CN101758017A - 全方位超声波辐射器 - Google Patents

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Abstract

一种全方位超声波辐射器，在径向辐射壳体内设置有超声换能器，超声换能器的中心线与径向辐射壳体的中心线相重合，径向辐射壳体的左端设置有左超声辐射盘、右端设置有右超声辐射盘。本发明采用耦合振动以及振动模式转换原理，在超声换能器的两端设置超声辐射盘，超声换能器的轴向外部设置径向辐射壳体，径向辐射壳体的直径与超声换能器的直径比较大，超声辐射盘的厚度与其直径比较小，实现超声换能器的大功率工作和全方位辐射超声波。本发明具有效率高、功率大、能向四周发射超声波等优点，可广泛应用于超声清洗、超声粉碎、超声提取、超声乳化、超声化学液体处理等技术领域。

Description

全方位超声波辐射器
技术领域
本发明属于产生亚声频、声频或超声频的机械振动的方法或设备技术领域，具体涉及到用压电效应或用电致伸缩工作的全方位超声波辐射器。
背景技术
在超声以及水声技术领域，现有的纵向振动夹心式压电陶瓷超声换能器的应用较广，例如用于超声清洗、超声金属和塑料焊接以及超声加工等等。该换能器是由法国的科学家郎之万于20世纪初发明的，具有频率调节容易，功率较大以及较高的机电转换效率等优点。随着科学技术的发展以及超声技术的广泛应用，许多新技术领域采用了超声技术，如用超声提取中药、超声处理废水以及超声化学反应等，对换能器的辐射声功率及声波作用范围提出了更高的要求，需要更大的功率和更广泛的作用范围。对于现有的纵向振动超声换能器，由于换能器本身理论及结构所限，难以实现新的超声技术中所要求的大功率以及全方位的超声辐射等特性。总的来说，现有的纵向振动超声换能器存在如下不足之处：
纵向振动夹心式超声换能器只能实现超声能量的单一自由度方向辐射，即超声换能器的辐射能量基本上是沿着超声换能器的纵轴方向，而在纵轴以外的其它方向，如径向等，超声辐射很少，因此，该换能器不能实现超声能量的360度空间全方位辐射。
纵向振动夹心式超声换能器的设计理论要求超声换能器的纵向尺寸，即直径，不能超过超声换能器所辐射的声波波长的四分之一，因此，该超声换能器的声波辐射面积受到自身理论的限制，不能超过一定限度，极大地限制了该超声换能器的声波辐射功率。
对于夹心式纵向振动压电陶瓷超声换能器，由于辐射面积的限制，在较大辐射功率的情况下，超声换能器的声强度也很大，导致超声换能器内部的振动速度、振动位移以及纵向应力也很大，甚至超过材料的机械强度限制，造成超声换能器的断裂或损坏。这种超声换能器对于所制备的材料要求非常严格。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述纵向振动超声换能器的缺点，提供一种效率高、功率大、能向四周发射超声波的全方位超声波辐射器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：在径向辐射壳体内设置有超声换能器，超声换能器的中心线与径向辐射壳体的中心线相重合，径向辐射壳体的左端设置有左超声辐射盘、右端设置有右超声辐射盘。
本发明的超声换能器为：在紧固螺栓的中部外设置有绝缘套管，绝缘套管外部设置有压电晶堆，紧固螺栓上压电晶堆的左端设置有左振动匹配块、右端设置有右振动匹配块。本发明的压电晶堆由至少两片压电陶瓷片和与压电陶瓷片数目相同的电极片交错排列构成，外侧的一片电极片接超声电源负极，其余电极片分别接超声电源正极或负极，每相邻两片电极片的极性相反；压电晶堆的长度与超声换能器的长度比为1/4～1/3，右振动匹配块与左振动匹配块的几何形状相同，径向辐射壳体的直径与超声换能器的直径比为1.5～2.5，左超声辐射盘的厚度与其直径比为0.2～0.3，右超声辐射盘的几何形状与左超声辐射盘的几何形状相同。
本发明的左振动匹配块、右振动匹配块的直径与电极片的直径相同，压电陶瓷片的直径小于或等于电极片的直径。
本发明采用耦合振动以及振动模式转换原理，在超声换能器的两端设置超声辐射盘，超声换能器的轴向外部设置径向辐射壳体，径向辐射壳体的直径与超声换能器的直径比较大，超声辐射盘的厚度与其直径比较小，实现超声换能器的大功率工作和全方位辐射超声波。本发明具有效率高、功率大、能向四周发射超声波等优点，可广泛应用于超声清洗、超声粉碎、超声提取、超声乳化、超声化学液体处理等技术领域。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图。
图2是图1的A-A剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
在图1、2中，本实施例的全方位超声波辐射器由左超声辐射盘1、左振动匹配块2、径向辐射壳体3、电极片4、右振动匹配块5、右超声辐射盘6、绝缘套管7、压电陶瓷片8、紧固螺栓9联接构成。
