CN108580240B - 基于耦合振动的二维超声波辐射器 - Google Patents

基于耦合振动的二维超声波辐射器 Download PDF

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Abstract

一种基于耦合振动的二维超声波辐射器，在超声波辐射槽左侧内壁设左夹心式功率超声换能器,左夹心式功率超声换能器的右端设耦合振动转换体，耦合振动转换体的右端设与超声波辐射槽右侧内壁联接的右夹心式功率超声换能器，耦合振动转换体的前端设与超声波辐射槽前侧内壁联接的前金属棒、后端设与超声波辐射槽后侧内壁联接的后金属棒。本发明通过与耦合振动转换体相互联接的2个夹心式功率超声换能器和2个金属棒且分别与矩形超声波辐射槽联接，实现具有浸没式超声波辐射器四个方向超声波辐射功能，避免了传统的超声波换能器单面辐射时存在的超声波能量反射以及阻抗失配等问题，提高夹心式压电陶瓷换能器的功率。

Description

基于耦合振动的二维超声波辐射器
技术领域
本发明属于超声波清洗技术领域，具体涉及到一种二维超声波辐射器。
背景技术
超声波清洗以及液体处理是一种全新的高科技物理清洗处理技术，目前已经广泛应用于国民经济各个行业。超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及声冲流等对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。目前所用的超声波清洗机中，空化作用和声冲流作用应用地更多，超声波清洗机主要由高性能超声波换能器组成的清洗槽和特殊的超声波发生器组成，超声波发生器与清洗槽可以是分体或一体。超声波清洗广泛应用于表面喷涂处理行业、机械行业、电子行业、医疗行业、半导体行业、钟表首饰行业、光学行业、纺织印染等行业。
目前超声波清洗槽的结构形式主要有两种，即传统的开放式超声清洗槽以及浸没式超声波辐射器两种，对于浸没式超声波辐射器，需要将浸没式辐射器放置于某一种容器中。在传统的超声波清洗槽中，无论是开放式还是浸没式的，超声波换能器都是处于单面辐射的工作状态下，夹心式压电陶瓷复合换能器的前辐射面与超声波清洗槽紧密结合，以便实现超声波的高效传输，换能器的后辐射面裸露在空气中，由于换能器的后辐射端面是换能器振动位移的波幅位置，尽管空气的声阻抗很低，但由于换能器后辐射面的位移较大，同时，由于空气声阻抗与换能器阻抗严重失配，在换能器的后辐射面处将产生严重的声反射，因而造成换能器的功率损耗，降低换能器的效率。为了尽量减少此类换能器的后向辐射功率，通常采用重金属材料作为换能器的后盖板材料，可以适当的减少换能器的后向辐射功率，仍然存在声波的反射问题，因而影响超声波的作用范围和实际效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种效率高、功率大，实现具有浸没式超声波辐射器的二维四个方向超声波辐射功能的基于耦合振动的二维超声波辐射器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：在超声波辐射槽左侧内壁设置左夹心式功率超声换能器,在左夹心式功率超声换能器的右端设置有耦合振动转换体4，耦合振动转换体的右端设置有与超声波辐射槽右侧内壁联接的右夹心式功率超声换能器，耦合振动转换体的前端设置有与超声波辐射槽前侧内壁联接的前金属棒、后端设置有与超声波辐射槽后侧内壁联接的后金属棒，左夹心式功率超声换能器的中心线与右夹心式功率超声换能器的中心线重合，前金属棒的中心线与后金属棒的中心线重合，左夹心式功率超声换能器的中心线和右夹心式功率超声换能器的中心线与前金属棒的中心线和后金属棒的中心线相互垂直。
本发明的前金属棒和后金属棒为圆柱体或圆台体或圆柱与圆台的复合体，所述的圆台体形的前金属棒的输出端为大端与超声波辐射槽前内侧联接，圆台体形的后金属棒的输出端为大端与超声波辐射槽后内侧联接；所述圆柱与圆台复合体的前金属棒的输出端为大端与超声波辐射槽前内侧联接，圆柱与圆台复合体的后金属棒的输出端为大端与超声波辐射槽后内侧联接。
本发明的圆台体形的前金属棒和圆台体形的后金属棒小端直径与大端直径比为1:1.1～2。
本发明的圆柱与圆台的复合体的前金属棒和圆柱与圆台的复合体的后金属棒的小端直径与大端直径比为1:1.1～2。
