CN103341439B - 一种大功率空气耦合超声振动换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大功率空气耦合超声振动换能器，包括螺栓、后盖板、压电陶瓷片、电极片、变幅杆、转换套筒、振动板和粘接在振动板上的耦合层。后盖板和变幅杆通过螺栓将依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和变幅杆联接夹紧，转换套筒设置在变幅杆的前端，振动板和粘接在振动板上的耦合层设置在转换套筒的前端。本发明采用夹心式压电换能器结构，具有功率容量大、声场输出强度高等优点，可以应用于超声去泡、超声悬浮、超声医疗、超声除尘、超声干燥、超声气体介质声场聚焦、多相流声场聚焦、超声凝聚、超声无损检测等领域。
Description
技术领域
本发明涉及利用逆压电效应的超声振动声场输出领域，具体来说，涉及一种大功率空气耦合超声振动换能器。
背景技术
随着超声技术的发展，强功率声波在空气中的应用日趋广泛。为了在指定区域得到较高强度声场，目前多采用曲面有源自聚焦、声透镜聚焦、多元阵列自聚焦、相控阵聚焦等方式，这几种高强度声场的获取方式在多个生产领域均有应用，能够满足基本生产应用的需要，但是也存在一些不足，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，但也存在超声能量转化率低、功耗高、体积大、不便于移动等问题。
为了克服以上高强度声场获取技术的不足，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
为了克服以上高强度声场获取技术的不足，本发明的目的在于提供一种夹心式结构的大功率空气耦合超声振动换能器，包括螺栓、后盖板、压电陶瓷片、电极片、变幅杆、转换套筒、振动板和粘接在振动板上的耦合层。后盖板和变幅杆通过螺栓将依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和变幅杆联接夹紧，构成了大功率空气耦合超声振动换能器的能量转换部分，将超声电源输出的超声波电能转换为换能器变幅杆前端的超声振动能量。
转换套筒通过焊接、粘接或螺纹联接设置在变幅杆的前端，或者转换套筒和变幅杆制造成一个整体零件，振动板通过焊接或者粘接设置在转换套筒的前端，耦合层粘接在振动板的前端。振动板和耦合层的弯曲振动固有频率和大功率空气耦合超声振动换能器纵向振动固有频率一致，当大功率空气耦合超声振动换能器的电极片接入超声电源的电信号后，整个大功率空气耦合超声振动换能器工作在其固有频率点时，整个系统形成共振，振动板和耦合层的弯曲振动振幅达到最大。和准自聚焦高强度大功率超声换能器相比，该大功率空气耦合超声振动换能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，加工难度小，生产成本较、使用寿命长低等优点，有利于其产业化发展，应用前景广阔。
更进一步，所述大功率空气耦合超声振动换能器只采用了一组纵向振动压电陶瓷片。
更进一步，所述大功率空气耦合超声振动换能器只需要一路超声电源供应电能。
更进一步，所述大功率空气耦合超声振动换能器前端耦合层的材料为泡沫塑料或环氧树脂。
本发明采用了振动转换装置--转换套筒，把换能器能量转换部分产生的纵向振动转换为振动板和耦合层的弯曲振动，弯曲振动是超声波最易于与空气耦合传播的振动形式之一，有利于超声振动能量从振动板到空气的传播，另外振动板前端粘贴的耦合层提高了超声振动能量从振动板到空气的透射系数，更有利于振动板前方高强声场的实现。
本发明还具有以下优点：
1.本发明只需采用一路超声电源供应电能，电源结构简单、控制容易；
2.在保证达到要求声强的条件下，可最大限度的减少能源的消耗；
3.体积小，能量密度大，能效高；
4.应用广泛，可以用于超声去泡、超声悬浮、超声医疗、超声除尘、超声干燥、超声气体介质声场聚焦、多相流声场聚焦、超声凝聚、超声无损检测等领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明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. 转换套筒, 7. 振动板， 8. 耦合层， 9. 超声电源。
