CN107737709B - 双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器，该双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器包括压电陶瓷晶堆、外部金属块以及共享中心耦合金属块，且依次同轴连接，并在水平和垂直方向共同构成了十字形结构。本发明很大程度上解决了现有技术中的纵向振动夹心式压电超声换能器存在的功率容量较小、单向超声辐射及超声辐射面积较小的不足之处，同时具有双频、二维四向超声辐射等优点。

Description

双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器

技术领域

本发明涉及超声换能器技术领域，尤其是涉及一种双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器。

背景技术

功率超声是利用超声振动能量来改变物质组织的结构、状态、功能或加速这些改变的过程。与其它处理技术比较，功率超声技术常能大幅度提高处理速度和效率，提升处理质量，完成一般技术难以完成的处理工作。在功率超声技术的应用中，超声换能器是超声处理设备的核心部件，其性能的好坏直接决定着功率超声的应用效果。目前，在功率超声领域，纵向振动夹心式压电超声换能器应用最为广泛，原因在于该类换能器具有结构简单、机电转换效率高、机械强度高及功率可调节等优点。

然而，随着功率超声技术的深入发展，特别是在废水处理、金属冶炼、中草药萃取、超声凝聚及超声加工领域中的广泛应用，对超声换能器的超声功率、超声强度、超声波辐射方向及声辐射面积提出了更高的要求。因此，传统的纵向振动夹心式压电超声换能器已不能满足功率超声技术发展的新需求，主要表现为:

1、受换能器的纵向尺寸(通常为半波长振子)、横向尺寸(小于四分之一波长)、散热以及组成材料的机械强度等限制，传统的单一纵向振动夹心式压电超声换能器的功率容量很难做的很大。

2、传统的纵向振动夹心式压电超声换能器存在超声辐射方向单一和声辐射面积较小等不足之处，必将制约其广泛应用。

基于此，本发明提供了一种双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器，很大程度上解决了上述技术问题，同时具有双频、二维四向超声辐射等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器，以解决现有技术中存在的传统的单一纵向振动夹心式压电超声换能器的功率容量较小，传统的纵向振动夹心式压电超声换能器存在超声辐射方向单一和声辐射面积较小的问题，且本发明提供的双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器，同时具有双频、二维四向超声辐射等优点，很大程度上解决了上述技术问题。

本发明提供的双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器，该双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器包括压电陶瓷晶堆、外部金属块以及共享中心耦合金属块；其中，

所述压电陶瓷晶堆包括左端压电陶瓷晶堆和右端压电陶瓷晶堆；

所述外部金属块包括外部左金属块、外部右金属块、外部上金属块以及外部下金属块；

所述外部左金属块、左端压电陶瓷晶堆、共享中心耦合金属块、右端压电陶瓷晶堆、外部右金属块在水平方向上依次同轴连接，形成一个半波长振子；

所述外部上金属块、共享中心耦合金属块和外部下金属块在垂直方向上依次同轴连接，形成另一半波长振子。

进一步地，所述左端压电陶瓷晶堆和右端压电陶瓷晶堆均由偶数片形状相同的环形压电陶瓷晶片叠放而成，任意相邻的两片所述环形压电陶瓷晶片之间均安装有环形金属电极片，位于顶端和底端的所述环形压电陶瓷晶片的外侧也分别安装有所述环形金属电极片；其中，

