CN107755230A - 声场可控的大功率超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种声场可控的大功率超声换能器，该声场可控的大功率超声换能器包括依次相连的超声频电源、信号延迟系统、多通道功率放大器和线阵列复合驱动压电超声管形换能器。本发明经信号延迟系统将超声频电源提供的振荡电压分为若干具有一定相位差的多通道信号，多通道功率放大器再将各通道信号进行放大，并激励各复合驱动压电超声管形换能器单元，通过改变激励信号的相位差而实现声场的动态调控，克服了单个纵向振动夹心式压电超声换能器功率容量有限、声辐射效率低、声波作用范围小、声场无法调控等不足，能够在检测超声、功率超声、医学超声等应用领域对三维空间圆环形声场聚焦区域大小、聚焦圆环半径以及焦点在轴向的位置进行实时调控。
Description
技术领域
本发明涉及超声换能器技术领域，尤其是涉及一种声场可控的大功率超声换能器。
背景技术
随着超声技术的不断创新，应用水平的不断提高，功率超声在工农业生产、医疗卫生、生物制药以及食品加工等领域获得了广泛的应用。超声换能器作为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，超声处理设备中应用较为广泛的换能器为纵向振动夹心式压电换能器。因为此类换能器的结构简单，性能稳定，且具有功率容量大和机电转换效率高等优点。可是随着高新技术产业的不断发展，人类生存环境质量以及物质要求的提高，生产和生活所用的功率超声处理设备对其换能器的功率容量、声辐射效率、声波作用范围等提出了更高的要求。而且单个纵向振动夹心式压电超声换能器存在功率容量有限、声辐射效率低，声波作用范围较小、声场无法调控等不足，已不能满足现有大功率超声在生产和生活中的需要。
鉴于此，本发明提供一种声场可控的大功率超声换能器，可对三维空间圆环形声场聚焦区域大小、聚焦圆环半径以及焦点在轴向的位置进行实时调控，很大程度上解决了上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供声场可控的大功率超声换能器，以解决现有技术中存在的单个纵向振动夹心式压电超声换能器功率容量有限、声辐射效率低、声波作用范围小、声场无法调控等技术问题，且本发明提供的声场可控的大功率超声换能器，经信号延迟系统将超声频电源提供的振荡电压分为若干具有一定相位差的多通道信号，多通道功率放大器再将各通道信号进行放大，并激励各复合驱动压电超声管形换能器单元，通过改变激励信号的相位差而实现声场的动态调控，能够在检测超声、功率超声、医学超声等应用领域对三维空间圆环形声场聚焦区域大小、聚焦圆环半径以及焦点在轴向的位置进行实时调控。
本发明提供的声场可控的大功率超声换能器，该声场可控的大功率超声换能器包括超声频电源、信号延迟系统、多通道功率放大器以及线阵列复合驱动压电超声管形换能器；
所述超声频电源、信号延迟系统、多通道功率放大器以及线阵列复合驱动压电超声管形换能器之间依次通过电连接。
进一步地，所述复合驱动压电超声管形换能器通过多个复合驱动压电超声管形换能器单元沿竖直方向机械串联而成；其中，
所述复合驱动压电超声管形换能器单元顶端通过内丝或外丝与八字形金属盖板缝合而成，底端通过螺钉与圆形金属盖板相连。
进一步地，所述八字形金属盖板顶部设置有穿线孔，电缆通过所述穿线孔分别与多个复合驱动压电超声管形换能器单元相连。
进一步地，多个所述复合驱动压电超声管形换能器单元之间以及复合驱动压电超声管形换能器单元与八字形金属盖板、圆形金属盖板之间均设有防水密封圈。
