлозы на сетку, имеющую форму диффузора. После просушивания диффузоры подвергают уплотнению путем прессования.
В последние годы были созданы
электродинамические
Рисунок 8 - Эскиз металлического диффузора сотовой конструкции
Весь диффузор собран на клею и представляет собой чрезвычайно жесткую и легкую конструкцию круглой или квадратной формы, периметр которой снабжен подвесом, закрепляемым на диффузородержателе. Привод от звуковой катушки к плоскому диффузору осуществляется через легкий металлический усеченный конус, диаметр которого у вершины выбирается в соответствии с диаметром звуковой катушки, а со стороны, обращенной к диффузору, - исходя из распределения изгибных волн на поверхности диффузора. В месте крепления конуса к звуковой катушке прикрепляют центрирующую шайбу (нижний подвес головки). Выбор места прикрепления приводного конуса к диффузору позволяет расширить область поршневого действия диффузора.
5 ПОВЕРКА виброакустического ТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО АППАРАТА
Настоящая методика распространяется на измерение ультразвуковой мощности виброакустического терапевтического аппарата с применением измерителя мощности ультразвука типа ИМУ-3.
1. Условия поверки.
При проведении поверки должны соблюдаться следующие условия:
• Температура окружающей среды 20±3 ºС
• Относительная влажность воздуха 65±15%
• Атмосферное давление 750±30 мм рт.ст.
2. Подготовки к поверке.
2.1. Перед проведением поверки должны быть выполнены следующие подготовительные работы
2.1.1. Установить прибор так, чтобы уровень дистиллированной воды совпадал с красными линиями на контрольных окнах прибора.
2.1.2. Установку для определения углового положения чувствительного элемента прибора вставить и сориентировать в горловине прибора так, чтобы ось горловины совместить с осью измерительного устройства, указанной выше установки в соответствии с требованиями, указанными в паспорте Э58-00-00 ПС.
В случае определения угла наклона боковой поверхности чувствительного элемента прибора другим методом, изменится методика (описанная в разделе 4 данной методики) определения вышеуказанного параметра.
При применении механических
методов определения угла наклона
боковой поверхности
3. Проведение поверки.
3.1. Внешний осмотр.
3.1.1. При проведении внешнего осмотра должно быть установлено соответствие характеристик, маркировки и обозначении на шкале прибора ИМУ-3 требованиям Э58-00-00 ТУ и Э58-00-00 ПС.
3.2. Определение метрологических параметров.
3.2.1. Установить нуль прибора, потом повернуть ручку по часовой стрелке до упора.
3.2.2. С помощью микрометрического винта установки переместить измерительное устройство ниже точки нулевого положения чувствительного элемента в папке прибора на 3-5 мм.
3.2.3. Установить стрелку отсчета мощности на нулевую отметку шкалы.
3.2.4. С помощью микрометрического
винта переместить
3.2.5. Визуально произвести определение зазора между измерительным устройством и боковой поверхностью чувствительного элемента.
3.2.6. Снять показания измерительного устройства установки. Отклонение угла наклона боковой поверхности чувствительного элемента по отношению к вертикальной оси горловины прибора должно быть не более 3 град.
3.2.7. При определении звукового давления. Создаваемого виброакустическим терапевтическим аппаратом используются калибровочные гири из алюминия, создающие на поверхности чувствительного элемента давление, аналогичное давлению, создаваемому акустическими колебаниями.Определение плотности алюминия производится с погрешностью не более 1% методом гидростатического взвешивания или любым другим прибором, погрешность которого не превышает 5%. Определение плотности производится по формуле
(1)
где ρ1 – плотность материала, из которого изготовлена заготовка гири;
m1 – вес заготовки гири в воздухе; m2 – вес заготовки гири в воде;
ρ – плотность жидкости; Д – плотность воздуха.
Вес заготовки гири в жидкости определяется с помощью соответствующих по точности весов, для этого заготовки градуировочной гири, заготовленной в соответствии с приложением 2 и с припусками на последующую обработку, погружается в жидкость и подвешивается на тонкой нити к чаше весов.
При погружении градуировочных гирь в дистиллированную воду (или в любую другую жидкость с учетом ее плотности и изменением формулы (3)) необходимо следить, чтобы на поверхности гирь не было воздушных пузырьков.
3.2.8. Определение веса градуировочных гирь производится по формуле (1), в которую подставляют значение плотности определенное по формуле по п.4.2.9.