CN101121165A - 压电超声换能器 - Google Patents

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本发明涉及一种适合于常压和高压强下液体超声处理的大功率径向振动压电超声换能器。本发明的目的是针对现有的超声换能器的所存在的结构强度低、功率密度小的缺陷，提供一种结构强度高、功率密度大、能在径向360°方向产生均匀声辐射，尤其适合于常压和高压强下液体超声处理的大功率径向振动压电超声换能器。本发明包括压电陶瓷盘、预应力环形盖板、筒体、绝缘隔振环垫和端盖，其中，在压电陶瓷盘上设有通孔，压电陶瓷盘侧面与预应力环形盖板径向复合形成复合盘压电换能器，若干个几何参数与径向共振频率一致的复合盘压电换能器单元以电并联方式的联接，并等间隔紧密固定于筒体的内壁上，相邻两个复合盘压电换能器单元之间设有绝缘隔振环垫。

Description

压电超声换能器
技术领域
本发明涉及一种超声波设备，特别是一种适合于常压和高压强下液体超声处理的大功率径向振动压电超声换能器。
背景技术
液体超声处理是利用超声换能器将电源产生的超声频电信号转换为高频机械振动能量并辐射到液体介质中，产生“空化、辐射压、声流”等物理效应进行处理的一种环保节能的绿色非ODS超声应用技术，已越来越受到广泛的关注。传统的液体超声处理技术是通过在容器底部或四周粘贴一组阵列式纵振换能器来施加声场，由于纵向振子辐射声场指向性强，通常存在声场“盲区”，这是制约超声处理效能的“瓶颈”。径向振动换能器具有辐射面积大、声场指向性均匀(360度周向)以及辐射效率高等优点，特别适合于液体超声处理，如超声清洗、降解、防垢除垢、中草药物成分萃取及声化学反应等领域。
现有技术中，申请号为：200520075667.4，名称为“大功率超声换能器”的发明专利，采用多级带有金属圆管预应力外壳的压电薄壁短圆管沿轴向机械串接而成的径向振动压电超声换能器，这种换能器能够获得较好的圆管基频径向振动模式，但存在以下不足之处：
(1)、换能器内部的压电陶瓷薄壁短圆管是径向极化的，电极为压电陶瓷圆管的内外侧壁面，在高频电场激励下，换能器所产生的径向振动是通过压电薄壁圆管(环)的3-1耦合实现的，因而机电耦合系数K31较小，对于常用的PZT压电陶瓷薄壁圆环或短圆管，其机电耦合系数K31在0.3-0.4之间；
(2)、压电薄壁圆管的径向结构强度比较低，金属圆管预应力外壳不能对其施加太大的径向预应力，否则压电陶瓷管容易破碎，所以换能器功率不能做得太大，功率密度较小；
(3)、结构相对较复杂，工艺要求较高。
申请号为：200520057492.4，名称为“洗罐用的超声棒”的发明专利，通过在横截面为圆形或多边形(三角形、方形或六边形)管内壁均匀间隔地粘接一定数量的纵向振动压电换能器来产生径向振动。这类棒状换能器由于采用纵振换能器驱动，功率可以较大，存在的不足之处是：
(1)、纵振换能器是间隔地安装于内壁上，因此管壁沿周向并非是一种均匀径向振动，而是弯曲振动，因而声辐射沿周向不均匀，特别在近场会出现声能辐射“盲区”；
(2)、低频振动换能器(超声棒)的径向尺寸(直径)将比较大，使其应用范围受到一定限制。
发明内容
本发明的目的是针对现有的超声换能器的所存在的结构强度低、功率密度小、径向尺寸大的不足之处，提供一种结构强度高、功率密度大、能在径向360°方向产生均匀声辐射，尤其适合于常压和高压强下液体超声处理的大功率径向振动压电超声换能器。
本发明采用的技术方案是通过如下方式完成的：一种压电超声换能器包括压电陶瓷盘、预应力环形盖板、筒体、绝缘隔振环垫和端盖，其中，在压电陶瓷盘上设有通孔；预应力环形盖板、筒体和端盖采用金属材料制成，绝缘隔振环垫采用聚酯纤维或EPDM橡胶制成；压电陶瓷盘的极化方向为厚度方向，压电陶瓷盘厚度方向的两个端面为电极面，预应力环形盖板的内沿厚度与压电陶瓷盘的厚度一致，压电陶瓷盘侧面与预应力环形盖板径向复合形成复合盘压电换能器，若干个几何参数与径向共振频率一致的复合盘压电换能器单元以电并联方式的联接，并等间隔紧密固定于筒体的内壁上，相邻两个复合盘压电换能器单元之间设有绝缘隔振环垫，相邻的两个复合盘压电换能器单元相邻面的极性相同，它们之间通过导线连接；筒体的开口处与端盖相配合，在端盖上设有通孔，在端盖的通孔处设有密封圈，导线穿过设在端盖上的密封圈的孔将筒体内各复合盘压电换能器与筒体外部的超声波电源相连接。
