CN111495724B - 径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器及换能方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于换能器技术领域，涉及一种径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器及换能方法，包括从内到外依次包裹的内球壳、压电陶瓷球壳以及外球壳；换能器的几何尺寸为T＝(R3‑R2)/(R4‑R2)；几何尺寸0﹤T﹤1；内球壳的内半径R1为15～60mm；内球壳的厚度、压电陶瓷球壳的厚度以及外球壳的厚度均为4～6mm；外球壳包括两个半球壳；且两个半球壳通过固定环或是螺纹连接。本发明能增加换能器的径向预应力，提高换能器的功率容量；能实现声波的三维空间全方位等幅均匀辐射，换能器的声波作用范围得到扩展，增大换能器辐射声波的作用距离。
Description
技术领域
本发明属于换能器技术领域，涉及一种径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器及换能方法。
背景技术
在超声及水声领域，纵向振动夹心式压电陶瓷超声换能器(又称之为朗之万换能器)获得了广泛的应用，原因是此类换能器的结构简单、机电转换效率高且易于优化设计等。然而，随着功率超声技术在化学反应、废水处理、油气田开发、中草药提取、食品工业以及金属冶炼等领域中的广泛应用，对超声功率以及超声的空间作用范围提出了更高的要求，因而对传统的夹心式纵向振动换能器提出了更苛刻的要求，也暴露了其所存在的一些需要克服的问题。
总结起来，为了满足大功率超声处理技术中的功率和超声作用范围要求，传统的纵向振动夹心式压电陶瓷超声换能器存在如下不足之处：第一，夹心式纵向振动超声换能器的设计理论要求换能器的横向尺寸不能超过换能器所辐射的声波波长的四分之一，因此此类换能器的声波辐射面积受到自身理论的限制，不能超过一定限度，因而极大地限制了此类换能器的声波辐射功率；第二，夹心式纵向振动超声换能器只能实现超声能量的单一自由度方向辐射，即换能器的辐射能量基本上是沿着换能器的纵轴方向，而不能实现超声能量的二维或三维空间辐射，这也使得超声的空间作用范围受到了限制。
为了适应功率超声应用新技术中对超声功率和超声作用范围提出的更高要求，有必要研究新型的功率超声换能器，以克服目前传统的夹心式纵向振动压电陶瓷超声换能器所存在的一些突出问题。
发明内容
针对现有纵向振动夹心式换能器在辐射功率和超声空间上的限制，本发明提出了一种径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器及换能方法，增加换能器的径向预应力，提高换能器的功率容量，辐射声波能在多个维度空间上作用，实现声波的三维空间全方位等幅均匀辐射，换能器的声波作用范围得到扩展，增大换能器辐射声波的作用距离。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器，包括从内到外依次包裹的内球壳、压电陶瓷球壳以及外球壳；换能器的几何尺寸为T＝(R3-R2)/(R4-R2)；
其中：R2为内球壳的外半径；R3为压电陶瓷的外半径；R4为外球壳的外半径。
进一步的，所述换能器的几何尺寸0﹤T﹤1；所述换能器的几何尺寸T与换能器的共振频率fr的关系为fr＝30329-9775T+4929T2-2089T3+469T4赫兹；
所述换能器的几何尺寸T与换能器的反共振频率fa的关系为fa＝30331-6449T+2667T2-1203T3+297T4赫兹；
所述换能器的几何尺寸T与换能器的有效机电耦合系数Keffc的关系为Keffc＝0.0738+0.82224T-1.18427T2+0.98934T3-0.33518T4。
进一步的，所述内球壳的内半径R1为15～60mm；所述内球壳的厚度、压电陶瓷球壳的厚度以及外球壳的厚度均为4～6mm。
进一步的，所述内球壳、压电陶瓷球壳以及外球壳依次通过高强度胶密封连接。
进一步的，所述外球壳包括两个半球壳；且两个半球壳通过固定环或螺纹连接。
进一步的，所述外球壳材质为硬铝、钛合金以及铝镁合金。
进一步的，所述内球壳材质为不锈钢或黄铜。
进一步的，所述压电陶瓷球壳由两个对称的半球壳组成；所述压电陶瓷球壳材质为PZT-4或PZT-8。
进一步的，所述径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器还包括包覆在外球壳的外部的透声层；所述透声层材质为橡胶、玻璃钢复合材料或玻璃纤维增强复合材料。
一种径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器的换能方法，其特征在于：所述换能方法是：对换能器的压电陶瓷球壳施加激励电压，换能器的径向方向上产生360°辐射并从透声层向外传递，且在三维空间全方位等幅均匀辐射；利用外球壳的固定连接方式来增加换能器的径向预应力，通过换能器的材质以及几何尺寸调节换能器的振动频率。
本发明的有益效果是：
1、本发明提出的径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器，包括从内到外依次包裹的内球壳、压电陶瓷球壳以及外球壳；换能器的几何尺寸为T＝(R3-R2)/(R4-R2)；是一种全方位辐射无指向性声源，球形体的形状能实现声波的三维空间全方位等幅均匀辐射，极大的扩展了传统换能器的声波作用范围。
2、本发明提出的径向夹心式球形压电陶瓷换能器，外球壳包括两个半球壳；且两个半球壳通过固定环或是螺纹连接，能增加换能器的径向预应力，提高换能器的功率容量，换能器具有更大的动态工作范围，可以工作于大功率状态下，因而增大了换能器辐射声波的作用距离。
3、本发明提供的换能器，其几何尺寸T与换能器的共振频率fr之间的关系为fr＝30329-9775T+4929T2-2089T3+469T4赫兹；T与换能器的反共振频率fa之间的关系为fa＝30331-6449T+2667T2-1203T3+297T4赫兹；产生的共振频率和反共振频率均随着换能器几何尺寸的增大而减小，且在相同几何尺寸下，共振频率均小于反共振频率，当换能器的共振频率和反共振频率减小时，可以增大换能器所产生超声波的作用范围。而当换能器的共振频率和反共振频率升高时，可以提高换能器的探测分辨率。
4、本发明提供的换能器，几何尺寸T与换能器的有效机电耦合系数之间的关系为Keffc＝0.0738+0.82224T-1.18427T2+0.98934T3-0.33518T4，其有效机电耦合系数随着几何尺寸的增大而增大，且两者之间的增长关系为非线性增长关系；当换能器的有效机电耦合系数增大时，可以提高换能器的电声转换效率，换能器的辐射声功率以及声波的作用范围。
附图说明
图1为本发明提供的径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器结构示意图；
图2为实施例2提供的金属外球壳连接方式示意图；
图3为实施例3提供的金属外球壳连接方式示意图；
图4为换能器的径向共振频率和反共振频率与几何尺寸的关系曲线图；
图5为换能器的有效机电耦合系数与几何尺寸的关系曲线图；
其中：
1—内球壳；2—压电陶瓷球壳；3—外球壳。
具体实施方式
现结合附图以及实施例对本发明做详细的阐述。
实施例
本发明提供的径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器，包括从内到外依次包裹的内球壳1、压电陶瓷球壳2以及外球壳3；换能器的几何尺寸为T＝(R3-R2)/(R4-R2)；
其中：R2为内球壳的外半径；R3为压电陶瓷球壳的外半径；R4为外球壳的外半径。
本实施例中，换能器的几何尺寸0﹤T﹤1；换能器的几何尺寸T与换能器的共振频率fr的关系为fr＝30329-9775T+4929T2-2089T3+469T4赫兹；
换能器的几何尺寸T与换能器的反共振频率fa的关系为fa＝30331-6449T+2667T2-1203T3+297T4赫兹；
换能器的几何尺寸T与换能器的有效机电耦合系数Keffc的关系为Keffc＝0.0738+0.82224T-1.18427T2+0.98934T3-0.33518T4。
本实施例中，内球壳1的内半径R1为15～60mm；所述内球壳1的厚度、压电陶瓷球壳2的厚度以及外球壳3的厚度均为4～6mm。
内球壳1、压电陶瓷球壳2以及外球壳3依次通过高强度胶密封连接。
外球壳3包括两个半球壳；且两个半球壳通过固定环或螺纹连接。
内球壳1材质为不锈钢或黄铜。外球壳3材质为硬铝、钛合金以及铝镁合金。压电陶瓷球壳2由两个对称的半球壳组成；压电陶瓷球壳2材质为PZT-4或PZT-8。PZT-4：铁钡、锰钙改性锆钛酸铅，具有较高的机电转换效率；PZT-8属Fe、Ca改性二元系材料，主要特点是强场介电损耗低，机械强度高、稳定性好。
实施例1
参见图1，径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器包括从内到外依次包裹的内球壳1、压电陶瓷球壳2以及外球壳3。
本实施例中，内球壳1为一个整体球壳，压电陶瓷球壳2由两个对称的半球壳组成，外球壳3也是由两个对称的半球壳组成。内球壳1为不锈钢以及金属铜材质；压电陶瓷球壳2为径向极化的压电陶瓷球壳，一般为发射型的PZT-4或PZT-8材料；外球壳3采用硬铝、钛合金以及铝镁合金。
本实施例中，在换能器制作时，对于工作于小信号状态下的球形换能器，压电陶瓷球壳2与内球壳1和外球壳3之间的均采用高强度胶密封连接，保证三者之间无缝的紧密配合，从而使三者的交界面处没有空气以及其他杂质存在。
本实施例种，内球壳1的内半径R1为15～60mm；内球壳1的厚度、压电陶瓷球壳2的厚度以及外球壳3的厚度均为4～6mm；换能器的几何尺寸为T＝(R3-R2)/(R4-R2)；其中：R2为内球壳的外半径；R3为压电陶瓷的外半径；R4为外球壳的外半径。
实施例2
在实施例1的基础上，对于工作于大功率状态下的球形换能器，例如发射型，或者收发两用型换能器，为了增大换能器的功率容量，除了在换能器各组成部分的交界面处使用高强度胶以外，还需要对换能器整体施加径向预应力，以确保换能器大功率工作时不会出现分离及破裂情况。
参见图2，本实施例中，采用了固定环的连接方法来向球形夹心式换能器施加径向预应力。具体的是，在外球壳3的两个半球壳的端部设置凸出的固定圆环，通过固定圆环上的螺孔，用紧固螺栓将两个半球壳紧密的连接起来。
实施例3
与实施例2不同的是，参见图3，采用了螺纹的连接方法来向球形夹心式换能器施加径向预应力。具体的是，在外球壳3的两个半球壳的端部设置内螺纹连接杆和外螺纹连接杆，两个半球壳连接时，内螺纹连接杆和外螺纹连接杆卡接，将两个半球壳紧密地结合在一起形成外球壳。
实施例4
本实施例中，为了改善夹心式球形换能器的声阻抗匹配，在换能器外球壳的外面包覆一层透声层。具体的，透声层为橡胶、玻璃钢复合材料或玻璃纤维增强复合材料。透声层使得声波信号均能传递出去，而且几乎不会有信号反射回来，从而提升声波的传递效益。
本发明提供的径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器的换能方法是，对换能器的压电陶瓷球壳2施加激励电压，由于换能器的球形结构使换能器产生360°全方位辐射并在换能器的径向方向通过透声层向外传递出来，实现声波的三维空间全方位等幅均匀辐射；利用外球壳3的固定连接方式来增加换能器的径向预应力，通过换能器的材质以及几何尺寸调节换能器的振动频率，从而提高换能器的辐射超声功率，增大换能器声波的作用范围。
为了说明本发明提供的径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器的性能优越性，进行仿真试验。
试验1
试验过程：
首先，按照实施例1的结构组成夹心式球形换能器，内球壳为一个整体球壳，压电陶瓷球壳由两个对称的半球壳组成，外球壳也是由两个对称的半球壳组成；在外球壳的两个半球壳的端部设置凸出的固定圆环，通过固定圆环上的螺孔，用紧固螺栓将两个半球壳紧密的连接起来，采用了固定环的连接方法来向球形夹心式换能器施加径向预应力；在换能器各组成部分的交界面处使用高强度胶；最后在换能器外球壳的外面包覆一层橡胶透声层。
其次，内球壳材质选择不锈钢或黄铜；外球壳材质选择硬铝组合或钛合金组合；压电陶瓷球壳的材质均为PZT-4。
根据内球壳、压电陶瓷和外球壳的尺寸计算换能器的几何尺寸T＝(R3-R2)/(R4-R2)，其中：R1为内球壳的内半径，R2为内球壳的外半径；R3为压电陶瓷的外半径；R4为外球壳的外半径。
本试验共进行8组，并分别测定夹心式球形换能器的共振频率fr和反共振频率fa，结果如表1所示。
表1不同材料下换能器性能对比结果
通过结果如下：
1)对比试验1和2，试验3和4，试验5和6，试验7和8可知，当内球壳的材质和外球壳的材质均相同时，换能器结合尺寸T相同，换能器体积越大，其共振频率和反共振频率减小；反之，换能器体积越小，其共振频率和反共振频率减大；
2)对比试验1-4，试验5-6可知，当内球壳的材质相同；外球壳的材质不同，换能器结合尺寸T相同，换能器体积越大，其共振频率和反共振频率减小；反之，换能器体积越小，其共振频率和反共振频率减大；
3)对比试验4和8，当换能器几何尺寸T相同，换能器体积相同，外球壳材质均为钛合金组合时，此时内球壳材质为不锈钢，换能器产生的共振频率和反共振频率大；内球壳材质为黄铜，换能器产生的共振频率和反共振频率小；
4)对比试验6和7可知，当换能器几何尺寸T相同，换能器体积相同，内球壳材质均为黄铜时，此时外球壳材质硬铝组合和钛合金组合，换能器产生的共振频率和反共振频率大小基本相同。
而当换能器的共振频率和反共振频率减小时，可以增大换能器所产生超声波的作用范围。而当换能器的共振频率和反共振频率升高时，可以提高换能器的探测分辨率。
试验2
实验组：选择几何尺寸T分别为0.1-1.0时，制成的球形压电陶瓷复合超声换能器，对其分别进行径向共振频率及反共振频率测定，得到换能器的径向共振频率及反共振频率与几何尺寸T的依赖关系，结果如图4所示。
图4中：几何尺寸T＝(R3-R2)/(R4-R2)；其中：R1为内球壳的内半径，R2为内球壳的外半径；R3为压电陶瓷的外半径；R4为外球壳的外半径。
图4中：fr为共振频率；fa为反共振频率。
从图4可知，本发明提供的换能器产生的共振频率和反共振频率均随着换能器几何尺寸的增大而减小，且相同几何尺寸下，共振频率均小于反共振频率。
换能器几何尺寸T与换能器的共振频率fr之间的关系为fr＝30329-9775T+4929T2-2089T3+469T4赫兹；换能器几何尺寸T与换能器的反共振频率fa之间的关系为fa＝30331-6449T+2667T2-1203T3+297T4赫兹。
换能器工作时，共振频率fr和反共振频率fa的增大或减小，可以增大换能器所产生超声波的作用范围；而当换能器的共振频率和反共振频率升高时，可以提高换能器的探测分辨率。
验证试验3
实验组：几何尺寸分别为0.1-1.0时，制成的球形压电陶瓷复合超声换能器，得到换能器的有效机电耦合系数与几何尺寸的依赖关系，如图5所示。
图5中，T＝(R3-R2)/(R4-R2)，其中：R1为内球壳的内半径，R2为内球壳的外半径；R3为压电陶瓷的外半径；R4为外球壳的外半径。
从图5可知，本发明提供的换能器，其有效机电耦合系数随着几何尺寸的增大而增大，且两者之间的增长关系为非线性增长关系，
几何尺寸T与换能器的有效机电耦合系数之间的关系为Keffc＝0.0738+0.82224T-1.18427T2+0.98934T3-0.33518T4。
换能器工作时，当换能器的有效机电耦合系数增大时，可以提高换能器的电声转换效率，换能器的辐射声功率以及声波的作用范围。
因此，本发明提供的径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器，使得换能器的声波作用范围得到扩展，同时提高了换能器的功率容量，换能器辐射声波能在多个维度空间上实现作用。
Claims (9)
1.一种径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器，其特征在于：包括从内到外依次包裹的内球壳(1)、压电陶瓷球壳(2)以及外球壳(3)；换能器的几何尺寸为T＝(R3-R2)/(R4-R2)；
其中：R2为内球壳的外半径；R3为压电陶瓷球壳的外半径；R4为外球壳的外半径；
所述换能器的几何尺寸0﹤T﹤1；
所述换能器的几何尺寸T与换能器的共振频率fr的关系为fr＝30329-9775T+4929T2-2089T3+469T4赫兹；
所述换能器的几何尺寸T与换能器的反共振频率fa的关系为fa＝30331-6449T+2667T2-1203T3+297T4赫兹；
所述换能器的几何尺寸T与换能器的有效机电耦合系数Keffc的关系为Keffc＝0.0738+0.82224T-1.18427T2+0.98934T3-0.33518T4。
2.根据权利要求1所述的径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器，其特征在于：所述内球壳(1)的内半径R1为15～60mm；所述内球壳(1)的厚度、压电陶瓷球壳(2)的厚度以及外球壳(3)的厚度均为4～6mm。
3.根据权利要求2所述的径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器，其特征在于：所述内球壳(1)、压电陶瓷球壳(2)以及外球壳(3)依次通过高强度胶密封连接。
4.根据权利要求3所述的径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器，其特征在于：所述外球壳(3)包括两个半球壳；且两个半球壳通过固定环或螺纹连接。
5.根据权利要求4所述的径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器，其特征在于：所述外球壳(3)材质为硬铝、钛合金以及铝镁合金。
6.根据权利要求3所述的径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器，其特征在于：所述内球壳(1)材质为不锈钢或黄铜。
7.根据权利要求3所述的径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器，其特征在于：所述压电陶瓷球壳(2)由两个对称的半球壳组成；所述压电陶瓷球壳(2)材质为PZT-4或PZT-8。
8.根据权利要求5所述的径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器，其特征在于：所述径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器还包括包覆在外球壳(3)的外部的透声层；所述透声层材质为橡胶、玻璃钢复合材料或玻璃纤维增强复合材料。
9.一种基于权利要求8所述的径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器的换能方法，其特征在于：所述换能方法是：对换能器的压电陶瓷球壳(2)施加激励电压，换能器的径向方向上产生360°辐射并从透声层向外传递，且在三维空间全方位等幅均匀辐射；利用外球壳(3)的固定连接方式来增加换能器的径向预应力，通过换能器的材质以及几何尺寸调节换能器的振动频率。
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