任意相邻的两片所述环形金属电极片分别连接极性相反的电极。

进一步地，所述共享中心耦合金属块为立方体结构或两短圆柱垂直交叉而成。

具体地，所述共享中心耦合金属块中心位置设置有用于使换能器与外部机械结构连接固定的贯通的螺纹孔。

具体地，所述外部左金属块、左端压电陶瓷晶堆和共享中心耦合金属块依次通过双头螺杆同轴连接，以对左端压电陶瓷晶堆施加预应力；

所述外部右金属块、右端压电陶瓷晶堆和共享中心耦合金属块依次通过双头螺杆同轴连接，以对右端压电陶瓷晶堆施加预应力。

进一步地，所述外部上金属块和外部下金属块通过双头螺杆与共享中心耦合金属块连接。

或者，所述外部上金属块、外部下金属块和共享中心耦合金属块为一体化成型结构。

具体地，所述外部金属块为圆柱形金属块。

或者，所述外部金属块为中心开孔的圆柱形金属块。

或者，所述外部金属块为圆锥形金属块。

本发明提供的双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器，具有如下优点：

1、本发明提供的双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器，利用泊松效应及耦合共振原理，实现水平方向和垂直方向两个半波长振子的二维耦合共振，并且这两个方向的半波耦合共振并不是相互独立的，而是通过共享中心耦合金属块相互联系的，具体表现为两种耦合振动方式：一种是当水平方向的半波长振子沿其纵向伸长时，垂直方向的半波长振子则沿其纵向缩短，反之亦然，由于两个方向的半波长振子振动相位相反，故这种振动形式称之为本发明所述换能器的一阶反相振动模态；另外一种是水平和垂直方向的半波长振子同时伸长或缩短，二者呈同相振动，这种振动形式称之为本发明所述换能器的一阶同相振动模态。

2、本发明提供的双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器具有反相和同相两种共振模态，且这两种模态对应的共振频率不同，因此本发明的换能器具有两个共振频率，可实现双频工作。

3、本发明提供的双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器采用两组压电陶瓷晶堆激励，具有较大的功率容量。

4、本发明提供的双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器，反相和同相两种共振模态均是一阶纵向振动模态，因此换能器无论在反相还是同向共振模态下工作时，均具有较高的电声转换效率，这与传统的夹心式纵向振动换能器采用一阶谐频和高阶谐频实现换能器的双频工作有本质区别(通常情况下换能器在高阶谐频下的电声转换效率远低于其一阶谐频下的电声转换效率)。

5、本发明提供的双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器，无论在反相还是同相共振模式下工作时，其四个方向均可作为超声输出端，不仅增大了超声辐射面积，同时实现了二维四向超声辐射。

上述设置，使得本发明具有双频工作、功率大、效率高和二维多方向超声辐射的优点，可广泛应用于超声加工、超声焊接、超声干燥、超声消泡、超声液体处理等领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器实施例一的结构示意图；

图2为本发明双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器一阶反相振动模态对应的振幅分布示意图；

图3为本发明双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器一阶同相振动模态对应的振幅分布示意图；

图4为本发明双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器实施例二的结构示意图；

图5为本发明双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器实施例三的结构示意图。

附图标记：

11-左端压电陶瓷晶堆； 12-右端压电陶瓷晶堆；

21-外部左金属块； 22-外部右金属块； 23-外部上金属块；

24-外部下金属块；

31-共享中心耦合金属块；32-螺纹孔；

41-左部预应力螺栓； 42-右部预应力螺栓； 43-上部连接螺栓；

44-下部连接螺栓。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器实施例一的结构示意图；图2为本发明双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器一阶反相振动模态对应的振幅分布示意图；图3为本发明双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器一阶同相振动模态对应的振幅分布示意图；图4为本发明双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器实施例二的结构示意图；图5为本发明双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器实施例三的结构示意图。

本发明提供的双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器，该双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器包括压电陶瓷晶堆、外部金属块以及共享中心耦合金属块31；其中，上述压电陶瓷晶堆包括左端压电陶瓷晶堆11和右端压电陶瓷晶堆12；上述外部金属块包括外部左金属块21、外部右金属块22、外部上金属块23以及外部下金属块24；上述外部左金属块21、左端压电陶瓷晶堆11、共享中心耦合金属块31、右端压电陶瓷晶堆12、外部右金属块22在水平方向上依次同轴连接，形成一个半波长振子；上述外部上金属块23、共享中心耦合金属块31和外部下金属块24在垂直方向上依次同轴连接，形成另一半波长振子。进一步地，上述左端压电陶瓷晶堆11和右端压电陶瓷晶堆12均由偶数片形状相同的环形压电陶瓷晶片叠放而成，任意相邻的两片环形压电陶瓷晶片之间均安装有环形金属电极片，位于顶端和底端的环形压电陶瓷晶片的外侧也分别安装有环形金属电极片；其中，任意相邻的两片环形金属电极片分别连接极性相反的电极。进一步地，上述共享中心耦合金属块31为立方体结构或两短圆柱垂直交叉而成。具体地，上述共享中心耦合金属块31中心位置设置有用于使换能器与外部机械结构连接固定的贯通的螺纹孔32。进一步地，上述外部左金属块21、左端压电陶瓷晶堆11和共享中心耦合金属块31依次通过双头螺杆同轴连接，以对左端压电陶瓷晶堆11施加预应力；上述外部右金属块22、右端压电陶瓷晶堆12和共享中心耦合金属块31依次通过双头螺杆同轴连接，以对右端压电陶瓷晶堆12施加预应力。具体地，上述外部上金属块23和外部下金属块24分别通过双头螺杆与共享中心耦合金属块31顶端、底端相连。或者，上述外部上金属块23、外部下金属块24和共享中心耦合金属块31为一体化成型结构。其中，双头螺杆也可以以螺栓代替，或为其他结构，在此就不一一说明。