进一步地，所述复合驱动压电超声管形换能器单元由外向内沿其径向依次设置有金属管壳体、至少三个外质量块、至少三组压电陶瓷晶堆、至少三个内质量块、由内质量块拼接形成的锥形孔以及与锥形孔配合的锥形弹性膨胀预应力螺栓；其中，
所述金属管壳体和外质量块对压电陶瓷晶堆施加向内预应力，所述内质量块和锥形弹性膨胀预应力螺栓对压电陶瓷晶堆施加向外预应力。
进一步地，任意相邻的两组所述压电陶瓷晶堆之间的夹角相等，且每组所述压电陶瓷晶堆由多个圆盘形的压电晶片以及多个电极片依次交错排列而成，且任意相邻的两个所述压电晶片的极化方向相反。
进一步地，每组所述压电陶瓷晶堆的压电晶片为偶数个，且电极片的数量比压电晶片的数量多一个。
进一步地，所述外质量块与压电晶片的接触面为正方形，且边长与压电晶片的直径相同，所述外质量块与金属管壳体接触端的表面曲率半径和所述金属管壳体的内径相等。
进一步地，所述外质量块、压电陶瓷晶堆与内质量块的数量均相同。
进一步地，所述锥形弹性膨胀预应力螺栓包括穿入锥形孔中的双头螺杆以及旋紧在双头螺杆上的锥形弹性膨胀体和六角形螺帽；其中，
所述锥形孔两侧以锥形孔为中心分别在双头螺杆上依次对称设置锥形弹性膨胀体和六角形螺帽。
本发明提供的声场可控的大功率超声换能器，具有如下优点：
1、本发明提供的声场可控的大功率超声换能器，将夹心式压电换能器纵向振动转化为驱动管形壳体的径向振动，简化了现有径向复合管形换能器的复杂结构，且提高了其功率容量和声辐射效率。采用锥形弹性膨胀预应力螺栓，协同外部金属管壳体对各组压电陶瓷晶堆施加足够的预应力，这样不仅大幅提高了管形换能器的功率容量，而且增强了换能器的径向刚度。此外，因为施加预应力装置与传统夹心式压电换能器的不同，故其压电陶瓷晶堆是由圆盘形的压电晶片堆叠而成。由于压电圆盘较传统的压电圆环有更大的体积，所以更进一步增大了换能器的功率容量。
2、本发明提供的声场可控的大功率超声换能器，由超声频电源提供振荡电压，经信号延迟控制系统按照特定的延迟法则将振荡电压分为若干具有不同相位差的多通道信号，各通道信号激励相对应的复合驱动压电超声管形换能器单元使其沿径向振动。根据惠更斯原理，各换能器单元产生的声波叠加产生新的波阵面，从而实现声场的聚焦及偏转，且形成的聚焦声场为一个圆环。通过调整各通道激励信号的相位差值，实现对三维空间聚焦声场的实时调控，从而改善了目前的线阵列、平面阵列以及球形或类球形聚焦阵列形成的直线或点区域的聚焦和偏转。
上述设置，使得本发明通过改变激励信号的相位差而实现声场的动态调控，克服了单个纵向振动夹心式压电超声换能器功率容量有限、声辐射效率低、声波作用范围小、声场无法调控等不足，能够在检测超声、功率超声、医学超声等应用领域对三维空间圆环形声场聚焦区域大小、聚焦圆环半径以及焦点在轴向的位置进行实时调控。
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为本发明实施例提供的声场可控的大功率超声换能器的系统图；
图2为基于图1的本发明实施例提供的复合驱动压电超声管形换能器的结构示意图；
图3为基于图2的本发明实施例提供的复合驱动压电超声管形换能器单元的结构示意图；
图4为基于图3的本发明实施例提供的复合驱动压电超声管形换能器单元内部的结构示意图；
图5为基于图4的本发明实施例提供的锥形弹性膨胀预应力螺栓的结构示意图。
附图标记：
10-超声频电源；20-信号延迟系统；
30-多通道功率放大器；40-复合驱动压电超声管形换能器；
41-复合驱动压电超声管形换能器单元；42-八字形金属盖板；
43-圆形金属盖板；44-螺钉；
45-穿线孔；46-电缆；
47-密封圈；
411-金属管壳体；412-外质量块；
413-压电陶瓷晶堆；414-内质量块；