具体实施方式
实施例1
结合图1所示，本发明是一种大功率空气耦合超声振动换能器，包括螺栓1、后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4、变幅杆5、转换套筒6、振动板7和粘接在振动板7上的耦合层8。后盖板2和变幅杆5通过螺栓1将依次套设在螺栓1上的后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和变幅杆5联接夹紧，构成了大功率空气耦合超声振动换能器的能量转换部分，将超声电源9输出的超声波电能转换为换能器变幅杆5前端的超声振动能量。该大功率空气耦合超声振动换能器只采用了一组纵向振动压电陶瓷片3，只需要一路超声电源9供应电能。
转换套筒6通过螺纹联接设置在变幅杆5的前端，构成换能器的超声振动能量转换装置，将能量转换部分输出的纵向超声振动转换为转换套筒6前端的纵向振动。振动板7通过粘接设置在转换套筒6的前端，同时泡沫塑料材质的耦合层8粘接在振动板7的前端，提高了超声振动能量从振动板7到空气的透射系数，有利于超声振动能量从振动板7到空气的传播。
大功率空气耦合超声振动换能器压电陶瓷段直径40mm，压电陶瓷片3材料为PZT-8，尺寸为，Ф40×Ф20×6mm，变幅杆5段直径26mm，转换套筒6大端外径48mm,大端内径40mm,换能器固有频率为36.34KHz，阻抗为73欧姆，动态电阻为21.2欧姆。超声电源9输出电压范围为0-400V，电流范围为0-4A，输出频率为36.34±0.01KHz。
结合图2所示，振动板7和耦合层8的弯曲振动固有频率和大功率空气耦合超声振动换能器纵向振动固有频率一致，当大功率空气耦合超声振动换能器的电极片4接入超声电源9的电信号后，整个大功率空气耦合超声振动换能器工作在其固有频率点时，整个系统形成共振，振动板7和耦合层8的弯曲振动振幅达到最大。此时超声电源9输出电压为210V，电流为1.3A，大功率空气耦合超声振动换能器的能量转换部分产生纵向简谐超声振动，并驱动变幅杆5前端的转换套筒6进行纵向超声振动，且大功率空气耦合超声振动换能器的纵向超声简谐振动经转换套筒6传递到振动板7后转换为振动板7的弯曲超声振动，进而驱动耦合层8和振动板7一起做弯曲超声振动。
振动板7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，超声波能量沿振动板7的轴线方向在振动板7的前方传播，在振动板7前方形成高强度区域，大功率空气耦合超声振动换能器产生的声场强度所具有的风能可以将150mm远直径为15mm的蜡烛吹灭，以及可将50mm远100颗左右直径为5mm的泡沫全部吹散，并且可将50mm远的水面吹出一个直径约25mm深约15mm的水坑。
Claims (8)
1.一种大功率空气耦合超声振动换能器，其特征在于：该大功率空气耦合超声振动换能器包括螺栓、后盖板、压电陶瓷片、电极片、变幅杆、转换套筒、振动板和粘接在振动板上的耦合层，后盖板和变幅杆通过螺栓将依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和变幅杆联接夹紧，转换套筒设置在变幅杆的前端，振动板设置在转换套筒的前端，耦合层粘接在振动板的前端。
2.根据权利要求1所述的大功率空气耦合超声振动换能器，其特征在于：所述的转换套筒和变幅杆制造成一个整体零件。
3.根据权利要求1所述的大功率空气耦合超声振动换能器，其特征在于：所述的转换套筒焊接在变幅杆的前端。
4.根据权利要求1所述的大功率空气耦合超声振动换能器，其特征在于：所述的转换套筒通过螺纹联接在变幅杆的前端。
5.根据权利要求1-4中任一条所述的大功率空气耦合超声振动换能器，其特征在于：所述的振动板粘接在转换套筒的前端。
6.根据权利要求1-4中任一条所述的大功率空气耦合超声振动换能器，其特征在于：所述的振动板焊接在转换套筒的前端。
7.根据权利要求1-4中任一条所述的大功率空气耦合超声振动换能器，其特征在于：所述的耦合层的材料为泡沫塑料。
8.根据权利要求1-4中任一条所述的大功率空气耦合超声振动换能器，其特征在于：所述的耦合层的材料为环氧树脂。
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