一種大振幅夾心式壓電超聲復(fù)合換能器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種能在縱向產(chǎn)生大位移振幅的壓電超聲復(fù)合換能器，尤其適用于超聲粉碎、超聲乳化、超聲降解等液態(tài)高強(qiáng)超聲處理【技術(shù)領(lǐng)域】。為達(dá)到所述效果，本發(fā)明一種大振幅夾心式壓電超聲復(fù)合換能器，包括縱向振動(dòng)夾心式壓電超聲換能器、縱向振動(dòng)變截面金屬管形聚能器和彎曲振動(dòng)金屬圓盤。由于采用了所述技術(shù)方案，本發(fā)明一種大振幅夾心式壓電超聲復(fù)合換能器比傳統(tǒng)的壓電超聲換能器具有更大的位移振幅和超聲輻射強(qiáng)度，并且改善了換能器和負(fù)載液體之間的阻抗匹配，使超聲能量更有效地由超聲換能器向負(fù)載傳輸，提高了換能器的超聲輻射效率。
【專利說(shuō)明】一種大振幅夾心式壓電超聲復(fù)合換能器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種壓電超聲換能器，特別涉及一種能在縱向產(chǎn)生大位移振幅的夾心式壓電超聲復(fù)合換能器。
【背景技術(shù)】
[0002]大功率超聲在超聲液體處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，例如超聲清洗、超聲中草藥萃取、超聲乳化、超聲污水處理、生物柴油提取及聲化學(xué)等。所有這些技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的保障是要求超聲換能器具有大功率、高效率、高移振幅及穩(wěn)定可靠性。目前由于夾心式壓電換能器具有功率容量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種超聲【技術(shù)領(lǐng)域】。但是在高強(qiáng)超聲應(yīng)用場(chǎng)合，由于傳統(tǒng)的夾心式壓電超聲換能器的輸出端位移振幅只能達(dá)到5?10左右，這樣的位移振幅很難達(dá)到高強(qiáng)超聲液體處理所需的超聲空化強(qiáng)度，因此需要在換能器的輸出端連接放大其位移振幅的機(jī)械裝置——超聲變幅桿(也稱超聲聚能器)，二者共同組成一種復(fù)合結(jié)構(gòu)夾心式壓電超聲換能器(即夾心式壓電超聲復(fù)合換能器)。傳統(tǒng)的超聲變幅桿是由輸入端截面大于輸出端截面的變截面棒組成，根據(jù)變截面棒的側(cè)面變化形狀結(jié)構(gòu)可分為圓錐形變幅桿、指數(shù)形變幅桿、懸鏈線形變幅桿、階梯形變幅桿以及復(fù)合變幅桿等。對(duì)于上述由變截面棒組成的超聲變幅桿，其放大系數(shù)(指變幅桿工作在共振頻率時(shí)輸出端與輸入端的位移振幅的比值)與其面積系數(shù)(指變幅桿的輸入端與輸出端的截面積比值)密切相關(guān)，面積系數(shù)越大，放大系數(shù)越大。因此在實(shí)際應(yīng)用中為了提高夾心式壓電超聲復(fù)合換能器的位移振幅及超聲輻射強(qiáng)度，變幅桿僅有很小的面積輻射超聲波，這將大大的限制了超聲換能器的超聲作用范圍。眾所周知，超聲換能器的聲福射功率為:，其中為被處理液體(聲負(fù)載)的密度，為液體中的聲速，為換能器的振動(dòng)圓頻率，為超聲換能器的輸出端位移振幅，為超聲換能器的輸出端有效超聲輻射面積。由此可知，在一定的工作頻率和負(fù)載條件下，超聲換能器的聲輻射功率與其輸出端位移振幅的平方成正比，與換能器的輸出端有效超聲輻射面積成正比?？梢?jiàn)，對(duì)于大功率超聲液體處理領(lǐng)域，要提高換能器的超聲輻射效率，夾心式壓電超聲復(fù)合換能器的設(shè)計(jì)要兼顧振幅增益和有效聲輻射面積兩個(gè)要素。
[0003]
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種高位移振幅、高輻射效率、特別適合于液體超聲處理的大振幅夾心式壓電超聲復(fù)合換能器。