415-锥形孔；416-锥形弹性膨胀预应力螺栓；
4131-压电晶片；4132-电极片；
4161-双头螺杆；4162-锥形弹性膨胀体；
4163-六角形螺帽。
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为本发明实施例提供的声场可控的大功率超声换能器系统图；图2为基于图1的本发明实施例提供的复合驱动压电超声管形换能器的结构示意图；图3为基于图2的本发明实施例提供的复合驱动压电超声管形换能器单元的结构示意图；图4为基于图3的本发明实施例提供的复合驱动压电超声管形换能器单元内部的结构示意图；图5为基于图4的本发明实施例提供的锥形弹性膨胀预应力螺栓的结构示意图。
如图1所示，本发明提供的声场可控的大功率超声换能器，该声场可控的大功率超声换能器包括超声频电源10、信号延迟系统20、多通道功率放大器30以及线阵列复合驱动压电超声管形换能器40；上述超声频电源10、信号延迟系统20、多通道功率放大器30以及线阵列复合驱动压电超声管形换能器40之间依次通过电连接。
本发明实施例提供的声场可控的大功率超声换能器是由超声频电源10、信号延迟系统20、多通道功率放大器30、线阵列复合驱动压电超声管形换能器40连接构成。由超声频电源10提供振荡电压，经信号延迟系统20将输入的振荡电压分为若干具有相位差的多通道信号，多通道功率放大器30再将各通道信号进行放大激励线阵列复合驱动压电超声管形换能器40，通过改变激励信号的相位差达到声场的动态指向性和聚焦的效果。
更加具体地，下面针对本实施例中的复合驱动压电超声管形换能器40进行详细描述。
如图2所示，上述复合驱动压电超声管形换能器40通过多个复合驱动压电超声管形换能器单元41沿竖直方向机械串联而成；其中，上述复合驱动压电超声管形换能器单元41顶端通过内丝或外丝与八字形金属盖板42缝合而成，底端通过螺钉44与圆形金属盖板43相连。具体地，上述八字形金属盖板42顶部设置有穿线孔45，电缆46通过上述穿线孔45分别与多个复合驱动压电超声管形换能器单元41相连。多个上述复合驱动压电超声管形换能器单元41之间以及复合驱动压电超声管形换能器单元41与八字形金属盖板42、圆形金属盖板43之间均设有防水密封圈47。
进一步地，下面针对本实施例中的复合驱动压电超声管形换能器单元41进行详细描述。
如图3-4所示，上述复合驱动压电超声管形换能器单元41由外向内沿其径向依次设置有金属管壳体411、至少三个外质量块412、至少三组压电陶瓷晶堆413、至少三个内质量块414、由内质量块414拼接形成的锥形孔415以及与锥形孔415配合的锥形弹性膨胀预应力螺栓416；其中，上述金属管壳体411和外质量块412对压电陶瓷晶堆413施加向内预应力，上述内质量块414和锥形弹性膨胀预应力螺栓416对压电陶瓷晶堆413施加向外预应力。具体地，任意相邻的两组上述压电陶瓷晶堆413之间的夹角相等，且每组上述压电陶瓷晶堆413由多个圆盘形的压电晶片4131以及多个电极片4132依次交错排列而成，且任意相邻的两个上述压电晶片4131的极化方向相反。每组上述压电陶瓷晶堆413的压电晶片4131为偶数个，且电极片4132的数量比压电晶片4131的数量多一个。优选地，上述外质量块412与压电晶片4131的接触面为正方形，且边长与压电晶片4131的直径相同；外质量块412与金属管壳体411接触端的表面曲率半径和金属管壳体411的内径相等.具体地，上述外质量块412、压电陶瓷晶堆413与内质量块414的数量均相同。
更加具体地，下面针对本实施例中的锥形弹性膨胀预应力螺栓416进行详细描述。
