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】本實用新型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)高強超聲處理【技術(shù)領(lǐng)域】。為達到所述效果，本實用新型所述一種大振幅夾心式壓電超聲復(fù)合換能器，包括縱向振動夾心式壓電超聲換能器、縱向振動變截面金屬管形聚能器和彎曲振動金屬圓盤。由于采用了所述技術(shù)方案，本實用新型的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度，并且改善了換能器和負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載傳輸，提高了換能器的超聲輻射效率。
【專利說明】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]本實用新型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)簡單等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各種超聲【技術(shù)領(lǐng)域】。但是在高強超聲應(yīng)用場合，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到5?10左右，這樣的位移振幅很難達到高強超聲液體處理所需的超聲空化強度，因此需要在換能器的輸出端連接放大其位移振幅的機械裝置一一超聲變幅桿(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，超聲換能器的聲輻射功率為:，其中為被處理液體(聲負載)的密度，為液體中的聲速，為換能器的振動圓頻率，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?，對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)計要兼顧振幅增益和有效聲輻射面積兩個要素。
實用新型內(nèi)容
[0003]本實用新型要解決的技術(shù)問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。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采取的技術(shù)方案為:
[0005]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、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和金屬圓盤三部分。
[0006]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內(nèi)側(cè)面及外側(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，其輸出端徑向尺寸可以大于、等于或小于其輸入端徑向尺寸。通過選擇內(nèi)側(cè)面及外側(cè)面的合適形狀變化參數(shù)，實現(xiàn)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沿其軸向的截面積變化，達到聚能的目的。事實上，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對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的外側(cè)面及其內(nèi)側(cè)面的形狀密切相關(guān)。因此，在實際應(yīng)用中，當(dāng)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的輸入、輸出端截面積一定的情況下，通過選擇合適的外側(cè)面及中心通孔的變化形狀參數(shù)，可實現(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采用一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計。這樣的連接可以避免換能器的前蓋板與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的輸出端連接一定厚度的金屬圓盤，其連接方式可采用粘結(jié)劑連接、設(shè)置螺紋連接或螺釘連接。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計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均設(shè)計于其縱向基頻振動模式下，金屬圓盤設(shè)計于一階彎曲振動模式下。夾心式壓電超聲換能器的縱向振動驅(qū)動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的縱向振動，且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放大了夾心式壓電超聲換能器的縱向位移振幅；同時，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激發(fā)金屬圓盤的一階彎曲振動，通過縱-彎振動模式轉(zhuǎn)換，金屬圓盤的彎曲振動進一步放大了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輸出端的縱向位移振幅，由此實現(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)點在于:
[0011](I)本實用新型一種大振幅夾心式壓電超聲復(fù)合換能器采用縱向振動夾心式壓電超聲換能器及輸入端橫截面大于輸出端橫截面的變截面金屬圓管推動金屬圓盤，利用振動模式的轉(zhuǎn)換將夾心式壓電超聲換能器及輸入端橫截面大于輸出端橫截面的變截面金屬圓管的縱向振動轉(zhuǎn)換為金屬圓盤的軸對稱彎曲振動，實現(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。
[0012](2)本實用新型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，不僅起到放大換能器縱向激發(fā)位移振幅的作用，同時根據(jù)實際應(yīng)用的需要實現(xiàn)放大或縮小換能器輸出端徑向尺寸的功能。當(dāng)輸入端橫截面大于輸出端橫截面的變截面管形聚能器的輸出端徑向尺寸設(shè)計的大于其輸入端徑向尺寸時，可在輸入端橫截面大于輸出端橫截面的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，由此可實現(xiàn)金屬圓盤獲得較大位移振幅的同時有效地增大了換能器的超聲輻射面積，從而有效地提高了換能器的超聲輻射功率。
[0013](3)本實用新型在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的輸出端連接一定厚度的彎曲振動金屬圓盤，通過調(diào)整金屬圓盤的厚度使其一階軸對稱彎曲共振頻率與夾心式壓電換能器及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的縱向共振頻率相同，利用縱-彎振動模式轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)夾心式壓電換能器、輸入端橫截面大于輸出端橫截面的變截面管形聚能器和金屬圓盤三者之間的同頻共振，并且通過縱-彎振動模式轉(zhuǎn)換，金屬圓盤的彎曲振動進一步放大了變截面管形聚能器的輸出端位移振幅。因此，通過輸入端橫截面大于輸出端橫截面的變截面管形聚能器和彎曲振動圓盤的兩次位移振幅放大，實現(xiàn)本實用新型夾心式壓電超聲復(fù)合換能器的大振幅工作特性。進一步地，彎曲振動金屬圓盤同時可實現(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。
[0014](4)本實用新型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兩部分構(gòu)成，可應(yīng)用于一些高強超聲【技術(shù)領(lǐng)域】，如環(huán)形塑料部件的超聲焊接、超聲鉆孔等。
[0015]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】

