CN103071613A - 一种纵弯复合超声振动聚焦器 - Google Patents

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李华
殷振
曹自洋
李艳
谢鸥
汪帮富
赵江江
任坤
张峰
李征
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Abstract

本发明公开了一种纵弯复合超声振动聚焦器，包括螺栓、后盖板、压电陶瓷片、电极片、变幅杆和聚焦球壳。所述的后盖板、所述的压电陶瓷片、所述的电极片和所述的变幅杆依次套设在所述的螺栓上，所述的后盖板、压电陶瓷片、电极片和变幅杆通过所述的螺栓联接夹紧，聚焦球壳设置在变幅杆的前端。本发明中纵弯复合超声振动聚焦器采用夹心式压电换能器结构，具有功率容量大、声场聚焦能力强等优点。本发明可以应用于超声气体介质声场聚焦、多相流声场聚焦、超声医疗、超声除尘、超声干燥、超声凝聚、超声无损检测等领域。

Description

一种纵弯复合超声振动聚焦器
技术领域
本发明涉及利用逆压电效应的超声振动声场聚焦领域，具体来说，涉及一种纵弯复合超声振动聚焦器。 
背景技术
随着超声技术的发展，超声换能器的应用日趋广泛，为了将超声能量汇聚到某一区域，常需要对超声波能量进行聚焦，聚焦超声已广泛用于超声气体介质声场聚焦、多相流声场聚焦、超声医疗、超声除尘、超声干燥、超声凝聚、超声无损检测等领域。 
目前，实现聚焦的方法有主要有曲面有源自聚焦、声透镜聚焦、多元阵列自聚焦、相控阵聚焦方式等。曲面自聚焦换能器是将压电陶瓷磨成曲面，然后经极化、镀银而制成，用压电陶瓷组件直接作为超声辐射器，其几何焦距等于元件的曲率半径，其声波辐射具有聚焦特征。声透镜聚焦是把把纵向振动压电换能元件与平面-球面声透镜胶合在一起，构成球面折射面，发射的声波经过折射可形成球面汇聚的波振面，从而实现超声波的汇聚。多元阵列自聚焦是将多个单元换能器安装在一个球面上，每个单元换能器为一个声透镜聚焦换能器，当多个单元换能器同时被激励时，则可在凹球壳基体的球心处实现声场的几何聚焦，焦域的大小由换能器的几何参数确定。相控阵聚焦的换能器由多个相互独立的压电芯片在空间按一定方式排列成一个阵列，每个芯片称为一个阵元，当各阵元以同一频率的信号进行激励时，它们所发出的声波是相干的，控制发射信号的时间延迟，使得各阵元发射的声波在焦点处同相，超声波束在焦点处同相叠加，振动达到最大值，这些声波在空间干涉后就形成特定的指向性或聚焦特性。目前这几种聚焦方式在各生产领域均有应用，能够满足基本生产应用的需要，但是也有一些问题，曲面有源自聚焦和声透镜聚焦方式，超声能量转化率低、聚焦声功率小，尤其是曲面有源自聚焦还存在加工难度大，成本较高等问题，多元阵列自聚焦和相控阵聚焦虽然聚焦声功率大，但还存在超声能量转化率低、功耗大、体积大、不便于移动等问题。 
为了克服以上超声聚焦技术的不足，公开号为CN1942218的专利文献公开了一种准自聚焦高强度大功率超声换能器，该准自聚焦高强度大功率超声换能器在压电陶瓷换能组件的背面设置了两层低损耗高声阻的背衬材料，且两层低损耗高声阻的背衬材料具有空气空腔，可以在一定限度上将压电陶瓷向后方发射的声波反射回前方，提高声波聚焦的强度，但是该换能器的功率容量较小，声学聚焦强度较低，且压电陶瓷片为4-24片扇形的曲面结构，加工难度较大，生产成本较高。 
发明内容
为克服以上超声聚焦技术的不足，本发明的目的在于提供一种夹心式结构的纵弯复合超声振动聚焦器，包括螺栓、后盖板、压电陶瓷片、电极片、变幅杆和聚焦球壳。所述的后盖板、所述的压电陶瓷片、所述的电极片和所述的变幅杆依次套设在所述的螺栓上，所述的后盖板、压电陶瓷片、电极片和变幅杆通过所述的螺栓联接夹紧，所述的聚焦球壳设置在所述的变幅杆的前端。和准自聚焦高强度大功率超声换能器相比，该纵弯复合超声振动聚焦器采用了夹心式换能器结构，具有功率容量大、超声振动能量转化率高、结构简单，加工难度低，生产成本较低等优点。 
更进一步，所述纵弯复合超声振动聚焦器只采用了一组纵向振动压电陶瓷片。 
更进一步，所述纵弯复合超声振动聚焦器只需要一路超声电源供应电能。 
更进一步，所述的纵弯复合超声振动聚焦器的螺栓根据需要可为实心结构或具有内孔的空心结构。 
更进一步，所述的纵弯复合超声振动聚焦器的变幅杆根据需要可为实心结构或具有内孔的空心结构。 
当纵弯复合超声振动聚焦器的电极片接入超声电源的电信号后，纵弯复合超声振动聚焦器的压电换能器部分就会产生纵向超声简谐振动，并驱动变幅杆前端的聚焦球壳进行超声振动，且纵弯复合超声振动聚焦器的纵向超声简谐振动传递到聚焦球壳后转换为聚焦球壳的弯曲超声振动，聚焦球壳的弯曲超声振动易于与空气介质耦合，有利于超声波能量从聚焦球壳向空气介质中传播，超声波能量沿聚焦球壳的半径方向在聚焦球壳的球心附近汇聚，在聚焦球壳的球心附近形成高声压区域。 
附图说明
图1是本发明的一种纵弯复合超声振动聚焦器的结构示意图； 
图2是本发明的一种纵弯复合超声振动聚焦器应用范例的系统结构示意图；
图中标号说明：1.螺栓，2.后盖板，3.压电陶瓷片，4.电极片，5变幅杆，6.聚焦球壳，7. 聚焦球壳球心， 8. 超声电源
具体实施方式
如图2所示，本发明是一种纵弯复合超声振动聚焦器，本发明的目的在于提供一种夹心式结构的纵弯复合超声振动聚焦器，包括螺栓(1)、后盖板(2)、压电陶瓷片(3)、电极片(4)、变幅杆(5)和聚焦球壳(6)，所述的后盖板(2)、所述的压电陶瓷片(3)、所述的电极片(4)和所述的变幅杆(5)依次套设在所述的螺栓(1)上，所述的后盖板(2)、压电陶瓷片(3)、电极片(4)和变幅杆(5)通过所述的螺栓(1)联接夹紧，聚焦球壳(6)设置在变幅杆(5)的前端，图中标号7为聚焦球壳(6)的球心位置。该纵弯复合超声振动聚焦器只采用了一组纵向振动压电陶瓷片，只需要一路超声电源(8)供应电能，变幅杆和中间的联接螺栓可以根据需要加工为实心结构或具有内孔的空心结构。 
超声振动聚焦器压电陶瓷换能器段直径40mm，压电陶瓷片为PZT-8，尺寸为，Ф40×Ф20×6mm，变幅杆段直径26mm，聚焦球壳球缺直径98mm,内径57mm,外径60mm,换能器固有频率为37.28KHz，阻抗为80欧姆，动态电阻为19欧姆。超声电源输出电压范围为0-400V，电流范围为0-4A，输出频率为37.28±0.01KHz。 
当纵弯复合超声振动聚焦器的电极片接入超声电源的电信号后，超声电源输出电压为230V，电流为2.2A，纵弯复合超声振动聚焦器的压电换能器部分产生纵向超声简谐振动，并驱动变幅杆前端的聚焦球壳进行超声振动，且纵弯复合超声振动聚焦器的纵向超声简谐振动传递到聚焦球壳后转换为聚焦球壳的弯曲超声振动，聚焦球壳的弯曲超声振动易于与空气介质耦合，有利于超声波能量从聚焦球壳向空气介质中传播，超声波能量沿聚焦球壳的半径方向在聚焦球壳的球心附近汇聚，在聚焦球壳的球心附近形成高声压区域，超声振动聚焦器聚焦球壳球心附近产生的声压所具有的风能可以将直径为15mm的蜡烛吹灭，以及可将100颗左右直径5mm的泡沫吹散，可将水面吹出一个深越15mm水坑。 

