CN103433169B - 一种高斯复合形角的中频超声雾化喷头及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高斯复合形角的中频超声雾化喷头的设计方法及依据该方法设计的高斯复合形角的中频超声雾化喷头。所述的设计方法具体为：根据恒应变的特定要求，推导出相应的截面变化规律，设计超声雾化喷头变幅杆部分，然后设计和变幅杆匹配的换能器部分，最后得到应力分布均匀和高振幅的超声雾化喷头；本发明还公开一种高斯复合形角的中频超声雾化喷头，它是由换能器、高斯复合形角的变幅杆组成。其应力沿杆的轴向分布是均匀的，即没有极大值存在，所以随着变幅杆的形状因数的提高，在输出端得到较大的振幅。

Description

一种高斯复合形角的中频超声雾化喷头及其设计方法

技术领域

本发明是用于工农业领域的一种超声雾化器，尤其涉及超声雾化器的结构设计方法及其采用该设计方法的超声雾化喷头。

背景技术

超声雾化是指利用电子高频震荡，通过陶瓷雾化片的高频谐振，将液态水分子结构打散而产生自然飘逸的水雾，不需加热或添加任何化学试剂。目前超声雾化喷头的变幅杆的主要形状有圆锥形、指数形、悬链形、贝塞尔形和阶梯形等。圆锥形变幅杆，结构简单，易于设计和制造，但是它的放大系数低；指数形和悬链形变幅杆具有光滑的应力分布，但是它的放大系数低；阶梯形变幅杆具有高的放大系数，但是也具有高的应力集中，容易折断。由于变幅杆中的最大质点振动速度与杆中的最大应力成正比，所以变幅杆输出端所能达到的振动速度常常受到变幅杆材料所能承受的应力，即疲劳强度所限制。因而考虑到高斯复合形变幅杆的应力沿杆的轴向分布是均匀的，即没有极大值存在，故而随着变幅杆的形状因数的提高，就可能在输出端得到很大的振动速度，故选择高斯复合形变幅杆。

目前超声雾化器有低频(工作频率介于20kHz-80kHz)和高频（工作频率大于1MHz）之分。低频超声雾化器(工作频率在20kHz和80kHz之间)有稳定的雾化量，可靠性高，但由于它的雾滴偏大（雾滴直径在30μm和100μm之间)，雾滴尺寸很难调节。高频雾化器一般指工作频率大于1MHz的雾化器，其结构尺寸一般较小，雾滴细，但是它具有工作可靠性差，功率小，雾滴大小难以控制，工况稳定性差等缺点；根据雾滴大小的计算公式：

$d_p=0.34{\left(\frac{8\mathrm{\π\σ}}{{\mathrm{\ρf}}^2}\right)}^{1/3}---\left(4\right)$

式中：σ为表面张力系数，ρ为液体密度，f为声波频率，d_p为雾滴的直径。由公式（4）知，在雾化液一定的情况下，随着频率f的提高，雾滴的直径变小，因而提出一种频率介于两者之间的中频超声雾化喷头,该喷头能产生超细雾滴。

发明内容

本发明提供了一种高斯复合形角的中频超声雾化喷头的设计方法及依据该方法设计的高斯复合形角的中频超声雾化喷头，以解决现有的高频超声雾化器工作可靠性差、功率小、工况稳定性差和低频超声雾化器的雾滴偏大（雾滴直径在30μm和100μm之间)；阶梯形变幅杆具有高的放大系数，但是也具有高的应力集中，容易折断等不足。

本发明的高斯复合形角的中频超声雾化喷头的设计方法，该设计方法的步骤包括：根据需要选择超声雾化喷头的变幅杆长度L、频率F；根据高斯复合形变幅杆的振动形式建立它的波动方程式中：S是变幅杆的横截面积，k是变幅杆材料对应的波数，其中k＝ω/c，ω是变幅杆的固有频率，c是变幅杆材料的纵波速度。

根据高斯复合形角变幅杆的边界条件，基于数值方法，求解超声变幅杆的波动方程。在x=0处令S=S₀（变幅杆大端的横截面积），则变幅杆的截面变化规律：

$S=S_0{e}^{-\frac{1}{2}{\left(\mathrm{kx}\right)}^2}$

当变幅杆是圆形截面时，其直径的变化规律：

$D=D_0=e^{-\frac{1}{4}{\left(\mathrm{kx}\right)}^2}$

通过求解波动方程，得到高斯复合形角变幅杆的2-D轮廓，把该轮廓通过绕其对称中心轴回转得到高斯复合形角变幅杆的3-D模型；

在高振幅的一端用四分之一波长的高斯型变幅杆；在低振幅端可以采用四分之一波长的圆柱形变幅杆，两者组合成复合高斯形曲线变幅杆。当低振幅端采用圆柱形，则圆柱形长度L₁:

$L_1=\frac{c}{4F}$

基于本发明的一种高斯复合形角的中频超声雾化喷头的设计方法，所涉及的高斯复合形角的中频超声雾化喷头，包括：由超声换能器、高斯复合形角变幅杆组成。

所述高斯复合形角变幅杆由圆柱形变幅杆和高斯型变幅杆复合而成，高振幅的一端用四分之一波长的高斯型变幅杆；在低振幅端可以采用四分之一波长的圆柱形变幅杆。

所述超声换能器由换能器前盖板、换能器后盖板组成，换能器前盖板与高斯形角变幅杆连接，换能器前盖板与换能器后盖板之间设有压电陶瓷，所述压电陶瓷之间设有薄电极。

所述高斯形角变幅杆的底端设有垂直于变幅杆的进液口，所述变幅杆的内部设有沿杆向分布的出液口。

应力沿杆的轴向分布均匀，随着变幅杆的形状因数的提高，即没有极大值存在，在变幅杆输出端得到较大的振幅。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明：

图1是高斯复合形角的中频超声雾化喷头的原理图。

图2是高斯复合形角变幅杆的2-D轮廓图。

图3是高斯复合角形角变幅杆的CAD图。

图4是高斯复合形角变幅杆的2-D轮廓图的具体坐标表。

图1中：1.高斯复合形变幅杆；2.进液口；3.前盖板；4.绝缘套；5.薄电极；6.锥形弹簧垫圈；7.紧固螺钉；8.后盖板；9.压电陶瓷；10.出液口。

图3中:1.出液口；2.出液口；3.高斯复合形角变幅杆。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图1所示，为本发明的高斯复合形角的中频超声雾化喷头的原理图。由超声换能器、高斯复合形角变幅杆1组成。

所述高斯复合形角变幅杆1由圆柱形变幅杆和高斯型变幅杆复合而成，高振幅的一端用四分之一波长的高斯型变幅杆；在低振幅端可以采用四分之一波长的圆柱形变幅杆。

所述超声换能器由换能器前盖板3、换能器后盖板8组成，换能器前盖板3与高斯形角变幅杆1连接，换能器前盖板3与换能器后盖板8之间设有压电陶瓷9，所述压电陶瓷9之间设有薄电极5。所述压电陶瓷9套设在绝缘套4上。

所述高斯形角变幅杆1的底端设有垂直于变幅杆的进液口2，所述变幅杆的内部设有沿杆向分布的出液口10。

所述的超声换能器前盖板3与超声换能器后盖板8通过紧固螺钉7固定，所述的紧固螺钉7与换能器后盖板8上连接有锥形弹簧垫圈6。

应力沿杆的轴向分布均匀，随着变幅杆的形状因数的提高，即没有极大值存在，在变幅杆输出端得到较大的振幅。

根据要求设定超声雾化喷头的变幅杆长度L=26mm和谐振频率F=100KHz。然后根据高斯复合形变幅杆的振动形式，写出变幅杆的波动方程为：

$A\left(x\right)\frac{{\∂}^2}{{\∂t}^2}{u}_x=V_a^2\frac{\∂}{\∂x}\left(A\left(x\right)\frac{\∂}{\∂x}{u}_x\right)---\left(1\right)$

式中：Va指波速，Y是变幅杆材料的杨氏模量，ρ是变幅杆材料的密度。当要求应力沿杆的轴向分布是均匀的（与坐标x无关时），上式可化简为

$\frac{\∂}{\∂x}\left(\ln S\right)={-k}^{2}x---\left(2\right)$

式中：S是变幅杆的横截面积，k是变幅杆材料对应的波数，其中k＝ω/c，ω是变幅杆的固有频率，c是变幅杆材料的纵波速度。

在x=0处令S=S₀（变幅杆大端的横截面积），则变幅杆的截面变化规律：

$S=S_0{e}^{-\frac{1}{2}{\left(\mathrm{kx}\right)}^2}---\left(3\right)$

当变幅杆是圆形截面时，其直径的变化规律：

$D=D_0{e}^{-\frac{1}{4}{\left(\mathrm{kx}\right)}^2}---\left(4\right)$

如图2所示，在高振幅的一端用四分之一波长的高斯形变幅杆，以避免应力分布不均匀，图2中：横坐标x代表变幅杆的位移变量，纵坐标D(x)代表变幅杆的任意截面积对应的直径。图2的具体坐标值被描述在表1中。

如图3所示，在低振幅端可以采用四分之一波长的圆柱形变幅杆，两者组合成高斯复合形角变幅杆。当低振幅端采用圆柱形，则圆柱形的长度L₁为:

$L_1=\frac{c}{4F}---\left(5\right)$

Claims (1)

1.一种高斯复合形角的中频超声雾化喷头的设计方法，其特征在于，设计方法按下列步骤进行：根据要求设定超声雾化喷头的变幅杆长度L和谐振频率F，然后根据高斯复合形角变幅杆的振动形式，即要求应力沿杆的轴向分布是均匀的，得到波动方程：

式中：S是变幅杆的横截面积，k是变幅杆材料对应的波数，其中k＝/c，是变幅杆的固有频率，c是变幅杆材料的纵波速度；

在x＝0处令S＝S₀(变幅杆大端的横截面积)，则变幅杆的截面变化规律：

当变幅杆是圆形截面时，其直径的变化规律：

在高振幅的一端用四分之一波长的高斯型变幅杆；在低振幅端可以采用四分之一波长的圆柱形变幅杆，两者组合成复合高斯形曲线变幅杆。当低振幅端采用圆柱形，则圆柱形长度L₁: