CN104014473B - 一种大振幅夹心式压电超声复合换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能在纵向产生大位移振幅的压电超声复合换能器，尤其适用于超声粉碎、超声乳化、超声降解等液态高强超声处理技术领域。为达到所述效果，本发明一种大振幅夹心式压电超声复合换能器，包括纵向振动夹心式压电超声换能器、纵向振动变截面金属管形聚能器和弯曲振动金属圆盘。由于采用了所述技术方案，本发明一种大振幅夹心式压电超声复合换能器比传统的压电超声换能器具有更大的位移振幅和超声辐射强度，并且改善了换能器和负载液体之间的阻抗匹配，使超声能量更有效地由超声换能器向负载传输，提高了换能器的超声辐射效率。

Description

一种大振幅夹心式压电超声复合换能器

技术领域

本发明涉及一种压电超声换能器，特别涉及一种能在纵向产生大位移振幅的夹心式压电超声复合换能器。

背景技术

大功率超声在超声液体处理领域具有广阔的应用前景，例如超声清洗、超声中草药萃取、超声乳化、超声污水处理、生物柴油提取及声化学等。所有这些技术得以实现的保障是要求超声换能器具有大功率、高效率、高移振幅及稳定可靠性。目前由于夹心式压电换能器具有功率容量大、结构简单等优点被广泛应用于各种超声技术领域。但是在高强超声应用场合，由于传统的夹心式压电超声换能器的输出端位移振幅只能达到5～10左右，这样的位移振幅很难达到高强超声液体处理所需的超声空化强度，因此需要在换能器的输出端连接放大其位移振幅的机械装置——超声变幅杆（也称超声聚能器），二者共同组成一种复合结构夹心式压电超声换能器（即夹心式压电超声复合换能器）。传统的超声变幅杆是由输入端截面大于输出端截面的变截面棒组成，根据变截面棒的侧面变化形状结构可分为圆锥形变幅杆、指数形变幅杆、悬链线形变幅杆、阶梯形变幅杆以及复合变幅杆等。对于上述由变截面棒组成的超声变幅杆，其放大系数（指变幅杆工作在共振频率时输出端与输入端的位移振幅的比值）与其面积系数（指变幅杆的输入端与输出端的截面积比值）密切相关，面积系数越大，放大系数越大。因此在实际应用中为了提高夹心式压电超声复合换能器的位移振幅及超声辐射强度，变幅杆仅有很小的面积辐射超声波，这将大大的限制了超声换能器的超声作用范围。众所周知，超声换能器的声辐射功率为：，其中为被处理液体（声负载）的密度，为液体中的声速，为换能器的振动圆频率，为超声换能器的输出端位移振幅，为超声换能器的输出端有效超声辐射面积。由此可知，在一定的工作频率和负载条件下，超声换能器的声辐射功率与其输出端位移振幅的平方成正比，与换能器的输出端有效超声辐射面积成正比。可见，对于大功率超声液体处理领域，要提高换能器的超声辐射效率，夹心式压电超声复合换能器的设计要兼顾振幅增益和有效声辐射面积两个要素。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高位移振幅、高辐射效率、特别适合于液体超声处理的大振幅夹心式压电超声复合换能器。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种大振幅夹心式压电超声复合换能器，包括夹心式压电超声换能器、变截面金属管形聚能器和弯曲振动金属圆盘三部分。

在本发明所述的夹心式压电超声复合换能器中，所述变截面金属管形聚能器由金属圆棒的外侧面沿轴向加工成特定的形状和其内部沿轴向加工特定形状的中心通孔而成，中心通孔及外侧面的特定形状是阶梯形、圆锥形、指数形、悬链线形、余弦形或它函数形状中的一种。通过选择中心通孔及外侧面的合适形状变化参数，实现变截面金属管形聚能器沿其轴向的截面积变化，达到聚能的目的。事实上，变截面金属管形聚能器对夹心式压电超声换能器的位移振幅放大倍数除了与聚能器的面积系数有关外，还与变截面金属管形聚能器的外侧面及其中心通孔的形状密切相关。因此，在实际应用中，当变截面金属管形聚能器的输入、输出端截面积一定的情况下，通过选择合适的外侧面及中心通孔的变化形状参数，可实现聚能器能量输出的最大化。

优选的，所述的夹心式压电超声换能器的前盖板与变截面金属管形聚能器采用一体式结构设计，这样的连接可以避免换能器的前盖板与变截面金属管形聚能器之间形成接触面，避免了超声能量在接触面之间的损失。

优选的，在变截面金属管形聚能器的输出端连接一定厚度的金属圆盘。这样的结构设计可以增大夹心式压电超声复合换能器超声辐射面积。

优选的，所述的夹心式压电超声换能器和变截面金属管形聚能器均设计于其纵向基频振动模式下，金属圆盘设计于一阶弯曲振动模式下。夹心式压电超声换能器的纵向振动驱动变截面金属管形聚能器的纵向振动，且变截面金属管形聚能器放大了夹心式压电超声换能器的纵向位移振幅；同时，变截面金属管形聚能器激发金属圆盘的一阶弯曲振动，通过纵-弯振动模式转换，金属圆盘的弯曲振动进一步放大了变截面金属管形聚能器输出端的纵向位移振幅，由此实现夹心式压电超声复合换能器的纵-弯大振幅复合振动工作特性。

上述技术方案的夹心式压电超声复合换能器的优点在于：

（1）本发明一种大振幅夹心式压电超声复合换能器采用纵向振动夹心式压电超声换能器及变截面金属圆管推动金属圆盘，利用振动模式的转换将夹心式压电超声换能器及变截面金属圆管的纵向振动转换为金属圆盘的轴对称弯曲振动，实现金属圆盘向夹心式压电超声复合换能器纵向辐射超声波。

（2）本发明在金属圆盘和纵向激发夹心式压电超声换能器之间设置变截面金属管形聚能器，不仅起到放大换能器纵向激发位移振幅的作用，同时根据实际应用的需要实现放大或缩小换能器输出端径向尺寸的功能。在满足变截面管形聚能器的输入端截面积大于其输出端截面积的条件下，当变截面管形聚能器的输出端径向尺寸设计的大于其输入端径向尺寸时，可在变截面管形聚能器的输出端连接径向尺寸较大的金属圆盘作为声辐射面，由此可实现金属圆盘获得较大位移振幅的同时有效地增大了换能器的超声辐射面积，从而有效地提高了换能器的超声辐射功率。

（3）本发明在变截面金属管形聚能器的输出端连接一定厚度的弯曲振动金属圆盘，通过调整金属圆盘的厚度使其一阶轴对称弯曲共振频率与夹心式压电换能器及变截面金属管形聚能器的纵向共振频率相同，利用纵-弯振动模式转换，实现夹心式压电换能器、变截面管形聚能器和金属圆盘三者之间的同频共振，并且通过纵-弯振动模式转换，金属圆盘的弯曲振动进一步放大了变截面管形聚能器的输出端位移振幅。因此，通过变截面管形聚能器和弯曲振动圆盘的两次位移振幅放大，实现本发明夹心式压电超声复合换能器的大振幅工作特性。进一步地，弯曲振动金属圆盘同时可实现理想的声阻抗匹配，从而有效地提高了换能器的超声辐射效率。

（4）本发明一种大振幅夹心式压电超声复合换能器如果仅由夹心式压电超声换能器和变截面金属管形聚能器两部分构成，可应用于一些高强超声技术领域，如环形塑料部件的超声焊接、超声钻孔等。

