專利名稱：低噪音液體振動換能激勵裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種用于激發(fā)液體產生低頻振動的低噪音推挽式換能激勵裝置，主要用于聲能清洗等利用聲能激發(fā)液體產生振動的功率聲能應用領域。
利用聲能，尤其是利用超聲波進行清洗，已經有幾十年的歷史了。由于這種清洗方法效果好，勞動效率高而獲得了廣泛的應用。但是功率超聲清洗技術卻始終沒有多大發(fā)展，其主要原理還是使用專用的高頻電源驅動壓電或磁致伸縮換能器，激發(fā)液體振動而產生空化現象來實現清洗。但超聲清洗也有一定的缺點，主要是需用專用的高頻電源，而使其造價高昂、維修困難；同時超聲泄漏還會對人體產生危害。這些缺點限制了它更廣泛，尤其是在日常生活中的應用。
對于利用聲能清洗，很早就有人提出了另外一種方式，即在化學性質活潑的液體中，使用電磁換能器在很低的頻率下，能非常有效地清洗污垢(見《超聲波及其在工業(yè)中的應用》，P158，O.N.巴比科夫，科學出版社，1962年)。因為在低頻下，一定功率的聲能在液體中是以空化現象和動力注兩種形式，相輔相承地起作用，所以實用效果很好。但由于工作在低頻段，所以噪音問題又限制了其在實際中的廣泛應用，至今還未發(fā)現在換能激勵器方面解決這個問題的實用技術。中國專利第90109948.1和第90223325.4號均公開了利用半波交流電產生工頻振動的技術，但均屬于單端輸出，其激勵器不易應用于激勵液體產生振動，關鍵是不能在根本上解決噪音問題。另外，90223325.4號專利若廣泛應用，還會造成市電正負半波不平衡的問題。
本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種新的思想，主要針對聲能清洗，利用現有成熟技術提供一種能自行抑制低頻噪音、不使用高頻電源、結構簡單、造價低、無易損件、無超聲輻射的低頻振動激勵裝置，激發(fā)液體產生振動，使聲能清洗等功率聲能應用的領域或范圍更廣泛。
本發(fā)明是利用兩只或兩組在數量、結構及輸出功率上一致，但在工作時振動相位上相差180°的電磁換能激勵器，裝置于清洗槽上構成一個換能激勵系統，激發(fā)液體產生振動。因為這兩只或兩組激勵器單元工作于推挽狀態(tài)，故其中一只或一組單元向空間輻射的低頻聲波，被另一只或一組單元所輻射的反相聲波抵消，從而實現了低噪音工作。
能實現上述推挽工作的換能激勵單元和電源配置方案有兩種，分別對應于不同的電源和換能激勵器。
一種是采用工頻交流電直接驅動帶有永磁體的電磁式換能激勵器單元，但兩組或兩只單元中的永磁體或由繞組和鐵芯組成的電磁鐵的磁極方向相反，使交流電正、負半周在驅動換能激勵器時，實現“推”和“挽”的效果。
另一種使用整流元件，把交流電的正、負半周分開，分別輸出正、負半波脈動直流電，分別驅動兩只或兩組單元。與此對應，換能激勵器單元中無永磁體，而分別由正負脈動電源驅動，實現推挽工作。
本發(fā)明之所以采用電磁換能器，是因為工作頻率只有幾十赫茲。在這個頻率下，電磁換能激勵器具有最高的效率。
本發(fā)明有著低噪音、低造價、結構簡單、無易損件、無有害輻射、清洗效果好的優(yōu)點。在功率適當的情況下，本發(fā)明還可以應用于聲能乳化和加速化學反應等的其它用途。


圖1為使用正負半波脈動直流電源時的電原理2為使用工頻交流電時的電原理3為振動系統安裝原理結構4為振動系統空間輻射聲波的振幅--時間函數曲線圖5為電磁式振動換能器的原理結構6為使用正負脈動直流電驅動的電磁換能激勵器的結構7為使用工頻交流電驅動的電磁換能激勵器的結構8為振動系統的另一種結構形式。
下面結合附圖來說明本發(fā)明的原理和實施方法。
