CN113663980B - 多方向振动的超声换能器、超声清洗装置和清洗方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于换能器技术领域,涉及一种多方向振动的超声换能器、超声清洗装置和清洗方法,换能器包括底座和振动盖以及设置在振动盖内腔的振动柱;振动盖与底座之间设置密封隔振层;所述振动盖是空心筒状结构,倒置在底座上与底座连接形成密闭的空腔结构,所述振动柱的顶部与振动盖的中心连接,且振动柱受激励产生振动传递到振动盖上,通过振动盖辐射出纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替而成的合成振动。本发明换能器结构简单,体积小,产生纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替而成的合成振动,清洗无死角,超声频率高,清洗效果好。
Description
技术领域
本发明属于换能器技术领域,涉及一种多方向振动的超声换能器、超声清洗装置和清洗方法。
背景技术
压电换能器是目前超声振动换能器的主要类型,其中多使用压电陶瓷,由于陶瓷容易加工成所需要的形状,可改变其组分和工艺以满足各种用途的高性能要求,因此使用很普遍;极化的压电陶瓷在周期信号激励下,产生伸缩振动,并通过振动杆将振动传输,实现电能与机械能的转换。现有的压电换能器大多是振动方向单一,通常是单独存在的一个振动即纵振动或者弯曲振动。
在超声清洗技术领域,若利用目前的压电换能器进行清洗时,由于振动方向单一,会在清洗槽底部与清洗槽内液体的液面之间产生驻波,驻波就有波节,波节的地方没有振动,容易形成清洗死角,导致清洗不彻底。
发明内容
针对现有压电换能器出现的技术问题,本发明提供一种多方向振动的超声换能器、超声清洗装置和清洗方法,换能器结构简单,体积小,产生纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替而成的合成振动,清洗无死角,超声频率高,清洗效果好。
为了实现上述目的,本发明提供的技术方案是:
一种多方向振动的超声换能器包括底座和振动盖以及设置在振动盖内腔的振动柱;所述振动盖与底座之间设置密封隔振层;所述振动盖是空心筒状结构,倒置在底座上与底座连接形成密闭的空腔结构,所述振动柱的顶部与振动盖的中心连接,且振动柱受激励产生振动传递到振动盖上,通过振动盖辐射出纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替而成的合成振动。
进一步地,所述振动柱包括依次分布在同一轴线上并通过螺栓连接的前盖板、压电陶瓷堆、后盖板;所述前盖板设置在振动盖的底部中心位置,并向振动盖的内腔延伸。
进一步地,所述振动盖的内径R为15~63mm;所述振动盖的内径R与振动柱的直径r之比满足:1.2~5.04:1;所述振动盖的深度与振动柱的高度之比为1.03~1.04:1。
进一步地,所述前盖板高度、压电陶瓷堆高度以及后盖板高度为14:10:5~10。
一种超声清洗装置,包括所述的多方向振动的超声换能器以及清洗槽;所述多方向振动的超声换能器的底座固定在清洗槽的底部中心位置;所述多方向振动的超声换能器的振动盖延伸至清洗槽内,通过振动盖向清洗槽内辐射出纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替而成的合成振动,使清洗槽内形成横向振动和弯曲振动合成的稳定辐射声场。
进一步地,所述多方向振动的超声换能器的底座与清洗槽的底部连接位置设置有防水密封垫。
进一步地,所述多方向振动的超声换能器的底座与清洗槽的底部通过空心螺栓固定,所述多方向振动的超声换能器的压电陶瓷堆对应的正负极线穿过空心螺栓与激励电源连接。
一种超声清洗装置的清洗方法,为振动柱连接激励电源,产生振动,通过振动盖向清洗槽内辐射出纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替而成的合成振动,使清洗槽内形成横向振动和弯曲振动合成的稳定辐射声场。
进一步地,所述清洗方法具体包括:
1)振动柱的压电陶瓷堆受激励后产生沿轴向的纵振动;
2)压电陶瓷堆所产生的纵振动经前盖板传递到振动盖,经振动盖的底部和侧部从不同方向辐射,进而向清洗槽内辐射出纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替作用的合成振动,使清洗槽内沿着轴向或径向分别由振动辐射,形成横向振动和弯曲振动合成的稳定辐射声场。
进一步地,所述多方向振动的超声换能器的振动频率为15~45KHz。
本发明的有益效果是:
1、本发明提供的多方向振动的超声换能器,主要是针对液体介质传递振动,利用空心腔结构的振动盖辐射,在液体介质中形成由纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替作用的合成振动,提供一种全新的振动方式。
2、本发明提供的超声清洗装置利用多方向振动的超声换能器所辐射的纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替作用的合成振动,在清洗槽内形成横向振动和弯曲振动合成的稳定辐射声场,避免液面之间产生驻波,使振动分布均匀,无死角,清洗更彻底。