[0005]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
一種大振幅夾心式壓電超聲復(fù)合換能器，包括夾心式壓電超聲換能器、變截面金屬管形聚能器和彎曲振動(dòng)金屬圓盤三部分。
[0006]在本發(fā)明所述的夾心式壓電超聲復(fù)合換能器中，所述變截面金屬管形聚能器由金屬圓棒的外側(cè)面沿軸向加工成特定的形狀和其內(nèi)部沿軸向加工特定形狀的中心通孔而成，中心通孔及外側(cè)面的特定形狀是階梯形、圓錐形、指數(shù)形、懸鏈線形、余弦形或它函數(shù)形狀中的一種。通過(guò)選擇中心通孔及外側(cè)面的合適形狀變化參數(shù)，實(shí)現(xiàn)變截面金屬管形聚能器沿其軸向的截面積變化，達(dá)到聚能的目的。事實(shí)上，變截面金屬管形聚能器對(duì)夾心式壓電超聲換能器的位移振幅放大倍數(shù)除了與聚能器的面積系數(shù)有關(guān)外，還與變截面金屬管形聚能器的外側(cè)面及其中心通孔的形狀密切相關(guān)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)變截面金屬管形聚能器的輸入、輸出端截面積一定的情況下，通過(guò)選擇合適的外側(cè)面及中心通孔的變化形狀參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)聚能器能量輸出的最大化。
[0007]優(yōu)選的，所述的夾心式壓電超聲換能器的前蓋板與變截面金屬管形聚能器采用一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣的連接可以避免換能器的前蓋板與變截面金屬管形聚能器之間形成接觸面，避免了超聲能量在接觸面之間的損失。
[0008]優(yōu)選的，在變截面金屬管形聚能器的輸出端連接一定厚度的金屬圓盤。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以增大夾心式壓電超聲復(fù)合換能器超聲輻射面積。
[0009]優(yōu)選的，所述的夾心式壓電超聲換能器和變截面金屬管形聚能器均設(shè)計(jì)于其縱向基頻振動(dòng)模式下，金屬圓盤設(shè)計(jì)于一階彎曲振動(dòng)模式下。夾心式壓電超聲換能器的縱向振動(dòng)驅(qū)動(dòng)變截面金屬管形聚能器的縱向振動(dòng)，且變截面金屬管形聚能器放大了夾心式壓電超聲換能器的縱向位移振幅；同時(shí)，變截面金屬管形聚能器激發(fā)金屬圓盤的一階彎曲振動(dòng)，通過(guò)縱-彎振動(dòng)模式轉(zhuǎn)換，金屬圓盤的彎曲振動(dòng)進(jìn)一步放大了變截面金屬管形聚能器輸出端的縱向位移振幅，由此實(shí)現(xiàn)夾心式壓電超聲復(fù)合換能器的縱-彎大振幅復(fù)合振動(dòng)工作特性。
[0010]上述技術(shù)方案的夾心式壓電超聲復(fù)合換能器的優(yōu)點(diǎn)在于:
(I)本發(fā)明一種大振幅夾心式壓電超聲復(fù)合換能器采用縱向振動(dòng)夾心式壓電超聲換能器及變截面金屬圓管推動(dòng)金屬圓盤，利用振動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換將夾心式壓電超聲換能器及變截面金屬圓管的縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)換為金屬圓盤的軸對(duì)稱彎曲振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)金屬圓盤向夾心式壓電超聲復(fù)合換能器縱向福射超聲波。