上述压电超声换能器是通过以下方法制成的：带孔的压电陶瓷盘通过热处理方式与金属预应力环形盖板径向复合形成复合盘压电换能器，其中，热处理温度低于压电陶瓷的居里温度，将预应力环形盖板内径加工为负公差，利用预应力环形盖板预热后冷却收缩对压电陶瓷盘施加足够大径向预应力；若干个几何参数与径向共振频率一致的复合盘压电换能器单元等间隔紧密固定于金属筒体的内壁上，相邻两复合盘压电换能器单元之间安装有绝缘隔振环垫，绝缘隔振环垫的材料采用聚酯纤维或EPDM橡胶介质等；相邻的两复合盘压电换能器单元相邻面极性相同，并以导线连接在一起，各复合盘压电换能器单元之间以电并联的方式相联接；通过金属端盖将金属筒体封闭，密封圈设在端盖的通孔处，导线穿过设在端盖上的密封圈的孔将金属筒体内部的复合盘压电换能器与该金属筒体外部的超声波电源相连接。该金属筒体内部的复合盘压电换能器单元数量可以根据需要进行选择，如需要换能器的整体功率较大时，则将金属筒体加长，此时可通过多级短金属筒体轴向压紧套接或螺纹套接的方式来降低制作工艺难度。
与现有的超声换能器相比，本发明具有以下特点：
(1)压电陶瓷圆盘比薄壁压电陶瓷短圆管的径向抗压强度大，金属环形盖板可对其施加足够大的径向预压应力，从而大大提高了压电陶瓷的功率容量及机电转换效率；另一方面，金属环形盖板起到“骨架”支撑作用，显著提高了换能器的整体结构强度，使之还可应用到一些高压强应用技术领域，如用作深海探测声发射换能器、石油工业中深井采油声发射换能器等场合。
(2)压电陶瓷盘是厚度极化的，上、下端面为电极面，所加激励电场方向与极化方向一致，利用了压电陶瓷盘的平面机电耦合系数Kp。对常用PZT压电陶瓷圆盘的径向振动模，其平面或径向机电耦合系数Kp可达0.6-0.7，比现有技术中的压电陶瓷短圆管的机电耦合系数K31提高了近一倍。
(3)复合盘换能器径厚比(直径与厚度之比)较大，一个数量级左右。因此，径厚耦合振动弱，可获得更纯的圆管径向振动模式。
附图说明
图1为压电超声换能器的结构示意图。
图2为图1的A-A剖视图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做出进一步的具体说明。
参照附图1和附图2，一种压电超声换能器包括压电陶瓷盘1、预应力环形盖板2、筒体3、绝缘隔振环垫4和端盖5，其中，压电陶瓷盘1采用圆形压电陶瓷盘，在压电陶瓷盘1的中间设有通孔；预应力环形盖板2、筒体3和端盖5采用金属材料制成，绝缘隔振环垫4采用聚酯纤维制成；压电陶瓷盘1的极化方向为厚度方向，压电陶瓷盘1厚度方向的两个端面为电极面，预应力环形盖板2的内沿厚度与压电陶瓷盘1的厚度一致，压电陶瓷盘1侧面与预应力环形盖板2径向复合形成复合盘压电换能器，六个几何参数与径向共振频率一致的复合盘压电换能器单元以电并联方式的联接，并等间隔紧密固定于筒体3的内壁上，相邻两个复合盘压电换能器单元之间设有绝缘隔振环垫4，相邻的两个复合盘压电换能器单元相邻面的极性相同，它们之间通过导线7连接；筒体3的开口处与端盖5相配合，在端盖5的中间设有通孔，在端盖5的通孔处设有密封圈6，导线7穿过设在端盖5上的密封圈6的孔将筒体3内各复合盘压电换能器与筒体3外部的超声波电源相连接。
上述压电超声换能器是通过以下方法制成的：
中心带孔的压电陶瓷盘1通过热处理方式与金属预应力环形盖板2径向复合形成复合盘压电换能器，其中，热处理温度低于压电陶瓷的居里温度，将预应力环形盖板2内径加工为负公差，利用预应力环形盖板2预热后冷却收缩对压电陶瓷盘1施加足够大径向预应力；六个几何参数与径向共振频率一致的复合盘压电换能器单元等间隔紧密固定于金属筒体3的内壁上，相邻两复合盘压电换能器单元之间安装有绝缘隔振环垫4，绝缘隔振环垫4的材料采用聚酯纤维或EPDM橡胶介质等；相邻的两复合盘压电换能器单元相邻面极性相同，并以导线连接在一起，各复合盘压电换能器单元之间以电并联的方式相联接；通过金属端盖5将金属筒体3封闭，密封圈6设在端盖5的通孔处，导线7穿过设在端盖5上的密封圈6的孔将金属筒体3内部的复合盘压电换能器与该金属筒体3外部的超声波电源相连接。