在紧固螺栓9的中部外安装有绝缘套管7，绝缘套管7外套装有4片压电陶瓷片8，每两片压电陶瓷片8之间安装有一片电极片4，右侧的一片压电陶瓷片8的右侧安装有一片电极片4，右侧的一片电极片4和间隔一片电极片4接超声电源负极，其余两片电极片4接超声电源正极，4片压电陶瓷片8和4片电极片4构成压电晶堆。紧固螺栓9的左端通过螺纹与左振动匹配块2固定联接，紧固螺栓9的右端通过螺纹与右振动匹配块5固定联接，左振动匹配块2、右振动匹配块5的直径与电极片4的直径相同，本实施例压电陶瓷片8的直径等于电极片4的直径，也可小于电极片4的直径。左振动匹配块2、右振动匹配块5、4片压电陶瓷片8、4片电极片4用紧固螺栓9联接构成超声换能器。压电晶堆的长度为20mm，超声换能器的长度为68mm，即压电晶堆的长度与超声换能器的长度比为5/17。左振动匹配块2的直径为40mm，右振动匹配块5与左振动匹配块2的几何形状相同。在超声换能器的外部套装有径向辐射壳体3，径向辐射壳体3的轴向中心线与超声换能器的轴向中心线相重合，径向辐射壳体3的直径为70mm，即径向辐射壳体3的直径与超声换能器的直径比为1.75，径向辐射壳体3用于径向由内向外辐射超声波。左振动匹配块2的左端用螺钉固定联接安装有左超声辐射盘1，左超声辐射盘1的右端面与径向辐射壳体3的左端面紧密结合，左超声辐射盘1的直径与径向辐射壳体3的直径相同，左超声辐射盘1的厚度为18mm，即左超声辐射盘1的厚度与直径的比为0.257，左超声辐射盘1用于向左侧辐射超声波。右振动匹配块5的右端用螺钉固定联接安装有右超声辐射盘6，右超声辐射盘6的几何形状与左超声辐射盘1的几何形状相同，右超声辐射盘6的左端面与径向辐射壳体3的右端面紧密结合，右超声辐射盘6用于向右侧辐射超声波。
实施例2
在本实施例中，在紧固螺栓9的中部外安装有绝缘套管7，绝缘套管7外套装有4片压电陶瓷片8，每两片压电陶瓷片8之间安装有电极片4，右侧的一片压电陶瓷片8的右端安装有一片电极片4，右侧的一片电极片4和间隔一片电极片4接超声电源负极，其余两片电极片4接超声电源正极，4片压电陶瓷片8和4片电极片4构成压电晶堆。压电晶堆的长度为20mm，超声换能器的长度为80mm，即压电晶堆的长度与超声换能器的长度比为1/4。左振动匹配块2的直径为30mm，右振动匹配块5与左振动匹配块2的几何形状相同。在超声换能器的外部套装有径向辐射壳体3，径向辐射壳体3直径为45mm，即径向辐射壳体3的直径与超声换能器的直径比为1.5。左振动匹配块2的左端用螺钉固定联接安装有左超声辐射盘1，左超声辐射盘1的厚度为9mm，即左超声辐射盘1的厚度与直径的比为0.2，右振动匹配块5的右端用螺钉固定联接安装有右超声辐射盘6，右超声辐射盘6的几何形状与左超声辐射盘1的几何形状相同，其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例3
在本实施例中，在紧固螺栓9的中部外安装有绝缘套管7，绝缘套管7外套装有4片压电陶瓷片8，每两片压电陶瓷片8之间安装有电极片4，右侧的一片压电陶瓷片8的右侧安装有一片电极片4，右侧的一片电极片4和间隔一片电极片4接超声电源负极，其余两片电极片4接超声电源正极，4片压电陶瓷片8和4片电极片4构成压电晶堆。压电晶堆的长度为20mm，超声换能器的长度为60mm，即压电晶堆的长度与超声换能器的长度比为1/3。左振动匹配块2的直径为40mm，右振动匹配块5与左振动匹配块2的几何形状相同。在超声换能器的外部套装有径向辐射壳体3，径向辐射壳体3直径为100mm，即径向辐射壳体3的直径与超声换能器的直径比为2.5。左振动匹配块2的左端用螺钉固定联接安装有左超声辐射盘1，左超声辐射盘1的厚度为30mm，即左超声辐射盘1的厚度与直径的比为0.3，右振动匹配块5的右端用螺钉固定联接安装有右超声辐射盘6，右超声辐射盘6的几何形状与左超声辐射盘1的几何形状相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例4
在以上的实施例1～3中，在紧固螺栓9的中部外安装有绝缘套管7，绝缘套管7外套装有两片压电陶瓷片8，两片压电陶瓷片8之间安装有一片电极片4，右侧的一片压电陶瓷片8的左侧安装有一片电极片4，右侧的一片电极片4接超声电源负极，其余一片电极片4接超声电源正极，两片压电陶瓷片8和两片电极片4构成压电晶堆。压电晶堆的长度与超声换能器的长度比与相应的实施例相同。径向辐射壳体3的直径与超声换能器的直径比与相应的实施例相同，左超声辐射盘1的厚度与直径比与相应的实施例相同，左振动匹配块2的几何形状与相应的实施例相同，右振动匹配块5与左振动匹配块2的几何形状相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例5
在以上的实施例1～3中，在紧固螺栓9的中部外安装有绝缘套管7，绝缘套管7外套装有8片压电陶瓷片8，每两片压电陶瓷片8之间安装有电极片4，右侧的一片压电陶瓷片8右侧安装有一片电极片4，右侧的一片电极片4接超声电源负极，其余电极片4分别接超声电源正极或负极，每相邻两片电极片4的极性相反，8片压电陶瓷片8和8片电极片4构成压电晶堆。压电晶堆的长度与超声换能器的长度比与相应的实施例相同。径向辐射壳体3的直径与超声换能器的直径比与相应的实施例相同，左超声辐射盘1的厚度与直径比与相应的实施例相同，左振动匹配块2的几何形状与相应的实施例相同，右振动匹配块5与左振动匹配块2的几何形状相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
本发明的工作原理如下：
接通超声频电源，压电陶瓷片8产生超声波，超声换能器纵向振动，推动与其直接联接的左超声辐射盘1同频向左纵向振动，向左介质中辐射声波，同时推动与其直接联接的右超声辐射盘6同频向右纵向振动，并向右介质中辐射声波。与左超声辐射盘1和右超声辐射盘6相联的径向辐射壳体3受到左振动匹配块2、右振动匹配块5的激发也产生振动。由于径向辐射壳体3的径向几何尺寸大于超声换能器的径向几何尺寸，借助于泊松效应，径向辐射壳体3将在产生纵向振动的同时，产生径向振动，从而实现超声振动及声波辐射方向的垂直转换，可实现纵向和径向同时振动，并在径向产生大功率的超声辐射。本发明能够产生纵向和径向的大功率声波辐射，不但可以增大辐射功率，而且可以实现声波能量的全方位辐射。另外，通过改变左超声辐射盘1、右超声辐射盘6以及径向辐射壳体3的几何尺寸，还可以实现超声换能器的参数优化，例如共振频率、频带宽度以及机电耦合系数等。