[0011](2)本發(fā)明在金屬圓盤和縱向激發(fā)夾心式壓電超聲換能器之間設(shè)置變截面金屬管形聚能器，不僅起到放大換能器縱向激發(fā)位移振幅的作用，同時(shí)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要實(shí)現(xiàn)放大或縮小換能器輸出端徑向尺寸的功能。在滿足變截面管形聚能器的輸入端截面積大于其輸出端截面積的條件下，當(dāng)變截面管形聚能器的輸出端徑向尺寸設(shè)計(jì)的大于其輸入端徑向尺寸時(shí)，可在變截面管形聚能器的輸出端連接徑向尺寸較大的金屬圓盤作為聲輻射面，由此可實(shí)現(xiàn)金屬圓盤獲得較大位移振幅的同時(shí)有效地增大了換能器的超聲輻射面積，從而有效地提聞了換能器的超聲福射功率。
[0012](3)本發(fā)明在變截面金屬管形聚能器的輸出端連接一定厚度的彎曲振動(dòng)金屬圓盤，通過(guò)調(diào)整金屬圓盤的厚度使其一階軸對(duì)稱彎曲共振頻率與夾心式壓電換能器及變截面金屬管形聚能器的縱向共振頻率相同，利用縱-彎振動(dòng)模式轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)夾心式壓電換能器、變截面管形聚能器和金屬圓盤三者之間的同頻共振，并且通過(guò)縱-彎振動(dòng)模式轉(zhuǎn)換，金屬圓盤的彎曲振動(dòng)進(jìn)一步放大了變截面管形聚能器的輸出端位移振幅。因此，通過(guò)變截面管形聚能器和彎曲振動(dòng)圓盤的兩次位移振幅放大，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明夾心式壓電超聲復(fù)合換能器的大振幅工作特性。進(jìn)一步地，彎曲振動(dòng)金屬圓盤同時(shí)可實(shí)現(xiàn)理想的聲阻抗匹配，從而有效地提聞了換能器的超聲福射效率。
[0013](4)本發(fā)明一種大振幅夾心式壓電超聲復(fù)合換能器如果僅由夾心式壓電超聲換能器和變截面金屬管形聚能器兩部分構(gòu)成，可應(yīng)用于一些高強(qiáng)超聲【技術(shù)領(lǐng)域】，如環(huán)形塑料部件的超聲焊接、超聲鉆孔等。
[0014]上述技術(shù)方案的一種大振幅夾心式壓電超聲復(fù)合換能器尤其適用于液態(tài)高強(qiáng)超聲處理【技術(shù)領(lǐng)域】，如超聲粉碎、超聲乳化、超聲降解以及超聲化學(xué)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖示意了本發(fā)明的一種大振幅夾心式壓電超聲復(fù)合換能器基本結(jié)構(gòu)及工作原理。
[0016]1:縱向振動(dòng)夾心式壓電超聲換能器；2:縱向振動(dòng)變截面金屬管形聚能器；3:彎曲振動(dòng)金屬圓盤。Al:夾心式壓電超聲換能器的縱向位移振幅分布曲線；A2:變截面金屬管形聚能器的縱向位移振幅分布曲線；A3:金屬圓盤彎曲振動(dòng)位移振幅分布曲線。
[0017]圖1是本發(fā)明的第I實(shí)施例的示意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明的第2實(shí)施例的示意圖。
[0019]圖3是本發(fā)明的第3實(shí)施例的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。
[0021]本發(fā)明提供了一種大振幅夾心式壓電超聲復(fù)合換能器。如圖1?3所示，該復(fù)合換能器由夾心式壓電超聲換能器1、變截面金屬管形聚能器2和金屬圓盤3三部分構(gòu)成。夾心式壓電超聲換能器I的前蓋板與變截面金屬管形聚能器2采用一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)可避免夾心式壓電超聲換能器I的前蓋板與變截面金屬管形聚能器2之間形成接觸面，有效避免了超聲能量在接觸面之間的傳輸損失。變截面金屬管形聚能器2的輸入端截面積大于輸出端截面積，從而保證變截面金屬管形聚能器2具有較大的面積系數(shù)和放大系數(shù)，實(shí)現(xiàn)聚能的作用；在滿足變截面金屬管形聚能器2的輸入端面積大于其輸出端面積的前提下，變截面金屬管形聚能器2的輸出端徑向尺寸可以設(shè)計(jì)的大于、等于或小于其輸入端徑向尺寸(分別如圖1、圖2和圖3所示)。變截面金屬管形聚能器2的放大系數(shù)除了與其面積系數(shù)有關(guān)外，還與其內(nèi)外側(cè)面形狀變化函數(shù)密切相關(guān)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，變截面金屬管形聚能器2的內(nèi)、外側(cè)面沿其軸向的形狀變化可設(shè)計(jì)成階梯形、圓錐形、指數(shù)形、懸鏈線形、余弦形和其它函數(shù)變化形狀等，當(dāng)變截面金屬管形聚能器2的面積系數(shù)確定后，通過(guò)合理的選擇內(nèi)、外側(cè)面形狀變化函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)其放大系數(shù)的最大化，從而達(dá)到最佳的聚能效果。在變截面金屬管形聚能器2的輸出端連接金屬圓盤3，金屬圓盤3的直徑和變截面金屬圓管的外直徑相同，二者的連接方式可通過(guò)粘接劑粘接、螺紋連接或螺釘連接在一起。上述粘接劑可以是美國(guó)AB4030混合型超聲波振子膠水、TG528膠等。
[0022]該夾心式壓電超聲復(fù)合換能器在工作時(shí)，利用振動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換，通過(guò)合理設(shè)計(jì)夾心式壓電換能器1、變截面金屬管形聚能器2和金屬圓盤3的結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)，使金屬圓盤3的一階軸對(duì)稱彎曲共振頻率與夾心式壓電換能器I和變截面金屬管形聚能器2的縱向共振頻率一致。夾心式壓電換能器I的縱向振動(dòng)經(jīng)變截面金屬管形聚能器2放大并激發(fā)金屬圓盤3的一階軸對(duì)稱彎曲振動(dòng)。經(jīng)過(guò)縱-彎振動(dòng)模式轉(zhuǎn)換，金屬圓盤3的彎曲振動(dòng)進(jìn)一步放大了變截面金屬管形聚能器2輸出端的縱向位移振幅。因此，通過(guò)變截面金屬管形聚能器2和彎曲振動(dòng)金屬圓盤3的兩次位移振幅放大，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明夾心式壓電超聲復(fù)合換能器的大振幅工作特性。進(jìn)一步地，彎曲振動(dòng)金屬圓盤3同時(shí)可實(shí)現(xiàn)理想的聲阻抗匹配，從而有效地提高了換能器的超聲輻射效率。圖1~3中用Al、A2和A3表示該壓電超聲復(fù)合換能器在工作時(shí)其各組成部分的位移振幅分布，其中Al表不夾心式壓電換能器I縱向振動(dòng)的位移振幅分布曲線，A2表示變截面金屬管形聚能器2縱向振動(dòng)的位移振幅分布曲線，A3表示金屬圓盤3軸對(duì)稱彎曲振動(dòng)位移振幅分布曲線。由此可以看出，夾心式壓電換能器I的長(zhǎng)度等于超聲波等效波長(zhǎng)的1/2長(zhǎng)度(即夾心式壓電換能器為半波振子)，變截面金屬管形聚能器2同樣為半波振子，且?jiàn)A心式壓電換能器I的縱向位移振幅經(jīng)變截面金屬管形聚能器2后實(shí)現(xiàn)了放大；夾心式壓電換能器I及變截面金屬管形聚能器2的縱向振動(dòng)激發(fā)金屬圓盤3的軸對(duì)稱彎曲共振，從而實(shí)現(xiàn)三者的縱-彎復(fù)合共振。
[0023]實(shí)施例1
如圖1所示，是本發(fā)明的第I實(shí)施例的示意圖。在本實(shí)施例中，變截面金屬管形聚能器2的輸出端徑向尺寸設(shè)計(jì)的大于其輸入端徑向尺寸，其目的是在變截面管形聚能器的輸出端連接徑向尺寸較大的金屬圓盤3作為聲輻射面，從而有效地增大了夾心式壓電換能器I的超聲輻射面積，且改善了換能器和負(fù)載液體之間的阻抗匹配，使超聲能量由超聲換能器更有效地向負(fù)載傳輸，提高了換能器的超聲輻射效率；同時(shí)，夾心式壓電換能器I的縱向位移振幅經(jīng)變截面金屬管形聚能器2和金屬圓盤3的兩次位移放大，有效提高了本發(fā)明的夾心式壓電超聲復(fù)合換能器的位移振幅和超聲輻射強(qiáng)度。