在圖1和圖2中，C1n和C2n分別是結構和輸出功率都一致的兩組或兩只電磁換能器，在振動系統中的安裝方式見圖3。它們與清洗槽[1]底部的鐵磁質振膜[3]、[5]，波紋環(huán)簧[4]、[6]共同構成了換能激勵系統。圖1中的換能器磁路中無永磁體，而圖2中的有永磁體。下面分別以C1n和C2n為兩只單元為例，說明圖1和圖2電路的工作原理。
在圖1中，C1n和C2n分別通過整流元件D1和D2接于交流電源上。由于D1和D2的整流，使C1n和C2n的驅動電源分別為正負脈動直流電源，即C1n和C2n分別工作于交流電的正負半波。設系統正常工作的某個瞬時，交流電源A端為正，B端為負，這時D1導通，C1n因有電流通過而產生磁力，吸引振膜[3]向下運動；而C2n因D2截止而失去電流，振膜[4]因無磁力而被釋放，在波紋環(huán)簧[6]的作用下向上運動。當半周后電源極性改變，A正B負，情況正好相反，振膜[4]被吸引向下運動，而振膜[3]被釋放，在波紋環(huán)簧[5]的作用下向上運動，與上面所述的方向正好相反。如此這樣振動下去。由上面的分析可知，這兩只單元的振動基頻等于電源頻率，而在相位上總是相差180°，即反相振動、在圖2中，C1n和C2n兩只換能單元的磁路中如圖7所示裝有極性方向相同的永磁體，因此，當C1n和C2n的兩個繞組的同名端方向相反地接到交流電源上后，由電工學的右手定則可知，無論是在交流電的正半周還是負半周，兩個繞組所產生的磁場方向總是相反的。這兩個磁場于永磁體的磁場相疊加，其結果是一個單元的總磁力被加強而另一個則被減弱。這樣，圖3中振膜[3]、[4]在波紋環(huán)簧[5]、[6]的彈力和C1n和C2n的磁力的共同作用下振動，其振動相位也是總相差180°，而振動的基頻等于電源的頻率。
在圖1中，整流元件D1、D2可用單向可控硅，兼有調壓，即調節(jié)換能器輸出功率的作用；在圖2中也可以在電源電路中串入雙向可控硅來調節(jié)輸出功率。這在使用中有時是必要的，因不同的液體或同一液體在不同的溫度或壓力下的空化閥值不同；且不同的工作所需的功率常常也不同。但若取得好的效果，最好用調壓變壓器。因為可控硅調壓會使電壓波形畸變，使振動系統產生大量高次諧波，影響降噪效果；還會干擾電網。同時，由于負載是感性元件，也必將使電路復雜化，故而未在圖1、圖2中給出可控硅及其附屬電路。因為可控硅調壓是成熟技術，所以可在實際應用中決定取舍。
圖3中的隔板[7]的作用是減小近場聲短路效應的影響，使槽內液體的振動均勻，其高度可使液體中聲通路為等截面。若液體深度不大可省略。槽內液體的深度會對由振膜和彈簧所組成的受迫振動系統的固有頻率和阻尼有影響，而不會影響系統的工作原理。
下面通過附圖4來分析由振膜[3]、[4]輻射到空間的工頻聲波的情況?，F假設振膜[3]、[4]的中心距離為0.2m聲波波長λ＝聲速/頻率＝(340m/s)/(50/s)＝6.8m聲波周期T＝1/頻率＝1/(50/s)＝0.02s＝20ms因振膜尺寸與波長相比非常小，故振膜可視為點聲源，則聲音傳播0.2m所需時間為Δt＝T*(0.2/λ)＝0.588ms在圖4中，曲線[8]、[9]、[10]分別表示振膜[3]、[4]所發(fā)出的聲波和它們的聲波在空間相疊加后的振幅--時間函數。可見，曲線[10]的幅度比[8]、[9]都小得的多。計算的結果表明，在上述假設情況下，50Hz噪音可被衰減15dB左右。如果使用圖7所示的換能器，按圖8中的方案安裝，噪音可進一步被衰減達26dB以上。圖8中清洗槽底部的大圓角起著減緩液體動力注對槽壁沖擊的作用。
以上討論的是基波的問題，下面在看看諧波的情況。因為振動是反相的，所以如果兩個換能振動單元的一致性好，則由振膜、槽體、液體的振動所產生的個次諧波也應反相，而也能大部分抵消；而且由于液體的粘性和聲短路作用，個次諧波也較弱，更不會產生超聲輻射。系統所產生的噪聲泄漏可進一步用一般隔離吸收方式加以消除。