本发明通过与耦合振动转换体相互联接的2个夹心式功率超声换能器和2个金属棒，2个夹心式功率超声换能器和2个金属棒分别与矩形超声波辐射槽联接，2个夹心式功率超声换能器产生的纵向振动通过耦合振动转换体的耦合振动以及泊松效应转换成沿着2个金属棒轴向的振动，实现超声波振动能量方向的转换，形成具有浸没式超声波辐射器的二维四个方向超声波辐射功能，避免了传统的超声波换能器单面辐射时存在的超声波能量反射以及阻抗失配等问题，提高夹心式压电陶瓷换能器的功率。本发明具有效率高、功率大的优点，可广泛应用于超声清洗、超声粉碎、超声提取、超声乳化、超声化学等液体处理技术中。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，本实施例的基于耦合振动的二维超声波辐射器由超声波辐射槽1、左夹心式功率超声换能器2、前金属棒3、耦合振动转换体4、右夹心式功率超声换能器5、后金属棒6联接构成。
在超声波辐射槽1左侧内壁用螺纹紧固联接件固定安装左夹心式功率超声换能器2,左夹心式功率超声换能器2的右端用螺纹紧固联接件固定安装有耦合振动转换体4，耦合振动转换体4的几何形状为正方体，耦合振动转换体4的右端用螺纹紧固联接件固定安装有右夹心式功率超声换能器5，右夹心式功率超声换能器5与超声波辐射槽1右侧内壁用螺纹紧固联接件联接，超声波辐射槽1的几何形状为矩形，左夹心式功率超声换能器2、右夹心式功率超声换能器5的材质是压电陶瓷和金属材料的复合材料，左夹心式功率超声换能器2的中心线与右夹心式功率超声换能器5的中心线重合。
耦合振动转换体4的前端用螺纹紧固联接件固定安装有前金属棒3，前金属棒3为圆柱体，前金属棒3的另一端与超声波辐射槽1前侧内壁用螺纹紧固联接件联接，耦合振动转换体4的后端用螺纹紧固联接件固定安装有后金属棒6，后金属棒6为圆柱体，后金属棒6的另一端与超声波辐射槽1后侧内壁用螺纹紧固联接件联接，前金属棒3的中心线与后金属棒6的中心线重合，左夹心式功率超声换能器2的中心线和右夹心式功率超声换能器5的中心线与前金属棒3的中心线和后金属棒6的中心线相互垂直。
实施例2
在超声波辐射槽1左侧内壁用螺纹紧固联接件固定安装左夹心式功率超声换能器2,左夹心式功率超声换能器2的右端用螺纹紧固联接件固定安装有耦合振动转换体4，耦合振动转换体4的右端用螺纹紧固联接件固定安装有右夹心式功率超声换能器5，右夹心式功率超声换能器5与超声波辐射槽1右侧内壁用螺纹紧固联接件联接，耦合振动转换体4的前端用螺纹紧固联接件固定安装有前金属棒3，前金属棒3为圆台体，前金属棒3的输出端为大端与超声波辐射槽1前内侧用螺纹紧固联接件联接，耦合振动转换体4的后端用螺纹紧固联接件固定安装有后金属棒6，后金属棒6为圆台体，后金属棒6的输出端为大端与超声波辐射槽1后内侧用螺纹紧固联接件联接，前金属棒3和后金属棒6小端直径与大端直径比为1：1.5。
其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例3
耦合振动转换体4的前端用螺纹紧固联接件固定安装有前金属棒3，前金属棒3为圆台体，前金属棒3的输出端为大端与超声波辐射槽1前内侧用螺纹紧固联接件联接，耦合振动转换体4的后端用螺纹紧固联接件固定安装有后金属棒6，后金属棒6为圆台体，后金属棒6的输出端为大端与超声波辐射槽1后内侧用螺纹紧固联接件联接，前金属棒3和后金属棒6小端直径与大端直径比为1：1.1。
其他零部件以及零部件的联接关系与实施例2相同。
实施例4
耦合振动转换体4的前端用螺纹紧固联接件固定安装有前金属棒3，前金属棒3为圆台体，前金属棒3的输出端为大端与超声波辐射槽1前内侧用螺纹紧固联接件联接，耦合振动转换体4的后端用螺纹紧固联接件固定安装有后金属棒6，后金属棒6为圆台体，后金属棒6的输出端为大端与超声波辐射槽1后内侧用螺纹紧固联接件联接，前金属棒3和后金属棒6小端直径与大端直径比为1：2。
其他零部件以及零部件的联接关系与实施例2相同。
实施例5