[0024]實(shí)施例2
如圖2所示，是本發(fā)明的第2實(shí)施例的示意圖。在本實(shí)施例中，變截面金屬管形聚能器2的輸出端徑向尺寸等于其輸入端徑向尺寸，變截面金屬管形聚能器2的外側(cè)面徑向尺寸恒定不變，內(nèi)側(cè)面呈錐形變化。該結(jié)構(gòu)較之圖1所示換能器雖然并未增大夾心式壓電換能器I的超聲輻射面積，但同樣 可改善換能器和負(fù)載液態(tài)之間的阻抗匹配，有效提高了本發(fā)明的夾心式壓電超聲復(fù)合換能器的位移振幅和超聲輻射強(qiáng)度。
[0025]實(shí)施例3
如圖3所示，是本發(fā)明的第3實(shí)施例的示意圖。在本實(shí)施例中，變截面金屬管形聚能器2的輸出端徑向尺寸小于其輸入端徑向尺寸，該種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然較之圖1和圖2所示的換能器其超聲輻射面積更小，但是該種結(jié)構(gòu)換能器的變截面金屬管形聚能器2具有更大的面積系數(shù)及放大系數(shù)，因此換能器具有更大的位移振幅和超聲輻射強(qiáng)度。
[0026]以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，但本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征并不局限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的領(lǐng)域內(nèi)，所作的變化或修飾皆涵蓋在本發(fā)明的專利范圍之中。
【權(quán)利要求】
1.一種大振幅夾心式壓電超聲復(fù)合換能器，有:夾心式壓電超聲換能器(I)、輸入端橫截面大于輸出端橫截面的變截面金屬管形聚能器(2)和金屬圓盤(3)，其特征在于: A.所述輸入端橫截面大于輸出端橫截面的變截面金屬管形聚能器(2)和夾心式壓電超聲換能器(I)的前蓋板米用一體式結(jié)構(gòu)加工而成； B.所述輸入端橫截面大于輸出端橫截面的變截面金屬管形聚能器(2)的輸出端徑向尺寸可以大于、等于或小于其輸入端徑向尺寸；變截面金屬管形聚能器(2)的內(nèi)側(cè)面和外側(cè)面沿其軸向形狀變化可設(shè)計(jì)成階梯形、圓錐形、指數(shù)形、懸鏈線形、余弦形以及其它函數(shù)變化形狀中的一種，在保證變截面金屬管形聚能器(2)的輸入端橫截面大于輸出端橫截面的前提下，通過(guò)合理的選擇其內(nèi)側(cè)面和外側(cè)面的形狀變化函數(shù)可實(shí)現(xiàn)變截面金屬管形聚能器(2)具有較大的放大系數(shù)，從而達(dá)到最佳的聚能效果； C.所述金屬圓盤(3)與變截面金屬管形聚能器(2)的輸出端連接在一起，其連接方式可采用粘接劑連接、設(shè)置螺紋連接或螺釘連接在一起。
2.如權(quán)利要求1所述的一種大振幅夾心式壓電超聲復(fù)合換能器，其特征在于:所述夾心式壓電超聲換能器(I)工作于一階縱向振動(dòng)模式下，變截面金屬管形聚能器(2)工作于一階縱向振動(dòng)模式下，金屬圓盤(3)工作于一階軸對(duì)稱彎曲振動(dòng)模式下，且?jiàn)A心式壓電超聲換能器(I)、變截面金 屬管形聚能器(2)和金屬圓盤(3)的振動(dòng)頻率相同。
【文檔編號(hào)】B06B1/06GK104014473SQ201410206565
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月16日
【發(fā)明者】許龍 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院