上述技术方案的一种大振幅夹心式压电超声复合换能器尤其适用于液态高强超声处理技术领域，如超声粉碎、超声乳化、超声降解以及超声化学。

附图说明

图示意了本发明的一种大振幅夹心式压电超声复合换能器基本结构及工作原理。

1：纵向振动夹心式压电超声换能器；2：纵向振动变截面金属管形聚能器；3：弯曲振动金属圆盘。A1：夹心式压电超声换能器的纵向位移振幅分布曲线；A2：变截面金属管形聚能器的纵向位移振幅分布曲线；A3：金属圆盘弯曲振动位移振幅分布曲线。

图1是本发明的第1实施例的示意图。

图2是本发明的第2实施例的示意图。

图3是本发明的第3实施例的示意图。

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。

本发明提供了一种大振幅夹心式压电超声复合换能器。如图1～3所示，该复合换能器由夹心式压电超声换能器1、变截面金属管形聚能器2和金属圆盘3三部分构成。夹心式压电超声换能器1的前盖板与变截面金属管形聚能器2采用一体式结构设计，该结构可避免夹心式压电超声换能器1的前盖板与变截面金属管形聚能器2之间形成接触面，有效避免了超声能量在接触面之间的传输损失。变截面金属管形聚能器2的输入端截面积大于输出端截面积，从而保证变截面金属管形聚能器2具有较大的面积系数和放大系数，实现聚能的作用；在满足变截面金属管形聚能器2的输入端面积大于其输出端面积的前提下，变截面金属管形聚能器2的输出端径向尺寸可以设计的大于、等于或小于其输入端径向尺寸（分别如图1、图2和图3所示）。变截面金属管形聚能器2的放大系数除了与其面积系数有关外，还与其内外侧面形状变化函数密切相关，根据实际应用需求，变截面金属管形聚能器2的内、外侧面沿其轴向的形状变化可设计成阶梯形、圆锥形、指数形、悬链线形、余弦形和其它函数变化形状等，当变截面金属管形聚能器2的面积系数确定后，通过合理的选择内、外侧面形状变化函数，可实现其放大系数的最大化，从而达到最佳的聚能效果。在变截面金属管形聚能器2的输出端连接金属圆盘3，金属圆盘3的直径和变截面金属圆管的外直径相同，二者的连接方式可通过粘接剂粘接、螺纹连接或螺钉连接在一起。上述粘接剂可以是美国AB4030混合型超声波振子胶水、TG528胶等。

该夹心式压电超声复合换能器在工作时，利用振动模式的转换，通过合理设计夹心式压电换能器1、变截面金属管形聚能器2和金属圆盘3的结构及尺寸参数，使金属圆盘3的一阶轴对称弯曲共振频率与夹心式压电换能器1和变截面金属管形聚能器2的纵向共振频率一致。夹心式压电换能器1的纵向振动经变截面金属管形聚能器2放大并激发金属圆盘3的一阶轴对称弯曲振动。经过纵-弯振动模式转换，金属圆盘3的弯曲振动进一步放大了变截面金属管形聚能器2输出端的纵向位移振幅。因此，通过变截面金属管形聚能器2和弯曲振动金属圆盘3的两次位移振幅放大，实现本发明夹心式压电超声复合换能器的大振幅工作特性。进一步地，弯曲振动金属圆盘3同时可实现理想的声阻抗匹配，从而有效地提高了换能器的超声辐射效率。图1~3中用A1、A2和A3表示该压电超声复合换能器在工作时其各组成部分的位移振幅分布，其中A1表示夹心式压电换能器1纵向振动的位移振幅分布曲线，A2表示变截面金属管形聚能器2纵向振动的位移振幅分布曲线，A3表示金属圆盘3轴对称弯曲振动位移振幅分布曲线。由此可以看出，夹心式压电换能器1的长度等于超声波等效波长的1/2长度（即夹心式压电换能器为半波振子），变截面金属管形聚能器2同样为半波振子，且夹心式压电换能器1的纵向位移振幅经变截面金属管形聚能器2后实现了放大；夹心式压电换能器1及变截面金属管形聚能器2的纵向振动激发金属圆盘3的轴对称弯曲共振，从而实现三者的纵-弯复合共振。