对于超声振动体而言，一阶纵向振动具有电声转换效率高、位移振幅大等优点而应用最为广泛。本发明提供的双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器的一阶纵向振动由两个方向(水平和垂直方向)的一阶纵向振动复合而成，且这两个方向的一阶纵向振动并不是相互独立的，而是通过共享中心耦合金属块31的耦合振动形成了换能器整体的二维纵向耦合振动。由振动模态分析可知，该二维纵向耦合振动又包含两种振动模式的耦合：反相振动模式(如图2所示)和同相振动模式(如图3所示)。由图2可知，在反相振动模式下，双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器的水平方向的长度和垂直方向的长度均为半波长，水平和垂直方向的两端位移振幅最大，水平和垂直方向的交叉中心为位移振幅节点，沿换能器的水平和竖直对应的位置处位移振幅相反，即换能器在反相振动模式下振动时，构成换能器的水平和垂直方向的两部分之间一部分伸长时另一部分缩短，反之亦然，两部分之间呈反相振动。由图3可知，在同相振动模式下，双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器的水平方向的长度和垂直方向的长度同样为半波长，水平和垂直方向的两端位移振幅最大，水平和垂直方向交叉中心为位移振幅节点，沿换能器的水平和竖直对应的位置处位移振幅相同(两个方向的位移振幅曲线完全重合)，即换能器在同相振动模式下振动时，构成换能器的水平和垂直方向的两部分之间同时伸长或缩短，两部分之间呈同相振动。在实际应用中，当换能器应用于超声加工时，如超声切削、超声钻孔、超声焊接等，两种振动模式均可应用；当换能器应用于对气体或液体介质超声处理时，如超声干燥、超声消泡、超声污水处理等，为了避免反相振动时引起声波辐射在介质中出现“声短路”，同相振动模式更适合。

实施例一：

图1为本发明双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器实施例一的结构示意图。上述换能器主要包括压电陶瓷晶堆，外部金属块以及共享中心耦合金属块31，共享中心耦合金属块31上设有用于固定换能器的前后贯通的螺纹孔32以及左部预应力螺栓41，右部预应力螺栓42，上部连接螺栓43和下部连接螺栓44。上述压电陶瓷晶堆包括两组，分别为左端压电陶瓷晶堆11和右端压电陶瓷晶堆12，其中，左端压电陶瓷晶堆11和右端压电陶瓷晶堆12关于共享中心耦合金属块31为完全对称的结构。外部左金属块21、左端压电陶瓷晶堆11、共享中心耦合金属块31、右端压电陶瓷晶堆12和外部右金属块22从左到右依次排列，从而组成双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器的水平方向结构。水平方向各部分之间分别通过左部预应力螺栓41，右部预应力螺栓42连接在一起并分别对左端压电陶瓷晶堆11和右端压电陶瓷晶堆12施加一定的预应力，最佳预应力的大小通过理论计算并配合实验确定。外部上金属块23、共享中心耦合金属块31和外部下金属块24分别通过上部连接螺栓43和下部连接螺栓44紧密连接在一起，从而构成双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器的垂直方向结构。本实施例提供的双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器整体结构类似“两棒”垂直交叉而成，“两棒”的形状可以是圆形截面棒或是矩形截面棒，且“两棒”的长度需要满足半波长，“两棒”的横向尺寸不大于四分之一波长。