【附圖說明】
[0016]圖示意了本實用新型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。
[0017]1:縱向振動夾心式壓電超聲換能器；2:縱向振動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；3:彎曲振動金屬圓盤。Al:夾心式壓電超聲換能器的縱向位移振幅分布曲線；A2: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的縱向位移振幅分布曲線；A3:金屬圓盤彎曲振動位移振幅分布曲線。
[0018]圖1是本實用新型的第I實施例的示意圖。
[0019]圖2是本實用新型的第2實施例的示意圖。
[0020]圖3是本實用新型的第3實施例的示意圖。

【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步詳細說明，但本實用新型不限于這些實施例。
[0022]本實用新型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、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3三部分構(gòu)成。夾心式壓電超聲換能器I的前蓋板與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采用一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計，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。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)，實現(xiàn)聚能的作用；其輸出端徑向尺寸可以設(shè)計的大于、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)。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)實際應(yīng)用需求，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的內(nèi)、外側(cè)面沿其軸向的形狀變化可設(shè)計成階梯形、圓錐形、指數(shù)形、懸鏈線形、余弦形中的一種，當(dāng)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的面積系數(shù)確定后，通過合理的選擇內(nèi)、外側(cè)面形狀變化函數(shù)，可實現(xiàn)其放大系數(shù)的最大化，從而達到最佳的聚能效果。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的輸出端連接金屬圓盤3，金屬圓盤3的直徑和輸入端橫截面大于輸出端橫截面的變截面金屬圓管的外直徑相同，二者的連接方式可通過粘接劑粘接、螺紋連接或螺釘連接在一起。上述粘接劑可以是美國AB4030混合型超聲波振子膠水、TG528膠等。
[0023]該夾心式壓電超聲復(fù)合換能器在工作時，利用振動模式的轉(zhuǎn)換，通過合理設(shè)計夾心式壓電換能器1、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的結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)，使金屬圓盤3的一階軸對稱彎曲共振頻率與夾心式壓電換能器I和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的縱向共振頻率一致。夾心式壓電換能器I的縱向振動經(jīng)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放大并激發(fā)金屬圓盤3的一階軸對稱彎曲振動。經(jīng)過縱-彎振動模式轉(zhuǎn)換，金屬圓盤3的彎曲振動進一步放大了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輸出端的縱向位移振幅。因此，通過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和彎曲振動金屬圓盤3的兩次位移振幅放大，實現(xiàn)本實用新型夾心式壓電超聲復(fù)合換能器的大振幅工作特性。進一步地，彎曲振動金屬圓盤3同時可實現(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)合換能器在工作時其各組成部分的位移振幅分布，其中Al表示夾心式壓電換能器I縱向振動的位移振幅分布曲線，A2表示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縱向振動的位移振幅分布曲線，A3表不金屬圓盤3軸對稱彎曲振動位移振幅分布曲線。由此可以看出，夾心式壓電換能器I的長度等于超聲波等效波長的1/2長度(即夾心式壓電換能器為半波振子)，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同樣為半波振子，且夾心式壓電換能器I的縱向位移振幅經(jīng)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后實現(xiàn)了放大；夾心式壓電換能器I及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的縱向振動激發(fā)金屬圓盤3的軸對稱彎曲共振，從而實現(xiàn)三者的縱-彎復(fù)合共振。
[0024]實施例1
[0025]如圖1所示，是本實用新型的第I實施例的示意圖。在本實施例中，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的輸出端徑向尺寸設(shè)計的大于其輸入端徑向尺寸，其目的是在輸入端橫截面大于輸出端橫截面的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載傳輸，提高了換能器的超聲輻射效率；同時，夾心式壓電換能器I的縱向位移振幅經(jīng)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的兩次位移放大，有效提高了本實用新型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度。
[0026]實施例2
[0027]如圖2所示，是本實用新型的第2實施例的示意圖。在本實施例中，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的輸出端徑向尺寸等于其輸入端徑向尺寸，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載液態(tài)之間的阻抗匹配，有效提高了本實用新型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度。
[0028]實施例3
[0029]如圖3所示，是本實用新型的第3實施例的示意圖。在本實施例中，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的輸出端徑向尺寸小于其輸入端徑向尺寸，該種結(jié)構(gòu)設(shè)計雖然較之圖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度。
[0030]以上所述僅為本實用新型的具體實施例，但本實用新型的結(jié)構(gòu)特征并不局限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型的領(lǐng)域內(nèi)，所作的變化或修飾皆涵蓋在本實用新型的專利范圍之中。
【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)的前蓋板采用一體式結(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)計成階梯形、圓錐形、指數(shù)形、懸鏈線形、余弦形中的一種； 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。
【文檔編號】B06B1/06GK204234307SQ201420250304
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月16日
【發(fā)明者】許龍 申請人:中國計量學(xué)院