如图5所示，上述锥形弹性膨胀预应力螺栓416包括穿入锥形孔415中的双头螺杆4161以及旋紧在双头螺杆4161上的锥形弹性膨胀体4162和六角形螺帽4163；其中，上述锥形孔415两侧以锥形孔415为中心分别在双头螺杆4161上依次对称设置锥形弹性膨胀体4162和六角形螺帽4163。上述设置，能够对压电陶瓷晶堆413增加内向预应力。
优选地，本实施例由八个复合驱动压电超声管形换能器单元41沿轴向机械串联而成，每个复合驱动压电超声管形换能器单元41包括四组压电陶瓷晶堆413，且四组压电陶瓷晶堆413呈十字形正交排列，每组压电陶瓷晶堆413由四片圆盘形的压电晶片4131和五片电极片4132交错排列而成，且相邻两个压电晶片4131的极化方向相反。锥形弹性膨胀预应力螺栓416由一对六角形螺帽4163、一对锥形弹性膨胀体4162和一个双头螺杆4161组成。将双头螺杆4161伸入由四个形状相同内质量块414构成的锥形孔415中，通过锥形弹性膨胀体4162、六角形螺帽4163和双头螺杆4161，协同金属管壳体411对四组压电陶瓷晶堆413施加内外双向的预应力。由超声频电源10提供振荡电压，经信号延迟系统20将输入的振荡电压分为若干具有相位差的多通道信号，多通道功率放大器30再将各通道信号进行放大激励各复合驱动压电超声管形换能器单元41产生振动，通过改变激励信号的相位差达到声场的动态指向性、聚焦、偏转的效果。为检测超声、功率超声、医学超声等应用领域提供了一种能够对圆环形声场聚焦区域大小、聚焦圆环半径以及焦点在轴向的位置进行调控的换能器，实现了圆环形三维空间中声场的扫描。
优选地，本实施例由八个复合驱动压电超声管形换能器单元41沿轴向机械串联而成，每个复合驱动压电超声管形换能器单元41由六组压电陶瓷晶堆413构成，相邻两组压电陶瓷晶堆413的夹角为60度，每组压电陶瓷晶堆413由两片圆盘形的压电晶片4131和三片电极片4132交错排列而成。通过锥形弹性膨胀体4162、六角形螺帽4163和双头螺杆4161，协同金属管壳体411对六组压电陶瓷晶堆413施加内外双向的预应力。
优选地，本实施例由十六个复合驱动压电超声管形换能器单元41沿轴向机械串联而成，每个复合驱动压电超声管形换能器单元41由四组压电陶瓷晶堆413呈十字形正交排列，每组压电陶瓷晶堆413由六片圆盘形的压电晶片4131和七片电极片4132交错排列而成，且相邻两个压电晶片4131的极化方向相反。通过锥形弹性膨胀体4162、六角形螺帽4163和双头螺杆4161，协同金属管壳体411对四组压电陶瓷晶堆413施加内外双向的预应力。
优选地，本实施例由十六个复合驱动压电超声管形换能器单元41沿轴向机械串联而成，每个复合驱动压电超声管形换能器单元41由六组压电陶瓷晶堆413构成，相邻两组压电陶瓷晶堆413的夹角为60度，每组压电陶瓷晶堆413由四片圆盘形的压电晶片4131和五片电极片4132交错排列而成。通过锥形弹性膨胀体4162、六角形螺帽4163和双头螺杆4161，协同金属管壳体411对四组压电陶瓷晶堆413施加内外双向的预应力。
优选地，本实施例由十六个复合驱动压电超声管形换能器单元41沿轴向机械串联而成，每个复合驱动压电超声管形换能器单元41由三组压电陶瓷晶堆413构成，相邻两组压电陶瓷晶堆413的夹角为120度，每组压电陶瓷晶堆413由六片圆盘形的压电晶片4131和七片电极片4132交错排列而成。通过锥形弹性膨胀体4162、六角形螺帽4163和双头螺杆4161，协同金属管壳体411对四组压电陶瓷晶堆413施加内外双向的预应力。