3、本发明通过合理选择振动换能器的材质以及尺寸,使换能器的振动频率可高达38.183KHz,实现换能器体积小,振动频率高的目的,在清洗装置中应用使清洗彻底、全面,应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明提供的换能器的振动盖和振动柱结构示意图;
图2为本发明提供的超声清洗装置示意图;
图3为本发明提供的超声清洗装置剖视立体示意图;
图4为本发明换能器产生的第一种振动曲线示意图;
图5为本发明换能器产生的第二种振动曲线示意图;
其中:
1—振动盖;2—振动柱;21—前盖板;22—压电陶瓷堆;23—后盖板;3—螺栓;4—底座;5—O形圈;6—橡胶垫片;7—清洗槽;8—防水密封垫。
具体实施方式
现结合附图以及实施例对本发明做详细的说明。
实施例1
参见图1和图2,本实施例提供的多方向振动的超声换能器包括底座4和振动盖1以及设置在振动盖1内腔的振动柱2;振动盖1与底座4之间设置密封隔振层;振动盖1是空心筒状结构,倒置在底座4上与底座4连接形成密闭的空腔结构,振动柱2的顶部与振动盖1 的中心连接,且振动柱2受激励产生振动传递到振动盖1上,通过振动盖1辐射出纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替而成的合成振动。
本实施例中,振动盖1为空心筒状结构,其振动盖1的内径R为15mm;振动盖1的深度为71mm,振动盖1的材质为金属,也可以是不锈钢,优选的,材质为铝。
本实施例提供的振动柱2包括依次分布在同一轴线上并通过螺栓3连接的前盖板21、压电陶瓷堆22、后盖板23;前盖板21设置在振动盖1的底部中心位置,并向振动盖1的内腔延伸。
本实施例中,振动柱2的直径r为12.5mm,振动盖1的内径R与振动柱2的直径r之比为1.2:1。前盖板21高度以及后盖板23高度分别为28mm和20mm。
本实施例中,压电陶瓷堆22是由4个压电陶瓷片上下堆叠而成的,总高度为20mm。
本实施例中,密封隔振层包括O形圈5和橡胶垫片6,O形圈5为2个。具体的,振动盖1与底座4连接时,在振动盖1的内壁与底座4之间设置O形圈5,在振动盖1的下端面与底座4之间设置橡胶垫片6,两个密封耦合后防止将上面振动盖部分产生的振动传递到下部底座。
下面以几组不同尺寸的换能器以及工作频率,对发明进行进一步地说明,具体结果参见表1。
表1不同尺寸换能器的工作频率对比
试验组 | R(mm) | t(mm) | L1(mm) | L2(mm) | h(mm) | 频率(KHz) |
1 | 35 | 2 | 28 | 20 | 83 | 21.569 |
2 | 63 | 4 | 28 | 10 | 75 | 15.434 |
3 | 30 | 4 | 28 | 10 | 75 | 23.64 |
4 | 20 | 4 | 28 | 10 | 75 | 32.663 |
5 | 15 | 4 | 28 | 10 | 75 | 38.183 |
6 | 63 | 4 | 28 | 10 | 75 | 14.434 |
7 | 63 | 8 | 28 | 10 | 79 | 23.465 |
8 | 63 | 13 | 28 | 10 | 84 | 31.966 |
9 | 63 | 20 | 28 | 10 | 91 | 42.121 |
其中:R—振动盖内径;t—振动盖壁厚;h—振动盖高度;L1—前盖板高度;L2—后盖板高度。
从表1中可以看出:
(1)当振动盖1壁厚为4mm、振动盖1高度为75mm,振动盖1内部深度为71mm;振动盖1内径越小,则换能器的振动频率越大;当振动盖1内径为15mm时,振动频率可达 38.183Hz;
(2)当振动盖1内径相同均为63mm时,振动盖1高度越大,振动盖1壁厚越厚,则换能器的振动频率越大;当振动盖1高度为91mm、壁厚为20mm时,振动盖1内部深度为71mm,振动频率可达42.121Hz。
综上所述,当振动盖1内径越小、振动盖1壁厚越薄、振动盖1高度越低时,振动频率越大。
实施例2
参见图2和图3,本实施例提供的超声清洗装置包括实施例1提供的多方向振动的超声换能器以及清洗槽7;多方向振动的超声换能器的底座4固定在清洗槽7的底部中心位置;多方向振动的超声换能器的振动盖1延伸至清洗槽7内,通过振动盖1向清洗槽7内辐射出纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替而成的合成振动,使清洗槽7内形成横向振动和弯曲振动合成的稳定辐射声场。
本实施例中,多方向振动的超声换能器的底座4与清洗槽7的底部连接位置设置有防水密封垫8。具体的,防水密封垫8可以是防水橡胶垫,也可以采用环氧树脂密封胶层将底座4 粘在清洗槽7底部并进行密封,具有防水密封的效果,保证振动传递。
本实施例中,多方向振动的超声换能器的底座4与清洗槽7的底部通过空心螺栓固定,所述多方向振动的超声换能器的压电陶瓷堆22对应的正负极线穿过空心螺栓与激励电源连接。
本实施例提供超声清洗装置,其整体结构是:前盖板21置于振动盖1的内底部中心位置处,前盖板21下端依次连接压电陶瓷堆22以及后盖板23,再用钢制螺栓3将前面三者紧固连接起来;将振动盖与底座通过O形圈5和橡胶垫片6藕合密封连接起来;整体放置在清洗槽底部,在底座8与清洗槽7底部之间设置防水密封垫8,并通过螺栓将底座4与清洗槽7 底部连接固定,清洗槽7底外部为螺母,螺栓将底座4、清洗槽7底与外面螺母紧固连接起来。
本实施例提供的多方向振动的超声换能器是1个。但是在实施时,可根据清洗槽7的大小,当清洗槽7的口径过大时,也可以在清洗槽7内并列排布多个实施例1提供的换能器,多个换能器间距可设置为小于在水中振动频率对应波长的二分之一。
本实施例提供的超声清洗装置的清洗方法,为振动柱2连接激励电源,产生振动,通过振动盖1向清洗槽7内辐射出纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替而成的合成振动,使清洗槽7内形成横向振动和弯曲振动合成的稳定辐射声场。
清洗方法具体包括:
1)振动柱2的压电陶瓷堆22受激励后产生沿轴向的纵振动;
2)压电陶瓷堆22所产生的纵振动经前盖板21传递到振动盖1,经振动盖1的底部和侧部从不同方向辐射,进而向清洗槽7内辐射出纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替作用的合成振动,使清洗槽7内沿着轴向或径向分别由振动辐射,形成横向振动和弯曲振动合成的稳定辐射声场。
为了验证本发明提供的换能器的振型,利用大型有限元数值计算软件comsol对多方向振动的超声换能器在工作频率f=23.64kHz的条件下模拟其振动,换能器的尺寸采用表1中第三组试验提供的尺寸,其振型结果具体如图4、5所示。
从图4可以看出,换能器的第一种振型主要是沿径向横向辐射,由图5可以看出,换能器的第二种振型主要是沿着纵向轴对称弯曲辐射,两种振型交替循环辐射。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已,并不用以限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种多方向振动的超声换能器,其特征在于:包括底座(4)和振动盖(1)以及设置在振动盖(1)内腔的振动柱(2);所述振动盖(1)与底座(4)之间设置密封隔振层;所述振动盖(1)是空心筒状结构,倒置在底座(4)上与底座(4)连接形成密闭的空腔结构,所述振动柱(2)的顶部与振动盖(1)的中心连接,且振动柱(2)受激励产生振动传递到振动盖(1)上,通过振动盖(1)辐射出纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替而成的合成振动;所述多方向振动的超声换能器的工作频率为f=23.64kHz;
所述振动盖(1)的内径R为15~63mm;所述振动盖(1)的内径R与振动柱(2)的直径r之比满足:1.2~5.04:1;所述振动盖(1)的深度与振动柱(2)的高度之比为1.03~1.04:1。
2.根据权利要求1所述的多方向振动的超声换能器,其特征在于:所述振动柱(2)包括依次分布在同一轴线上并通过螺栓(3)连接的前盖板(21)、压电陶瓷堆(22)、后盖板(23);所述前盖板(21)设置在振动盖(1)的底部中心位置,并向振动盖(1)的内腔延伸。
3.根据权利要求2所述的多方向振动的超声换能器,其特征在于:所述前盖板(21)高度、压电陶瓷堆(22)高度以及后盖板(23)高度为14:10:5~10。
4.一种超声清洗装置,其特征在于:包括权利要求1~3任一项所述的多方向振动的超声换能器以及清洗槽(7);所述多方向振动的超声换能器的底座(4)固定在清洗槽(7)的底部中心位置;所述多方向振动的超声换能器的振动盖(1)延伸至清洗槽(7)内,通过振动盖(1)向清洗槽(7)内辐射出纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替而成的合成振动,使清洗槽(7)内形成横向振动和弯曲振动合成的稳定辐射声场。
5.根据权利要求4所述的超声清洗装置,其特征在于:所述多方向振动的超声换能器的底座(4)与清洗槽(7)的底部连接位置设置有防水密封垫(8)。
6.根据权利要求5所述的超声清洗装置,其特征在于:所述多方向振动的超声换能器的底座(4)与清洗槽(7)的底部通过空心螺栓固定,所述多方向振动的超声换能器的压电陶瓷堆(22)对应的正负极线穿过空心螺栓与激励电源连接。
7.一种如权利要求4所述的超声清洗装置的清洗方法,其特征在于,所述清洗方法为振动柱(2)连接激励电源,产生振动,通过振动盖(1)向清洗槽(7)内辐射出纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替而成的合成振动,使清洗槽(7)内形成横向振动和弯曲振动合成的稳定辐射声场。
8.根据权利要求7所述的清洗方法,其特征在于,所述清洗方法具体包括:
1)振动柱(2)的压电陶瓷堆(22)受激励后产生沿轴向的纵振动;
2)压电陶瓷堆(22)所产生的纵振动经前盖板(21)传递到振动盖(1),经振动盖(1)的底部和侧部从不同方向辐射,进而向清洗槽(7)内辐射出纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替作用的合成振动,形成横向振动和弯曲振动合成的稳定辐射声场。
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CN113663980A (zh) | 2021-11-19 |
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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