实施例二：

图4为本发明双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器实施例二的结构示意图。在本实施例中，与实施例一提供的换能器结构大致相似，在实施例一的基础上，区别是外部左金属块21、外部右金属块22、外部上金属块23和外部下金属块24设计为变截面的圆锥形结构，该种结构虽然与实施例一的换能器相比，输出端辐射面积较小，但是具有更大的位移振幅和超声辐射强度，因此可用于高强超声应用的场合。

实施例三：

图5为本发明双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器实施例三的结构示意图。在本实施例中，与实施例一提供的换能器结构大致相似，在实施例一的基础上，不同的是，外部上金属块23和外部下金属块24的中心设有锥形孔，且外部上金属块23和外部下金属块24与共享中心耦合金属块31为一体式结构设计，从而避免了各部分连接面之间的超声传输损失。本实施例中，外部上金属块23和外部下金属块24的中心孔也可以设计成其他形状的孔，比如指数形、悬链线形等，但是无论采用何种形状的孔，都应该保证外部上金属块23和外部下金属块24的输出端横截面的面积由靠近共享中心耦合金属块31的一端向远离共享中心耦合金属块31的一端逐渐变小，从而起到放大换能器位移振幅的作用，使得外部上金属块23和外部下金属块24的输出端具有更强的超声辐射强度。本实施例换能器的工作原理和实施例一和实施例二完全相同，但本实施例主要以外部上金属块23和外部下金属块24作为超声辐射端，可实现对两个环形部件同时在两个方向进行超声焊接，从而大大提高了传统的单向超声焊接的效率。此外，由于本发明双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器具有反相和同相两种振动模态，因此本实施例用于环形部件的超声焊接时具有两个工作频率，可实现双频双向超声焊接。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器，其特征在于，包括压电陶瓷晶堆、外部金属块以及共享中心耦合金属块；其中，

所述压电陶瓷晶堆包括左端压电陶瓷晶堆和右端压电陶瓷晶堆；

所述外部金属块包括外部左金属块、外部右金属块、外部上金属块以及外部下金属块；

所述外部左金属块、左端压电陶瓷晶堆、共享中心耦合金属块、右端压电陶瓷晶堆、外部右金属块在水平方向上依次同轴连接，形成一个半波长振子；

所述外部上金属块、共享中心耦合金属块和外部下金属块在垂直方向上依次同轴连接，形成另一半波长振子。

2.根据权利要求1所述的双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器，其特征在于，所述左端压电陶瓷晶堆和右端压电陶瓷晶堆均由偶数片形状相同的环形压电陶瓷晶片叠放而成，任意相邻的两片所述环形压电陶瓷晶片之间均安装有环形金属电极片，位于顶端和底端的所述环形压电陶瓷晶片的外侧也分别安装有所述环形金属电极片；其中，

任意相邻的两片所述环形金属电极片分别连接极性相反的电极。

3.根据权利要求2所述的双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器，其特征在于，所述共享中心耦合金属块为立方体结构或两短圆柱垂直交叉而成。

4.根据权利要求3所述的双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器，其特征在于，所述共享中心耦合金属块中心位置设置有用于使换能器与外部机械结构连接固定的贯通的螺纹孔。

5.根据权利要求4所述的双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器，其特征在于，所述外部左金属块、左端压电陶瓷晶堆和共享中心耦合金属块依次通过双头螺杆同轴连接，以对左端压电陶瓷晶堆施加预应力；

所述外部右金属块、右端压电陶瓷晶堆和共享中心耦合金属块依次通过双头螺杆同轴连接，以对右端压电陶瓷晶堆施加预应力。

6.根据权利要求5所述的双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器，其特征在于，所述外部上金属块和外部下金属块通过双头螺杆与共享中心耦合金属块连接。

7.根据权利要求5所述的双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器，其特征在于，所述外部上金属块、外部下金属块和共享中心耦合金属块为一体化成型结构。

8.根据权利要求1所述的双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器，其特征在于，所述外部金属块为圆柱形金属块。

9.根据权利要求1所述的双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器，其特征在于，所述外部金属块为中心开孔的圆柱形金属块。

10.根据权利要求1所述的双激励二维纵向耦合振动夹心式压电超声换能器，其特征在于，所述外部金属块为圆锥形金属块。

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