在工頻段，現有的壓電和磁致伸縮換能器的效率均不如電磁式的高，所以本發(fā)明中沒有應用。關于電磁換能器，其結構已是千差萬別，除本實施中所推薦的平板式之外，還有諸如穿心棒式、懸臂梁式，旋轉軸式等等。盡管結構如此多樣，但其基本工作原理和結構都是相同的，如圖5所示，均主要由鐵芯[11]、繞組[12]、彈性元件[13]、振動銜鐵[14]、極靴[15]五個基本部分構成。其中鐵芯[11]、極靴[15]若是由軟磁性材料制成的，即為圖6中的鐵芯[16]，若極靴[15]是由硬磁性材料制成的，則為圖7中的永磁體[22]，鐵芯[11]則對應于圖7中的鐵芯[21]。其余部分可一一對應如下繞組[12]相當于圖6、7中的繞組[17]；彈性元件[13]對應于圖6、7中的波紋環(huán)簧[18]；振動銜鐵[14]相當于圖6、7中的振膜[20]加銜鐵[19]。
雖然電磁換能器的結構多種多樣，但因為本實施中的結構具有振動元件和激勵液體的振膜合二為一而省去中間振動傳輸結構，特別是有著無易損件的優(yōu)點，結構最簡，故其余種類的結構類型在此不作應用方法和振動傳輸結構的討論和說明，而優(yōu)先推薦本實施中的結構。圖6、7中的銜鐵的作用是為了進一步減小由鐵芯、振膜、波紋環(huán)簧等所構成的磁路的磁阻，盡可能提高換能效率。需要說明的是，波紋環(huán)簧[17]的結構和形狀，可根據其材質、厚度及所需的振幅來改變，甚至以環(huán)形板簧代替。在本實施中，波紋環(huán)簧[18]和振膜[20]由一塊薄鋼板沖壓而成。
對于圖6、7中的兩種換能驅動器，在實際應用中，圖7所示的帶永磁體的換能器，因工作時振膜受力的對稱性好，所以聲波波形更接近正弦波，故降噪效果更好些，但其造價因使用永磁體而高些。
本實施中的清洗槽可使用不銹鋼、低碳鋼或高強度工程塑料或新型復合材料等材料制造。
權利要求
1.一種由清洗槽和換能激勵系統構成的利用電能激勵清洗液振動的裝置，其特征在于換能激勵系統是由兩只或兩組在數量、結構和輸出功率上相同，但在工作時振動相位上反相的換能激勵單元構成。
2.根據權利要求1所述的換能激勵系統，其特征在于換能激勵單元是由繞組、鐵芯、彈性元件、振動銜鐵四個基本元件所構成的一般電磁式換能激勵器。
3.根據權利要求1所述的換能激勵系統，其特征在于用整流元件把工頻交流電變成半波脈動正負直流電源，分別驅動兩組或兩只權利要求2所述的電磁換能激勵器單元。
4.根據權利要求1所述的換能激勵系統，其特征在于換能激勵單元是由繞組、鐵芯、彈性元件、振動銜鐵和包含在磁路中的永磁體五個基本元件所構成的一般電磁式換能激勵器。
5.根據權利要求1所述的換能激勵系統，其特征在于采用工頻交流電驅動權利要求4所述的換能激勵器；兩只或兩組換能激勵器單元中的繞組與交流電源的連接方式，使其鐵芯中繞組所產生的磁場與永磁體的磁場相疊加的磁場強度，無論交流電的哪一個半周通過，都會使其中一只增強而另一只減弱；且交流電的正負半周不同時，增強或減弱的單元也不同。
全文摘要
一種利用電能激發(fā)液體產生低頻振動的低噪音推挽換能裝置，主要應用于清洗領域。本發(fā)明使用工頻交流電直接或經半波整流后變成正負脈動直流電源，驅動由磁換能激勵器，并采用同頻等功率反相的推挽振動模式，使振動系統向空間輻射的低頻噪音聲波被短路抑制，實現低噪音。本發(fā)明具有低噪音、低造價、無易損件的優(yōu)點，可用于日常生活和工業(yè)清洗或其他功率聲能應用領域。
文檔編號B08B3/12GK1097657SQ94105968
公開日1995年1月25日 申請日期1994年6月8日 優(yōu)先權日1994年6月8日
發(fā)明者劉中華 申請人:劉中華