Claims (3)

1.一种全方位超声波辐射器，其特征在于：在径向辐射壳体(3)内设置有超声换能器，超声换能器的中心线与径向辐射壳体(3)的中心线相重合，径向辐射壳体(3)的左端设置有左超声辐射盘(1)、右端设置有右超声辐射盘(6)。
2.按照权利要求1所述的全方位超声波辐射器，其特征在于所说的超声换能器为：在紧固螺栓(9)的中部外设置有绝缘套管(7)，绝缘套管(7)外部设置有压电晶堆，紧固螺栓(9)上压电晶堆的左端设置有左振动匹配块(2)、右端设置有右振动匹配块(5)；所说的压电晶堆由至少两片压电陶瓷片(8)和与压电陶瓷片(8)数目相同的电极片(4)交错排列构成，外侧的一片电极片(4)接超声电源负极，其余电极片(4)分别接超声电源正极或负极，每相邻两片电极片(4)的极性相反；压电晶堆的长度与超声换能器的长度比为1/4～1/3，右振动匹配块(5)与左振动匹配块(2)的几何形状相同，径向辐射壳体(3)的直径与超声换能器的直径比为1.5～2.5，左超声辐射盘(1)的厚度与其直径比为0.2～0.3，右超声辐射盘(6)的几何形状与左超声辐射盘(1)的几何形状相同。
3.按照权利要求2所述的全方位超声波辐射器，其特征在于：所说的左振动匹配块(2)、右振动匹配块(5)的直径与电极片(4)的直径相同，压电陶瓷片(8)的直径小于或等于电极片(4)的直径。
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