实施例1

如图1所示，是本发明的第1实施例的示意图。在本实施例中，变截面金属管形聚能器2的输出端径向尺寸设计的大于其输入端径向尺寸，其目的是在变截面管形聚能器的输出端连接径向尺寸较大的金属圆盘3作为声辐射面，从而有效地增大了夹心式压电换能器1的超声辐射面积，且改善了换能器和负载液体之间的阻抗匹配，使超声能量由超声换能器更有效地向负载传输，提高了换能器的超声辐射效率；同时，夹心式压电换能器1的纵向位移振幅经变截面金属管形聚能器2和金属圆盘3的两次位移放大，有效提高了本发明的夹心式压电超声复合换能器的位移振幅和超声辐射强度。

实施例2

如图2所示，是本发明的第2实施例的示意图。在本实施例中，变截面金属管形聚能器2的输出端径向尺寸等于其输入端径向尺寸，变截面金属管形聚能器2的外侧面径向尺寸恒定不变，内侧面呈锥形变化。该结构较之图1所示换能器虽然并未增大夹心式压电换能器1的超声辐射面积，但同样可改善换能器和负载液态之间的阻抗匹配，有效提高了本发明的夹心式压电超声复合换能器的位移振幅和超声辐射强度。

实施例3

如图3所示，是本发明的第3实施例的示意图。在本实施例中，变截面金属管形聚能器2的输出端径向尺寸小于其输入端径向尺寸，该种结构设计虽然较之图1和图2所示的换能器其超声辐射面积更小，但是该种结构换能器的变截面金属管形聚能器2具有更大的面积系数及放大系数，因此换能器具有更大的位移振幅和超声辐射强度。

以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (2)

1.一种大振幅夹心式压电超声复合换能器，有：夹心式压电超声换能器（1）、输入端横截面大于输出端横截面的变截面金属管形聚能器（2）和金属圆盘（3），其特征在于：

A．所述变截面金属管形聚能器（2）内部沿轴向方向为空心，所述输入端横截面大于输出端横截面的变截面金属管形聚能器（2）和夹心式压电超声换能器（1）的前盖板采用一体式结构加工而成；

B．所述输入端横截面大于输出端横截面的变截面金属管形聚能器（2）的输出端径向尺寸等于或小于其输入端径向尺寸；变截面金属管形聚能器（2）的内侧面和外侧面沿其轴向形状变化可设计成阶梯形、圆锥形、指数形、悬链线形、余弦形以及其它函数变化形状中的一种，在保证变截面金属管形聚能器（2）的输入端横截面大于输出端横截面的前提下，通过合理的选择其内侧面和外侧面的形状变化函数可实现变截面金属管形聚能器（2）具有较大的放大系数，从而达到最佳的聚能效果；夹心式压电超声换能器（1）、变截面金属管形聚能器（2）的长度均等于信号源等效波长的一半；

C．所述金属圆盘（3）与变截面金属管形聚能器（2）的输出端连接在一起，其连接方式可采用粘接剂连接、设置螺纹连接或螺钉连接在一起；

所述夹心式压电超声换能器（1）工作于一阶纵向振动模式下，变截面金属管形聚能器（2）工作于一阶纵向振动模式下，金属圆盘（3）工作于一阶轴对称弯曲振动模式下，且夹心式压电超声换能器（1）、变截面金属管形聚能器（2）和金属圆盘（3）的振动频率相同。

2.根据权利要求1所述的大振幅夹心式压电超声复合换能器，其特征在于：所述夹心式压电超声换能器（1）、变截面金属管形聚能器（2）两部件组合；或将夹心式压电超声换能器（1）、变截面金属管形聚能器（2）、金属圆盘（3）这三部件组合。