Claims (6)

1.一种压电超声换能器，其特征在于该压电超声换能器包括压电陶瓷盘(1)、预应力环形盖板(2)、筒体(3)、绝缘隔振环垫(4)和端盖(5)，其中，在压电陶瓷盘(1)上设有通孔，预应力环形盖板(2)、筒体(3)和端盖(5)采用金属材料制成，绝缘隔振环垫(4)采用聚酯纤维或EPDM橡胶制成，压电陶瓷盘(1)的极化方向为厚度方向，压电陶瓷盘(1)厚度方向的两个端面为电极面，预应力环形盖板(2)的内沿厚度与压电陶瓷盘(1)的厚度一致，压电陶瓷盘(1)侧面与预应力环形盖板(2)径向复合形成复合盘压电换能器，若干个几何参数与径向共振频率一致的复合盘压电换能器单元以电并联方式的联接，并等间隔紧密固定于筒体(3)的内壁上，相邻两个复合盘压电换能器单元之间设有绝缘隔振环垫(4)，相邻的两个复合盘压电换能器单元相邻面的极性相同，它们之间通过导线(7)连接；筒体(3)的开口处与端盖(5)相配合，在端盖(5)上设有通孔，在端盖(5)的通孔处设有密封圈(6)，导线(7)穿过设在端盖(5)上的密封圈(6)的孔将筒体(3)内各复合盘压电换能器与筒体(3)外部的超声波电源相连接。
2.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于压电陶瓷盘(1)采用圆形压电陶瓷盘。
3.根据权利要求1或2所述的压电超声换能器，其特征在于在压电陶瓷盘(1)的中间设有通孔。
4.根据权利要求1或2所述的压电超声换能器，其特征在于在端盖(5)的中间设有通孔。
5.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于压电超声换能器是通过以下方法制成的：带孔的压电陶瓷盘(1)通过热处理方式与金属预应力环形盖板(2)径向复合形成复合盘压电换能器，其中，热处理温度低于压电陶瓷的居里温度，将预应力环形盖板(2)内径加工为负公差，利用预应力环形盖板(2)预热后冷却收缩对压电陶瓷盘(1)施加足够大径向预应力，若干个几何参数与径向共振频率一致的复合盘压电换能器单元等间隔紧密固定于金属筒体(3)的内壁上，相邻两复合盘压电换能器单元之间安装有绝缘隔振环垫(4)，绝缘隔振环垫(4)的材料采用聚酯纤维或EPDM橡胶介质，相邻的两复合盘压电换能器单元相邻面极性相同，并以导线连接在一起，各复合盘压电换能器单元之间以电并联的方式相联接，通过金属端盖(5)将金属筒体(3)封闭，密封圈(6)设在端盖(5)的通孔处，导线(7)穿过设在端盖(5)上的密封圈(6)的孔将金属筒体(3)内部的复合盘压电换能器与该金属筒体(3)外部的超声波电源相连接。
6.根据权利要求5所述的压电超声换能器，其特征在于当换能器的整体功率较大时，则将金属筒体(3)加长，此时可通过多级短金属筒体(3)轴向压紧套接或螺纹套接的方式来降低制作工艺难度。
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