在超声波辐射槽1左侧内壁用螺纹紧固联接件固定安装左夹心式功率超声换能器2,在左夹心式功率超声换能器2的右端用螺纹紧固联接件固定安装有耦合振动转换体4，耦合振动转换体4的右端用螺纹紧固联接件固定安装有右夹心式功率超声换能器5，右夹心式功率超声换能器5与超声波辐射槽1右侧内壁用螺纹紧固联接件联接，耦合振动转换体4的前端用螺纹紧固联接件固定安装有前金属棒3，前金属棒3为圆柱与圆台的复合体，前金属棒3的输出端为大端与超声波辐射槽1前内侧用螺纹紧固联接件联接，耦合振动转换体4的后端用螺纹紧固联接件固定安装有后金属棒6，后金属棒6为圆柱与圆台的复合体，后金属棒6的输出端为大端与超声波辐射槽1后内侧用螺纹紧固联接件联接，前金属棒3和圆柱与圆台的复合体的后金属棒6小端直径与大端直径比为1：1.5。
其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例6
耦合振动转换体4的前端用螺纹紧固联接件固定安装有前金属棒3，前金属棒3为圆柱与圆台的复合体，前金属棒3的输出端为大端与超声波辐射槽1前内侧用螺纹紧固联接件联接，耦合振动转换体4的后端用螺纹紧固联接件固定安装有后金属棒6，后金属棒6为圆柱与圆台的复合体，后金属棒6的输出端为大端与超声波辐射槽1后内侧用螺纹紧固联接件联接，前金属棒3和后金属棒6小端直径与大端直径比为1：1.1。
其他零部件以及零部件的联接关系与实施例5相同。
实施例7
耦合振动转换体4的前端用螺纹紧固联接件固定安装有前金属棒3，前金属棒3为圆柱与圆台的复合体，前金属棒3的输出端为大端与超声波辐射槽1前内侧用螺纹紧固联接件联接，耦合振动转换体4的后端用螺纹紧固联接件固定安装有后金属棒6，后金属棒6为圆柱与圆台的复合体，后金属棒6的输出端为大端与超声波辐射槽1后内侧用螺纹紧固联接件联接，前金属棒3和圆柱与圆台的复合体的后金属棒6小端直径与大端直径比为1：2。
其他零部件以及零部件的联接关系与实施例5相同。
本发明的工作原理为：
通过与耦合振动转换体4相互联接的左夹心式功率超声换能器2、右夹心式功率超声换能器5和前金属棒3、后金属棒6，且分别左夹心式功率超声换能器2、右夹心式功率超声换能器5和前金属棒3、后金属棒6与矩形超声波辐射槽1联接，左夹心式功率超声换能器2、右夹心式功率超声换能器5产生的纵向振动通过耦合振动转换体4的耦合振动以及泊松效应转换成沿着前金属棒3与后金属棒6轴向的振动，在前金属棒3与后金属棒6中产生同频率的超声波振动，实现超声波振动能量传播方向的转换，左夹心式功率超声换能器2、右夹心式功率超声换能器5和前金属棒3、后金属棒6的两个辐射面分别同时辐射超声波，形成一个二维辐射的超声波辐射器，能够在前后左右四个方向辐射超声波，消除传统的超声波清洗槽中换能器后辐射端的无功功率辐射问题，提高了超声波清洗槽的辐射效率、换能器的辐射功率，从而提高基于耦合振动的二维超声波辐射器的清洗效果。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于耦合振动的二维超声波辐射器，在超声波辐射槽（1）左侧内壁设置左夹心式功率超声换能器（2）,在左夹心式功率超声换能器（2）的右端设置有耦合振动转换体（4），耦合振动转换体（4）的右端设置有与超声波辐射槽（1）右侧内壁联接的右夹心式功率超声换能器（5），耦合振动转换体（4）的前端设置有与超声波辐射槽（1）前侧内壁联接的前金属棒（3）、后端设置有与超声波辐射槽（1）后侧内壁联接的后金属棒（6），左夹心式功率超声换能器（2）的中心线与右夹心式功率超声换能器（5）的中心线重合，前金属棒（3）的中心线与后金属棒（6）的中心线重合，左夹心式功率超声换能器（2）的中心线和右夹心式功率超声换能器（5）的中心线与前金属棒（3）的中心线和后金属棒（6）的中心线相互垂直,其特征在于：所述的前金属棒（3）和后金属棒（6）为圆柱体或圆台体或圆柱与圆台的复合体，圆台体形的前金属棒（3）的输出端为大端与超声波辐射槽（1）前内侧联接，圆台体形的后金属棒（6）的输出端为大端与超声波辐射槽（1）后内侧联接,圆柱与圆台复合体的前金属棒（3）的输出端为大端与超声波辐射槽（1）前内侧联接，圆柱与圆台复合体的后金属棒（6）的输出端为大端与超声波辐射槽（1）后内侧联接，所述的圆台体形的前金属棒（3）和圆台体形的后金属棒（6）小端直径与大端直径比为1:1.1～2。
2.根据权利要求1所述的基于耦合振动的二维超声波辐射器，其特征在于：所述的圆柱与圆台的复合体的前金属棒（3）和圆柱与圆台的复合体的后金属棒（6）的小端直径与大端直径比为1:1.1～2。
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