优选地，本实施例由三十二个复合驱动压电超声管形换能器单元41沿轴向机械串联而成，每个复合驱动压电超声管形换能器单元41由四组压电陶瓷晶堆413呈十字形正交排列，每组压电陶瓷晶堆413由四片圆盘形的压电晶片4131和五片电极片4132交错排列而成，且相邻两个压电晶片4131的极化方向相反。通过锥形弹性膨胀体4162、六角形螺帽4163和双头螺杆4161，协同金属管壳体411对四组压电陶瓷晶堆413施加内外双向的预应力。
此处需要说明的是，本发明的复合驱动压电超声管形换能器单元41沿轴向机械串联的个数、八字形金属盖板42、穿线孔45、圆形金属盖板43、金属管壳体411、锥形孔415、锥形弹性膨胀预应力螺栓416、内质量块414、压电晶片4131、电极片4132、外质量块412的尺寸可根据实际工程声场的需要进行选择。压电陶瓷晶堆413的组数以及每组压电陶瓷晶堆413中压电晶片4131的片数可根据功率的要求进行组合，在此就不一一说明。
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)
1.一种声场可控的大功率超声换能器，其特征在于，包括超声频电源、信号延迟系统、多通道功率放大器以及线阵列复合驱动压电超声管形换能器；
所述超声频电源、信号延迟系统、多通道功率放大器以及线阵列复合驱动压电超声管形换能器之间依次通过电连接。
2.根据权利要求1所述的声场可控的大功率超声换能器，其特征在于，所述复合驱动压电超声管形换能器通过多个复合驱动压电超声管形换能器单元沿竖直方向机械串联而成；其中，
所述复合驱动压电超声管形换能器单元顶端通过内丝或外丝与八字形金属盖板缝合而成，底端通过螺钉与圆形金属盖板相连。
3.根据权利要求2所述的声场可控的大功率超声换能器，其特征在于，所述八字形金属盖板顶部设置有穿线孔，电缆通过所述穿线孔分别与多个复合驱动压电超声管形换能器单元相连。
4.根据权利要求3所述的声场可控的大功率超声换能器，其特征在于，多个所述复合驱动压电超声管形换能器单元之间以及复合驱动压电超声管形换能器单元与八字形金属盖板、圆形金属盖板之间均设有防水密封圈。
5.根据权利要求4所述的声场可控的大功率超声换能器，其特征在于，所述复合驱动压电超声管形换能器单元由外向内沿其径向依次设置有金属管壳体、至少三个外质量块、至少三组压电陶瓷晶堆、至少三个内质量块、由内质量块拼接形成的锥形孔以及与锥形孔配合的锥形弹性膨胀预应力螺栓；其中，
所述金属管壳体和外质量块对压电陶瓷晶堆施加向内预应力，所述内质量块和锥形弹性膨胀预应力螺栓对压电陶瓷晶堆施加向外预应力。
6.根据权利要求5所述的声场可控的大功率超声换能器，其特征在于，任意相邻的两组所述压电陶瓷晶堆之间的夹角相等，且每组所述压电陶瓷晶堆由多个圆盘形的压电晶片以及多个电极片依次交错排列而成，且任意相邻的两个所述压电晶片的极化方向相反。
7.根据权利要求6所述的声场可控的大功率超声换能器，其特征在于，每组所述压电陶瓷晶堆的压电晶片为偶数个，且电极片的数量比压电晶片的数量多一个。
8.根据权利要求7所述的声场可控的大功率超声换能器，其特征在于，所述外质量块与压电晶片的接触面为正方形，且边长与压电晶片的直径相同，所述外质量块与金属管壳体接触端的表面曲率半径和所述金属管壳体的内径相等。
9.根据权利要求5所述的声场可控的大功率超声换能器，其特征在于，所述外质量块、压电陶瓷晶堆与内质量块的数量均相同。
10.根据权利要求5所述的声场可控的大功率超声换能器，其特征在于，所述锥形弹性膨胀预应力螺栓包括穿入锥形孔中的双头螺杆以及旋紧在双头螺杆上的锥形弹性膨胀体和六角形螺帽；其中，
所述锥形孔两侧以锥形孔为中心分别在双头螺杆上依次对称设置锥形弹性膨胀体和六角形螺帽。
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