Claims (7)

1.一种纵弯复合超声振动聚焦器，其特征在于，纵弯复合超声振动聚焦器包括螺栓(1)、后盖板(2)、压电陶瓷片(3)、电极片(4)、变幅杆(5)和聚焦球壳(6)，所述的后盖板(2)、所述的压电陶瓷片(3)、所述的电极片(4)和所述的变幅杆(5)依次套设在所述的螺栓(1)上，所述的后盖板(2)、压电陶瓷片(3)、电极片(4)和变幅杆(5)通过所述的螺栓(1)联接夹紧，聚焦球壳(6)设置在变幅杆(5)的前端。
2.根据权利要求1所述的纵弯复合超声振动聚焦器，其特征在于：所述的纵弯复合超声振动聚焦器的换能器采用了夹心式压电换能器结构。
3.根据权利要求1所述的纵弯复合超声振动聚焦器，其特征在于：所述的纵弯复合超声振动聚焦器的换能器采用了一组纵向振动压电陶瓷片(3)。
4.根据权利要求1所述的纵弯复合超声振动聚焦器，其特征在于：所述的纵弯复合超声振动聚焦器的换能器只需要一路超声电源供应电能。
5.根据权利要求1所述的纵弯复合超声振动聚焦器，其特征在于：所述的纵弯复合超声振动聚焦器具有聚焦球壳(6)的结构。
6.根据权利要求1所述的纵弯复合超声振动聚焦器，其特征在于：所述的纵弯复合超声振动聚焦器的螺栓(1)可为实心结构或具有内孔的空心结构。
7.根据权利要求1所述的纵弯复合超声振动聚焦器，其特征在于：所述的纵弯复合超声振动聚焦器的变幅杆(5)可为实心结构或具有内孔的空心结构。
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